甘薯智能貯藏系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

洪歌 徐踐 韓寶平 張娜

摘要? ? 本文從硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)2個方面對甘薯智能貯藏系統(tǒng)進行了詳細介紹，并通過試驗測試了智能貯藏庫對甘薯的貯藏效果。結(jié)果表明，在冷庫中貯藏4個月的甘薯依然保存良好，且冷庫貯藏溫度穩(wěn)定在12 ℃，濕度穩(wěn)定在80%～85%之間。

關(guān)鍵詞? ? 甘薯;智能貯藏系統(tǒng);溫濕度傳感器;通風(fēng)系統(tǒng)

中圖分類號? ? S531;S126? ? ? ? 文獻標識碼? ? A? ? ? ? 文章編號? ?1007-5739（2019）09-0256-02

當前農(nóng)業(yè)供給側(cè)改革的深入和人們對健康食品需求的增加，甘薯的種植面積和產(chǎn)量也在逐年增加。成熟收獲后的甘薯除了少量鮮食之外，大部分需要貯藏，甘薯貯藏是其產(chǎn)業(yè)增效的重要手段之一，經(jīng)濟效益會隨著甘薯貯藏時間的延長而大幅增加[1-3]。在甘薯貯藏期間一旦發(fā)生爛窖現(xiàn)象，就會給薯農(nóng)造成重大的損失[4]。隨著我國經(jīng)濟生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，自動化和智能化生產(chǎn)越來越普遍，智能化控制系統(tǒng)越來越受到研究者的高度重視。甘薯智能貯藏系統(tǒng)的建設(shè)能夠通過溫濕度傳感器等設(shè)備實時監(jiān)控甘薯貯藏過程中的溫度、濕度及二氧化碳濃度的變化情況，及時調(diào)控通風(fēng)設(shè)備來改變貯藏庫內(nèi)各類影響因素，以實現(xiàn)對甘薯進行更加有效的貯藏[5-8]。在對甘薯貯藏庫進行智能化建設(shè)的過程中，不僅解決了甘薯貯藏時間不長、容易引發(fā)各類病害的問題，同時也在一定程度上提高了甘薯種植戶的知識素養(yǎng)。農(nóng)戶通過接觸智能化裝置，對互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品進行操作，實現(xiàn)了與科技時代的接軌。因此，甘薯貯藏庫的智能化建設(shè)意義重大。本研究有助于實現(xiàn)甘薯貯藏庫管理的智能化，使農(nóng)民能夠通過互聯(lián)網(wǎng)及時管理薯庫，實時控制薯庫內(nèi)部的排風(fēng)系統(tǒng)，從而對甘薯貯藏進行降溫除濕，不再需要通過管理人員進入甘薯貯藏庫進行管理。

1? ? 甘薯智能貯藏系統(tǒng)總體設(shè)計

甘薯智能貯藏系統(tǒng)分為軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)2個部分。軟件系統(tǒng)為甘薯貯藏環(huán)境監(jiān)控平臺，通過該平臺用戶可以實時查看甘薯貯藏庫內(nèi)部的溫濕度及二氧化碳濃度數(shù)據(jù)，也可瀏覽各類數(shù)據(jù)的歷史記錄，用戶也可在監(jiān)控平臺對貯藏系統(tǒng)的硬件部分進行操控。硬件部分由保溫庫體、通風(fēng)換氣系統(tǒng)及溫濕度傳感器和二氧化碳傳感器等組成，采集到的數(shù)據(jù)通過3G通訊模塊進行傳輸，各類傳感器能夠及時有效地向用戶反應(yīng)甘薯在貯藏過程中所處的環(huán)境情況，之后可利用通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)甘薯貯藏過程中的溫濕度及二氧化碳濃度，從而使甘薯達到良好的貯藏效果。

2? ? 甘薯智能貯藏系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)

2.1? ? 智能貯藏庫保溫庫體

2.1.1? ? 結(jié)構(gòu)。主體結(jié)構(gòu)是一個3 150 mm×3 050 mm×2 800 mm（長×寬×高）的彩鋼房，如圖1（a）所示。地面結(jié)構(gòu)由0.5 mm×0.5 mm×0.2 mm鍍鋅方鋼焊接成，平面由竹膠板鋪平，組建成地面由下至上通風(fēng)系統(tǒng)，如圖1（b）所示。

