張 飛，周福君

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

隨著人民生活水平的不斷提高，對(duì)水果和蔬菜的品質(zhì)要求也在逐漸增長(zhǎng)，但水果和蔬菜的采后損失十分嚴(yán)重，果蔬貯藏日益受到人們的關(guān)注。

目前果蔬的貯藏方式主要是人工降溫貯藏，即利用機(jī)械制冷來(lái)調(diào)節(jié)貯藏環(huán)境溫度。在傳統(tǒng)的冷庫(kù)中冷卻盤管表面溫度低于零度，空氣中的水分不斷冷凝和結(jié)霜，庫(kù)藏產(chǎn)品經(jīng)一段時(shí)間的冷藏后水分損失[1-2]。此外，由于盤管周期性化霜，庫(kù)溫也就相應(yīng)周期性波動(dòng)，不利于保鮮。同時(shí)，由于制冷設(shè)備的容量設(shè)計(jì)按冷藏物從入庫(kù)溫度冷卻到冷藏溫度的尖峰負(fù)荷確定[3]，該符合比冷藏過(guò)程中平均負(fù)荷大得多，因此設(shè)備容量大，體積大，造價(jià)高。近些年隨著能源危機(jī)的加重及環(huán)保問(wèn)題的日益迫切，使得人們研究更加完善的果蔬貯藏方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約和低碳經(jīng)濟(jì)來(lái)環(huán)境改善[4]。

我國(guó)北方有著獨(dú)特的氣候特點(diǎn)和豐富的自然冷資源，即冬冷夏熱，如果能把冬季自然冷資源儲(chǔ)存到夏季，這部分冷量就可以作為夏季的冷源來(lái)調(diào)節(jié)保鮮庫(kù)內(nèi)的溫度。在北方利用自然冷資源貯藏蔬菜既節(jié)約能源又保護(hù)環(huán)境，這是一種綠色能源[5]。

隨著科技進(jìn)步和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，利用虛擬儀器（Virtual instrumention，VI）實(shí)現(xiàn)保鮮庫(kù)的溫度和濕度的自動(dòng)控制得以有效應(yīng)用。通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī)與功能化硬件結(jié)合起來(lái)，用戶通過(guò)友好的圖形化操作界面來(lái)使用計(jì)算機(jī)完成測(cè)控任務(wù)，用戶根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器來(lái)測(cè)控環(huán)境的溫濕度。虛擬儀器的研究中涉及的基礎(chǔ)理論主要有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。目前廣泛使用的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言是美國(guó)NI公司的LabVIEW軟件。本設(shè)計(jì)基于LabVIEW軟件平臺(tái)，應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)自然冷資源保鮮庫(kù)內(nèi)的溫度、濕度參數(shù)自動(dòng)監(jiān)控，已達(dá)到提高果蔬保鮮質(zhì)量的目的。

1 自控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

無(wú)論是居室、畜禽舍及果品蔬菜保鮮，生物體和環(huán)境之間都存在能量的交換。以蔬菜為例，采摘后仍然進(jìn)行呼吸作用，呼吸強(qiáng)度是一個(gè)衡量呼吸強(qiáng)弱的一個(gè)指標(biāo)。呼吸強(qiáng)度越大，各種生理、生化過(guò)程經(jīng)行的越快，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消耗得越快，蔬菜衰老的也就越快，貯藏壽命也就越短了[6]。因此抑制蔬菜的呼吸強(qiáng)度成為蔬菜保鮮的重要環(huán)節(jié)之一。除了蔬菜種類和蔬菜本身的特性之外，影響蔬菜呼吸強(qiáng)度的主要環(huán)境因素有:溫度、濕度、氣體成分、機(jī)械傷害和其他微生物的侵染等。蔬菜本身的特性不易控制，所以控制蔬菜的外部環(huán)境因素成為延長(zhǎng)蔬菜保鮮期的一個(gè)重要方法，在影響果蔬采后貯藏的環(huán)境因素中，溫度、濕度、二氧化碳影響最為顯著。

國(guó)內(nèi)外對(duì)保鮮庫(kù)或溫室的檢測(cè)與控制進(jìn)行了大量研究，其中用單片機(jī)和PLC模糊控制居多。單片機(jī)成本低廉，體積小，自動(dòng)化程度高，環(huán)境因素控制精確，但單片機(jī)不夠穩(wěn)定，設(shè)計(jì)復(fù)雜，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期比較長(zhǎng)，給設(shè)計(jì)者帶來(lái)了難度；隨著PLC技術(shù)的成熟，PLC控制技術(shù)在自動(dòng)化控制中所占的比重越來(lái)越大。PLC具有可靠性高、功能強(qiáng)、安裝簡(jiǎn)單、維修方便、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期短、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但PLC成本高，不利于大范圍的推廣[7]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，虛擬測(cè)試技術(shù)模塊和控制模塊的高速發(fā)展，VI在測(cè)控領(lǐng)域越來(lái)越受到人們的青睬。虛擬測(cè)控技術(shù)具有開(kāi)發(fā)周期短，成本低廉，系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[8]。

