基于IJLC/OS—m的果蔬氣調(diào)運(yùn)輸車廂多任務(wù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

夏晶晶　王廣海　呂恩利　詹志勛

摘要：為提高果蔬等農(nóng)產(chǎn)品運(yùn)輸途中的保鮮水平，實(shí)現(xiàn)氣調(diào)運(yùn)輸車廂保鮮環(huán)境參數(shù)的精確調(diào)控，以STM32嵌入式系統(tǒng)為控制核心，設(shè)計(jì)了基于μC/OS-Ⅲ的果蔬氣調(diào)運(yùn)輸車廂多任務(wù)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、歷史數(shù)據(jù)存儲、環(huán)境參數(shù)調(diào)控、設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)控、人機(jī)交互、歷史數(shù)據(jù)上傳和系統(tǒng)調(diào)試等7個工作任務(wù)組成，分析了每個任務(wù)的工作流程和各任務(wù)問的信息交換過程，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，控制系統(tǒng)性能優(yōu)越。檢測結(jié)果表明：目標(biāo)環(huán)境調(diào)節(jié)時(shí)間為128.2 min，控制系統(tǒng)氧氣濃度響應(yīng)時(shí)間差為0.9 min，溫度響應(yīng)時(shí)間差為7.8 min，相對濕度響應(yīng)時(shí)間差為4.4 min，證明該系統(tǒng)能精確控制車廂內(nèi)保鮮環(huán)境參數(shù)。

關(guān)鍵詞：氣調(diào)運(yùn)輸；IxC/OS-Ⅲ；多任務(wù)；控制系統(tǒng)

中圖分類號：S229 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1002—1302（2016）01—0414—04

氣調(diào)保鮮控制技術(shù)是一種可以綜合調(diào)節(jié)環(huán)境溫度、相對濕度和氣體成分的貯藏保鮮調(diào)控方法。國內(nèi)外學(xué)者在氣調(diào)保鮮控制技術(shù)方面進(jìn)行了深入的研究，主要集中在硬件平臺、環(huán)境參數(shù)特性和集中式控制系統(tǒng)等方面，針對氣調(diào)控制系統(tǒng)軟件和操作系統(tǒng)等內(nèi)容的研究還比較少。氣調(diào)保鮮運(yùn)輸技術(shù)的發(fā)展日益成熟，氣調(diào)裝備的設(shè)計(jì)與應(yīng)用也越漸深入，而氣調(diào)系統(tǒng)的控制較為粗放，急需設(shè)計(jì)一種穩(wěn)定、實(shí)時(shí)處理的控制系統(tǒng)。μC/OS-Ⅲ是一個具有可升級、可固化和基于優(yōu)先級等特點(diǎn)的實(shí)時(shí)內(nèi)核，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。本研究基于液氮充注氣調(diào)保鮮運(yùn)輸裝備相關(guān)技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于μC/OS-Ⅲ的果蔬氣調(diào)運(yùn)輸車廂多任務(wù)控制系統(tǒng)，并對系統(tǒng)任務(wù)的工作流程進(jìn)行分析，為氣調(diào)保鮮運(yùn)輸控制系統(tǒng)的研究提供參考。

1果蔬氣調(diào)運(yùn)輸車廂主要結(jié)構(gòu)

果蔬氣調(diào)運(yùn)輸車廂由氣調(diào)、制冷、加濕、通風(fēng)和控制等系統(tǒng)組成，主要結(jié)構(gòu)框如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)為嵌入式系統(tǒng)，通過監(jiān)測廂體內(nèi)當(dāng)前的保鮮環(huán)境參數(shù)（溫度、濕度、氧氣和二氧化碳體積分?jǐn)?shù)），對比設(shè)定值進(jìn)行運(yùn)算分析，決策氣調(diào)、制冷、加濕和通風(fēng)等系統(tǒng)的工作狀態(tài)。氣調(diào)系統(tǒng)由自增壓液氮罐、超低溫電磁閥、汽化器、進(jìn)氣和排氣電磁閥組成，超低溫電磁閥通電使液氮由自增壓液氮罐以恒定壓力流經(jīng)汽化盤管轉(zhuǎn)變成氮?dú)鈬娙霂w，開啟排氣電磁閥實(shí)現(xiàn)氣體交換，降低廂體內(nèi)的氧氣體積分?jǐn)?shù)；同時(shí)開啟進(jìn)氣和排氣電磁閥，在循環(huán)壓差的作用下，實(shí)現(xiàn)廂體內(nèi)、外氣體的交換，提高氧氣體積分?jǐn)?shù)。制冷系統(tǒng)選用機(jī)械制冷機(jī)組，可實(shí)現(xiàn)制冷和融霜功能。加濕系統(tǒng)選用超聲波加濕方式，超聲波霧化頭通電后通過高頻振蕩將水霧化成細(xì)小液滴，提高廂體內(nèi)相對濕度。通風(fēng)系統(tǒng)選用直流風(fēng)機(jī)，通電后為廂體提供壓差，使氣流在廂體內(nèi)循環(huán)流動。