2.1.2? ? 工作原理。外墻內(nèi)圍合形成儲物空間，儲物空間下側(cè)設(shè)置有地板，地板上鋪設(shè)儲物支架，地板上留有貫穿板面的地板通風(fēng)孔，下方設(shè)置通風(fēng)管道。通風(fēng)管道上開設(shè)有抽風(fēng)口，內(nèi)置有風(fēng)機，儲物空間頂部有循環(huán)管路出風(fēng)口，通風(fēng)管道與循環(huán)管路出風(fēng)口之間設(shè)置有循環(huán)管路。該方案中通過風(fēng)機對儲物空間內(nèi)的氣流進行自上而下的循環(huán)，氣流在堆放的農(nóng)產(chǎn)品之間的縫隙中流動，帶走農(nóng)產(chǎn)品中心處的熱量，并依次通過抽風(fēng)口、通風(fēng)管道、循環(huán)管路和循環(huán)管路出風(fēng)口，最后循環(huán)到儲物空間頂部。該庫體通過以上氣流循環(huán)使農(nóng)產(chǎn)品表面及內(nèi)部的溫度維持在一定的范圍內(nèi)。

2.2? ? 通風(fēng)換氣系統(tǒng)

本研究采用雙流向新風(fēng)換氣系統(tǒng)，確保庫內(nèi)氧含量，保證有害氣體濃度在警戒范圍以內(nèi)，同時能夠排除霉菌等有害病菌。每個薯庫都設(shè)置有1個進風(fēng)口和1個出風(fēng)口，出風(fēng)管道內(nèi)風(fēng)機為CDR2E-315型號的外轉(zhuǎn)子軸流風(fēng)機。通過通風(fēng)管路的進風(fēng)、排風(fēng)來控制冷空氣流動來達到制冷和通風(fēng)換氣效果，形成冷空氣在薯窖的內(nèi)循環(huán)，從而達到薯堆內(nèi)部的降溫、除濕效果。

2.3? ? 溫濕度傳感器及二氧化碳傳感器

本研究所選用的溫濕度傳感器為SHT11溫濕度傳感器，本傳感器采用CMOSensTM技術(shù)以確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和長期穩(wěn)定性。傳感器包括1個電容性聚合體濕度敏感元件和1個用能隙材料制成的溫度敏感元件，這2個敏感元件與1個14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及1個串行接口電路設(shè)計在同一個芯片上面。每個傳感器芯片都在極精確的恒溫室中進行標定，以鏡面冷凝式露點為參照。通過標定得到的校準系數(shù)以程序形式儲存在芯片本身的OTP內(nèi)存中。通過兩線制的串行接口與內(nèi)部的電壓調(diào)整，使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡單。此類傳感器具有響應(yīng)快、抗干擾能力強、體積小、功耗低等優(yōu)點。本研究所選用的二氧化碳傳感器為美國Telaire CO2傳感器，該類傳感器具有成本低、體積小、功耗低等優(yōu)點。

2.4? ? 制冷設(shè)備

本研究中貯藏庫采用空調(diào)制冷，當將空調(diào)溫度設(shè)定到最低溫度16 ℃時，空調(diào)口溫度一般在10 ℃左右，利用出風(fēng)管道內(nèi)的風(fēng)機將高處的冷空氣吸進管道，使冷空氣在薯堆內(nèi)部流動，并最終通過通風(fēng)系統(tǒng)的出風(fēng)口排出。

3? ? 甘薯智能貯藏系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

甘薯貯藏環(huán)境監(jiān)控平臺是甘薯智能貯藏系統(tǒng)的配套軟件平臺，甘薯智能貯藏庫實時觀察冷庫內(nèi)傳感器采集的各項數(shù)據(jù)指標實現(xiàn)精準適宜的甘薯貯藏，同時通過控制冷庫內(nèi)風(fēng)機的運行實現(xiàn)溫濕度上下層的均衡。而上傳到服務(wù)器的數(shù)據(jù)以及需要遠程控制風(fēng)機狀態(tài)的操作都需要通過甘薯貯藏環(huán)境監(jiān)控平臺來遠程實現(xiàn)。甘薯貯藏環(huán)境監(jiān)控平臺的主要功能是用戶登錄后可查看基地冷庫貯藏甘薯的基本信息以及冷庫內(nèi)的各種環(huán)境參數(shù)，同時可查看和遠程控制冷庫風(fēng)機運行狀態(tài)，功能模塊如圖2所示。

軟件平臺主界面如圖3所示。主界面顯示的是當前冷庫的基本信息，包括冷庫面積、貯藏品種、入庫時間、貯藏量、進出風(fēng)口的風(fēng)機狀態(tài)，同時還顯示了冷庫當前時間的環(huán)境參數(shù)，包括甘薯中心的溫濕度、冷庫內(nèi)空氣的溫濕度和二氧化碳濃度以及當前時間。如果用戶有控制權(quán)限，頁面會顯示風(fēng)機的運行狀態(tài)和操作部分。

數(shù)據(jù)展示界面如圖4所示。用戶可以通過點擊右上角時間選擇框選擇要查看的時間區(qū)間，點擊搜索數(shù)據(jù)即可將冷庫的給定條件范圍的數(shù)據(jù)檢索出來并分頁展示在下方的數(shù)據(jù)展示區(qū)。具體展示的數(shù)據(jù)參數(shù)包括時間戳、空氣溫度、空氣濕度、甘薯中心溫度、甘薯中心濕度、環(huán)境中的二氧化碳濃度等。