本控制系統(tǒng)中，保鮮庫(kù)環(huán)境參數(shù)確定為溫度（多點(diǎn)）、濕度（多點(diǎn)）以及CO2氣體濃度。采用傳感器將信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊輸入計(jì)算機(jī)，通過(guò)虛擬儀器加以控制。

2 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自控系統(tǒng)有硬件部分和軟件部分組成。本系統(tǒng)中硬件部分主要有溫度傳感器、濕度傳感器、Rma411遠(yuǎn)端模擬量采集模塊、RM4024遠(yuǎn)端模擬量輸出模塊、PC機(jī)等組成。軟件部分采用美國(guó)NI公司的Labview軟件。

2.1 硬件部分

2.1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

Rma411是遠(yuǎn)端輸入采集模塊，適用于各類工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，可采集16路模擬量，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)，通過(guò)RS485接口，與上位機(jī)實(shí)時(shí)通訊。Rma411采用maX132CNGA/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行18位雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換。同時(shí)采用了光電隔離技術(shù)，使模塊的抗干擾能力進(jìn)一步加強(qiáng)。Rma411模塊有上下兩排接線端子，共2×24=48個(gè)點(diǎn)，每個(gè)輸入端子占用三個(gè)點(diǎn)，共可接16個(gè)傳感器。

2.1.2 數(shù)據(jù)輸出模塊

RM4024選用AT89C2051單片機(jī)和BB公司的DAC7625 D/A轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行12位數(shù)模轉(zhuǎn)換，可輸出0～5 V電壓信號(hào)，并通過(guò)RS485與上位機(jī)通訊。它同時(shí)采用了光電隔離技術(shù)，使供電電源和通訊與模擬輸出分開(kāi)，使模塊的抗干擾能力進(jìn)一步提高。RM4024遠(yuǎn)端模擬量輸出模塊適用于各類工業(yè)現(xiàn)場(chǎng),可輸出4路電壓信號(hào)，并通過(guò)RS485接口，與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。

2.1.3 溫度傳感器

傳感器的種類多種多樣，選用適合本采集模塊的pt100熱電阻式與外接變送器組合成的的分體式溫度傳感器。鉑熱電阻是一種精確度高，靈敏度高的傳感器，其線性溫度阻值優(yōu)于其他電阻式熱傳感器，性能穩(wěn)定，可靠性高。Pt100溫度傳感器采用三線制接線方式，這種連接方式達(dá)到了試驗(yàn)的要求。由于工作過(guò)程中傳感器探頭要與水接觸，所以接線處帶有防水封裝，通過(guò)pt100將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，再由變送器轉(zhuǎn)化為采集卡所需要的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

2.1.4 濕度傳感器

濕度傳感器采用的SC系列濕度傳感器，該傳感器比較適宜現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量環(huán)境的相對(duì)濕度。

2.1.5 硬件連接

將所有硬件設(shè)備按照相應(yīng)的技術(shù)要求進(jìn)行連接，原理圖如圖1所示。其中Rma411模塊采用24 V穩(wěn)壓電源供電。溫度傳感器PT100與變送器組合的方式與Rma411實(shí)現(xiàn)連接。RA411通過(guò)RS232/485轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)和計(jì)算機(jī)的連接，接線方法采用兩線制。上述連接構(gòu)建所有數(shù)據(jù)的采集通道。RM4024模塊也采用24 V穩(wěn)壓電源供電，它與Rma411共用1個(gè)電源?？刂葡到y(tǒng)的信號(hào)輸出，通過(guò)RS232/485轉(zhuǎn)換器與RM4024模塊連接，接線方法采用兩線制。輸出信號(hào)經(jīng)RM4024模塊編譯后，傳輸給開(kāi)關(guān)量輸出模塊，信號(hào)經(jīng)其放大后驅(qū)動(dòng)繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓電器的操作。

圖1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)Fig.1 Design of the total configuration on system