2基于μC/OS-Ⅲ的果蔬氣調(diào)運(yùn)輸車廂多任務(wù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以應(yīng)用為主要目的，控制嵌入式系統(tǒng)資源的調(diào)度、分配和協(xié)調(diào)并發(fā)活動，能極大地提高控制系統(tǒng)的綜合性能，具有如下優(yōu)勢：（1）應(yīng)用程序分解成多任務(wù)模塊，提高系統(tǒng)的開發(fā)效率；（2）多任務(wù)獨(dú)立運(yùn)行，提高系統(tǒng)的可靠性；（3）多任務(wù)協(xié)調(diào)并發(fā)執(zhí)行，提高系統(tǒng)硬件資源的利用效率。μC/OS-Ⅲ是一個搶占的多任務(wù)內(nèi)核，支持優(yōu)先級相同的任務(wù)輪詢調(diào)度，可以移植到不同類型的CPU架構(gòu)，并與應(yīng)用程序代碼一起固化到只讀存儲器ROM中。μC/OS-Ⅲ提供了實(shí)時(shí)內(nèi)核的資源管理、同步和內(nèi)部任務(wù)交流等功能，響應(yīng)快速的中斷源，管理的任務(wù)個數(shù)不受限制，任務(wù)、堆棧、信號量、事件標(biāo)志組、消息隊(duì)列、消息數(shù)量、互斥信號量、內(nèi)存分區(qū)和定時(shí)器等內(nèi)核對象，可由用戶適時(shí)分配，優(yōu)化資源配置。

2.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于μC/OS-Ⅲ的果蔬氣調(diào)運(yùn)輸車廂多任務(wù)控制系統(tǒng)軟件構(gòu)架如圖2所示。利用Micrium移植代碼將μC/OS-Ⅲ實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)移植到以STM32為控制核心的控制板上，借助操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅲ提供的驅(qū)動接口和內(nèi)部資源，完成外設(shè)驅(qū)動接口代碼，并根據(jù)控制系統(tǒng)的目標(biāo)，生成應(yīng)用層代碼，用以決策系統(tǒng)中各設(shè)備的分工及控制要求。

為使應(yīng)用層代碼的結(jié)構(gòu)清晰、任務(wù)功能明確和便于實(shí)現(xiàn)，將其分成7個工作任務(wù)，分別是：（1）數(shù)據(jù)采集任務(wù)；（2）歷史數(shù)據(jù)存儲任務(wù)；（3）環(huán)境參數(shù)調(diào)控任務(wù)；（4）設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)控任務(wù)；（5）人機(jī)交互任務(wù)；（6）歷史數(shù)據(jù)上傳任務(wù)；（7）系統(tǒng)調(diào)試任務(wù)。每個任務(wù)在連續(xù)自循環(huán)中，與其他任務(wù)交互信息，分別實(shí)現(xiàn)各自的工作目標(biāo)。各任務(wù)問的信息交換過程如圖3所示。

2.2系統(tǒng)任務(wù)工作流程設(shè)計(jì)

2.2.1數(shù)據(jù)采集任務(wù) 該任務(wù)主要負(fù)責(zé)采集廂體內(nèi)保鮮環(huán)境和設(shè)備工作狀態(tài)參數(shù)，并將其放入預(yù)設(shè)的全局變量中，以供其他任務(wù)查詢，具體工作流程如圖4所示。數(shù)據(jù)采集任務(wù)接收傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，對該數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，篩除因干擾等因素造成偏離真實(shí)值的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值濾波，獲取有效數(shù)據(jù)存入全局變量中。

2.2.2歷史數(shù)據(jù)存儲任務(wù) 該任務(wù)主要負(fù)責(zé)將系統(tǒng)的工作信息存儲到外部FLASH中，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析、對比和處理，具體工作流程如圖5所示。歷史數(shù)據(jù)存儲任務(wù)通過記錄數(shù)據(jù)存儲周期和系統(tǒng)時(shí)間，定期并自動存儲歷史數(shù)據(jù)，便于操作人員通過選擇時(shí)間區(qū)間調(diào)取所需數(shù)據(jù)。

2.2.3環(huán)境參數(shù)調(diào)控任務(wù) 該任務(wù)主要負(fù)責(zé)將廂體內(nèi)當(dāng)前的保鮮環(huán)境參數(shù)（溫度、濕度、氧氣和二氧化碳體積分?jǐn)?shù)）調(diào)控至預(yù)設(shè)的目標(biāo)保鮮環(huán)境參數(shù)，具體工作流程如圖6所示。環(huán)境參數(shù)調(diào)控任務(wù)通過獲取數(shù)據(jù)采集任務(wù)的當(dāng)前廂體內(nèi)保鮮環(huán)境參數(shù)和人機(jī)交互任務(wù)設(shè)定的目標(biāo)保鮮環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算與分析，決策氣調(diào)、制冷、加濕和通風(fēng)等系統(tǒng)的工作狀態(tài)，采用雙限值控制策略，使廂體內(nèi)目標(biāo)環(huán)境參數(shù)維持在設(shè)定值范圍內(nèi)。