4? ? 甘薯貯藏試驗

通過試驗測試智能貯藏庫對甘薯的貯藏效果，采用制冷空調(diào)作為制冷裝置，將制冷溫度設(shè)定在16 ℃，持續(xù)給環(huán)境降溫。在冷庫內(nèi)放置24箱甘薯作為測試目標，每12箱作為1組，其他放置甘薯箱的地面空間使用農(nóng)膜覆蓋阻擋空氣流動，開啟風(fēng)機在底部抽風(fēng)，迫使空調(diào)吹出的冷風(fēng)流經(jīng)甘薯后再被吸到底部地板之下，加速空氣流動，為甘薯整體降溫。在冷庫外、冷庫內(nèi)、甘薯箱內(nèi)部以及循環(huán)管路出風(fēng)口放置溫度計，測量溫度、記錄數(shù)據(jù);冷庫內(nèi)還設(shè)置濕度測量儀器，測量冷庫內(nèi)濕度。記錄室外溫度、室內(nèi)溫度、甘薯內(nèi)部溫度、循環(huán)管路出風(fēng)口溫度、室內(nèi)濕度，數(shù)據(jù)每30 min采集1次，從8：00至20：00，連續(xù)測量1周。室內(nèi)溫度測量可以及時了解室內(nèi)溫度情況，及時與甘薯內(nèi)部做出對比，了解當前冷庫的制冷情況。循環(huán)管路出風(fēng)口溫度的測量可以和室內(nèi)溫度做出對比，驗證是否可以通過風(fēng)機的運轉(zhuǎn)造成室內(nèi)冷氣的流動，帶出甘薯中產(chǎn)生的熱量。

經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，在空調(diào)溫度恒定設(shè)置為16 ℃的情況下，冷庫的儲物空間溫度基本保持在14 ℃左右;房間溫度隨著外部溫度有所波動，最高不超過15 ℃，房間溫度的波動并沒有對甘薯內(nèi)部溫度造成很大的影響，因為甘薯內(nèi)部升溫慢降溫也慢，甘薯溫度總體可控;循環(huán)管路出風(fēng)口溫度始終要比室內(nèi)溫度高2 ℃左右，說明氣流將甘薯內(nèi)部熱量帶出。由于大氣壓強原因，空調(diào)所吹出的冷風(fēng)通過縫隙被補充到甘薯周圍，形成空氣流動為甘薯降溫，有效降低了甘薯表面及內(nèi)部的溫度。

以上一個試驗作為基礎(chǔ)，第2次將2 500 kg新鮮甘薯置于該冷庫中，觀察其貯藏過程中的溫濕度變化，以貯藏甘薯1周的試驗數(shù)據(jù)為例，冷庫甘薯貯藏溫濕度變化情況如表1所示。

由表1可知，智能冷庫的空氣溫度和甘薯中心溫度基本維持在14.5 ℃左右，2018年10月25日及2018年10月?26日空氣濕度以及甘薯中心點濕度偏高，開啟通風(fēng)系統(tǒng)，從后5 d的平均數(shù)據(jù)可以看出溫度正常，濕度明顯降低，由此可以說明甘薯智能貯藏冷庫通風(fēng)系統(tǒng)能夠達到除濕效果。目前經(jīng)過4個月的甘薯貯藏試驗發(fā)現(xiàn)，所貯藏的甘薯依然保存良好，貯藏溫度已經(jīng)穩(wěn)定在12 ℃，濕度穩(wěn)定在80%～85%之間。

5? ? 結(jié)語

目前該智能貯藏庫試驗在穩(wěn)步有序地進行，想要找到相對于甘薯貯藏最好的控制溫濕度條件的方法，就需要采集和整理到更多試驗數(shù)據(jù)，建立一套完整的試驗?zāi)Ｐ?，其中包括溫濕度之間存在的關(guān)系變量、溫濕度之間的整體變化趨勢及規(guī)律，確定通風(fēng)系統(tǒng)及加濕設(shè)備如何更加協(xié)調(diào)地工作，以便維持甘薯貯藏過程中的溫濕度。通過對智能冷庫的進一步完善，將試驗成果更好地應(yīng)用到各地的甘薯貯藏工作當中。

6? ? 參考文獻

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基金項目? ?糧經(jīng)作物產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系北京市創(chuàng)新團隊（BAIC09-2018）。

作者簡介? ?洪歌（1993-），男，河北唐山人，在讀碩士研究生。研究方向：農(nóng)業(yè)信息化。

*通信作者

收稿日期? ?2018-12-26