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 軟件選取

VI是美國(guó)國(guó)家儀器公司（National instruments crop，NI）于1986年推出的感念，是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，是計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試（CAT）領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)[9]。它突破了傳統(tǒng)儀器的感念，即軟件就是儀器，儀器就是軟件，虛擬儀器將現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、測(cè)試技術(shù)和高性能模塊化技術(shù)結(jié)合在一起的一種功能強(qiáng)大而又靈活的軟件儀器，與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器在智能化程度、處理能力、性能價(jià)格比、可操作性等方面都具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[10]。

目前流行的VI軟件開(kāi)發(fā)工具有兩類:文本式編程語(yǔ)言有C、C++、VB、Labvindows/CVI等；圖形化編程語(yǔ)言有LabVIEW、AgilentVEE等。其中LabVIEW最流行，是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件[11]。

LabVIEW的開(kāi)發(fā)環(huán)境分為三部分:前面板（Pane1）、框圖程序（Diagram program）和圖標(biāo)/連接端口（Icon/termina1）。前面板是圖形化用戶界面，用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量[12]。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中的溫度數(shù)據(jù)的采集和動(dòng)態(tài)顯示、分析、自動(dòng)控制，該自然冷資源保鮮庫(kù)自動(dòng)控制系統(tǒng)具有以下幾個(gè)主要功能:

①傳感器的校準(zhǔn)，保證采集數(shù)據(jù)的精度；②可同時(shí)對(duì)多個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行溫度測(cè)試，并實(shí)時(shí)顯示測(cè)試點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)及變化曲線；③為了試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的需要，自行設(shè)定數(shù)據(jù)采集周期，將采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；④試驗(yàn)過(guò)程中，完成對(duì)溫度等數(shù)據(jù)的自動(dòng)控制；⑤計(jì)有試驗(yàn)過(guò)程中采集數(shù)據(jù)防溢出程序。

2.2.2 程序和界面設(shè)計(jì)

保鮮庫(kù)環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)一般采用位式調(diào)節(jié)。它通常由溫度傳感器、溫度指示調(diào)節(jié)器和供液電磁閥等組成，使庫(kù)溫下降。當(dāng)庫(kù)溫升高到設(shè)定值時(shí)，在控制系統(tǒng)作用下，電磁閥自動(dòng)開(kāi)啟。向換熱器供液，使庫(kù)溫下降。當(dāng)庫(kù)溫降到設(shè)定下限值時(shí)，則切斷電磁閥的供電，使電磁閥關(guān)閉，停止向蒸發(fā)器供液。圖2所示為設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的程序界面。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、溫度和濕度自動(dòng)控制、自動(dòng)顯示。

圖2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的程序界面Fig.2 Block diagram of automatic control system

3 應(yīng)用與討論

結(jié)合本試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)的特點(diǎn)及要求，首先對(duì)數(shù)據(jù)采集函數(shù)進(jìn)行初始化，制定適當(dāng)?shù)牟杉l率、采集數(shù)據(jù)保存路徑、采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示以及動(dòng)態(tài)變化等試驗(yàn)方案，完成自然冷資源保鮮試驗(yàn)溫度采集系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的應(yīng)用。

利用上述自控系統(tǒng)對(duì)實(shí)際保鮮庫(kù)進(jìn)行溫、濕度自控試驗(yàn)。試驗(yàn)環(huán)境為2 m×2 m×2 m密閉空間，采用20 cm厚度的聚氨酯苯板作為維護(hù)結(jié)構(gòu)，環(huán)境初始溫度為20℃，目標(biāo)溫度為5℃，環(huán)境濕度65%，啟動(dòng)該自控系統(tǒng)，通過(guò)Rma411遠(yuǎn)端熱電阻采集模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫、濕度信號(hào)傳輸、處理、顯示和儲(chǔ)存，借助RM4024遠(yuǎn)端模擬量輸出模塊，達(dá)到了對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵的控制，5.5 min后環(huán)境溫度達(dá)到目標(biāo)值并穩(wěn)定在（5.0±0.5）℃。自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用試驗(yàn)取得預(yù)期效果。

通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用，表明自動(dòng)控制部分自動(dòng)化程度較高，能夠?qū)崟r(shí)觀察到保鮮室的溫度、濕度變化和數(shù)據(jù)顯示情況，能把環(huán)境參數(shù)的變化情況時(shí)時(shí)記錄和保存下來(lái)，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

上述研究表明利用自然冷資源保鮮技術(shù)具有適應(yīng)性強(qiáng)、節(jié)能、保濕性好等特點(diǎn)，符合果蔬貯藏保鮮技術(shù)發(fā)展方向。而基于虛擬儀器的濕冷保鮮庫(kù)溫、濕度自控系統(tǒng)因采用了最新測(cè)控技術(shù)，應(yīng)用前景廣闊，具有很大的發(fā)展空間，有待于深入研究。

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