2.2.4設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)控任務(wù) 該任務(wù)主要負(fù)責(zé)電器設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)測與預(yù)警，實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)在線故障診斷功能，具體工作流程如圖7所示。為準(zhǔn)確診斷電器設(shè)備的工作狀態(tài)，通過試驗(yàn)確定傳感器的合理范圍和執(zhí)行器在不同的工作負(fù)荷下的電流大小，繪制電器設(shè)備工作參數(shù)表，預(yù)先存儲到系統(tǒng)中。設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)控任務(wù)通過獲取電器設(shè)備工作參數(shù)表中的數(shù)據(jù)，與當(dāng)前系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的傳感器和執(zhí)行器信息進(jìn)行對比，分析電氣系統(tǒng)中各執(zhí)行器的工作電流是否符合當(dāng)前工作狀態(tài)，傳感器采集數(shù)據(jù)是否都在合理范圍內(nèi)。如不在合理范圍，則進(jìn)行聲光報(bào)警，采取相應(yīng)限制措施，并及時(shí)通知人機(jī)交互任務(wù)，通過觸摸屏清晰、直觀地顯示故障部件及故障代碼。

2.2.5人機(jī)交互任務(wù) 該任務(wù)主要負(fù)責(zé)顯示系統(tǒng)的工作信息和接受相關(guān)的控制信息，實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的交互，具體工作流程如圖8所示。人機(jī)交互任務(wù)通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)顯示信息、控制指令和系統(tǒng)時(shí)間等內(nèi)容的實(shí)時(shí)更新，觸摸屏與控制核心STM32采用RS232串口通信協(xié)議。

2.2.6歷史數(shù)據(jù)上傳任務(wù) 該任務(wù)主要負(fù)責(zé)通過串口通訊將存儲在外部FLASH中的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，具體工作流程如圖9所示。歷史數(shù)據(jù)上傳任務(wù)根據(jù)操作人員選取的數(shù)據(jù)記錄起始和結(jié)束時(shí)間，將該時(shí)間區(qū)間內(nèi)的所有數(shù)據(jù)讀出到內(nèi)存中，通過UART通訊接口上傳至上位機(jī)。

2.2.7系統(tǒng)調(diào)試任務(wù) 果蔬氣調(diào)運(yùn)輸控制系統(tǒng)是1個多任務(wù)同時(shí)運(yùn)行的多輸入、多輸出系統(tǒng)，各任務(wù)之間相互通訊和耦合，為防止任務(wù)沖突，系統(tǒng)外部和內(nèi)部資源的使用也必須同步。復(fù)雜的控制邏輯需要系統(tǒng)具備良好地穩(wěn)定性、魯棒性和可靠性，為使系統(tǒng)能更好地運(yùn)行且便于調(diào)試，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)調(diào)試任務(wù)，主要負(fù)責(zé)監(jiān)測系統(tǒng)中其他6個任務(wù)的運(yùn)行情況，并根據(jù)其運(yùn)行狀態(tài)，采取相應(yīng)的策略保證系統(tǒng)良好的運(yùn)行，同時(shí)能接受和輸出相關(guān)的調(diào)試信息，提高系統(tǒng)運(yùn)行性能，具體工作流程如圖10所示。

3結(jié)論

以氣調(diào)保鮮運(yùn)輸車廂為試驗(yàn)平臺，STM32嵌入式系統(tǒng)為控制核心，引入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于μC/OS-Ⅲ的果蔬氣調(diào)運(yùn)輸車廂多任務(wù)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、歷史數(shù)據(jù)存儲、環(huán)境參數(shù)調(diào)控、設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)控、人機(jī)交互、歷史數(shù)據(jù)上傳和系統(tǒng)調(diào)試等7個工作任務(wù)，各任務(wù)間相互通訊和耦合控制。2012年9月，廣東省農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定站對本裝備進(jìn)行性能檢測，檢測結(jié)果表明：目標(biāo)環(huán)境調(diào)節(jié)時(shí)間為128.2 min，氧氣濃度信號采集偏差為0.3%，溫度信號采集偏差為0.4%，相對濕度信號采集偏差為-5.9%，控制系統(tǒng)氧氣濃度響應(yīng)時(shí)間差為0.9 min，溫度響應(yīng)時(shí)間差為7.8 min，相對濕度響應(yīng)時(shí)間差為4.4 min，系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，性能優(yōu)越。2013年2月，廣東省科學(xué)技術(shù)廳對本裝備進(jìn)行科學(xué)技術(shù)成果鑒定，鑒定果蔬氣調(diào)保鮮運(yùn)輸關(guān)鍵技術(shù)與裝備整體達(dá)到國際先進(jìn)水平，其中氣調(diào)保鮮環(huán)境綜合調(diào)控系統(tǒng)居國際領(lǐng)先水平。