淺談基于物聯(lián)網(wǎng)的太陽能熱電聯(lián)供果蔬干燥系統(tǒng)設(shè)計

王玉巍，竟靜靜，賓大山，劉朝蓬

（1.新疆工程學(xué)院；2.大唐新疆清潔能源有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

可再生能源的利用是實現(xiàn)我國“21世紀可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略”的重要措施之一，太陽能的發(fā)展和應(yīng)用在改善能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全、推進生態(tài)文明建設(shè)方面有重要意義。新疆地區(qū)有豐富的太陽能資源，用太陽能干燥果蔬有品質(zhì)高、效率高、清潔環(huán)保的優(yōu)點。新鮮果蔬容易發(fā)霉不易保存，采用自然晾曬加工過程較長，果蔬在晾曬期間容易霉變，且存在質(zhì)量不可控、蟲蟻污染等問題，機械化烘干主要以燃煤、燃油和用電實現(xiàn)，存在高能耗的問題。劉巍等人在對比了農(nóng)產(chǎn)品自然干燥、熱風(fēng)微波干燥、太陽能干燥等技術(shù)與應(yīng)用，分析了各種干燥技術(shù)的優(yōu)缺點，傳統(tǒng)晾曬效率低衛(wèi)生差，太陽能熱泵組合干燥設(shè)備制作復(fù)雜且成本高，太陽能集熱箱式干燥房夜晚無法繼續(xù)高效工作。李建軍等人采用太陽能集熱裝置和送風(fēng)機構(gòu)對葡萄進行干燥處理，效果符合葡萄干品質(zhì)要求。有效縮短干燥產(chǎn)品的加工周期，但該裝置只在白天陽光充足時效率較高，陰天和夜間無法進行工作。王尚銀等人采用藍鈦集熱板設(shè)計枸杞干燥機，采用燃氣熱風(fēng)爐在晚上和陰雨天供熱，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候干燥作業(yè)，但是需鋪設(shè)燃氣管路，干燥過程產(chǎn)生燃燒廢氣、增加碳排放、環(huán)保性較差。因此，設(shè)計一套能夠24小時不間斷工作的太陽能熱電聯(lián)供果蔬干燥系統(tǒng)很有必要，本系統(tǒng)采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)于一體，設(shè)計能源供應(yīng)、干燥、測控、人機交互等單元。采用太陽能集熱裝置吸收熱能，通過換熱器加熱空氣，將熱空氣由風(fēng)機吹入晾干塔中，沖擊果蔬表面，實現(xiàn)快速干燥。搭建光伏發(fā)電單元為系統(tǒng)提供電能，安裝儲熱和蓄電裝置，用于夜間或陰雨天持續(xù)工作。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

本系統(tǒng)通過分析現(xiàn)有果蔬干燥方法和裝備，設(shè)計主要有以下四個部分組成：晾干塔、熱循環(huán)單元、光伏發(fā)電單元和物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控單元。晾干塔采用塔式結(jié)構(gòu)，晾干塔內(nèi)部產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的氣流可最大限度利用熱風(fēng)且果蔬干燥均勻。熱循環(huán)單元包括太陽能集熱、儲熱和換熱部分。光伏發(fā)電單元包括光伏陣列、蓄電池和保護控制部分，為系統(tǒng)提供電能。物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控單元包括上位機監(jiān)控系統(tǒng)、下位機監(jiān)控系統(tǒng)、風(fēng)扇及水泵的驅(qū)動電路等部分。能夠?qū)崿F(xiàn)干燥流程實時監(jiān)控、上位機或手機無線控制溫度和風(fēng)量，在線檢測果蔬狀態(tài)，既提高果蔬制干效率，又改善果蔬干口感，干燥更加高效環(huán)保。

2 果蔬干燥裝置的硬件設(shè)計

2.1 晾干塔

晾干塔的外形設(shè)計為圓塔形，內(nèi)部有換熱器、導(dǎo)流板風(fēng)扇。換熱器中有熱水流過，換熱器下方安裝的調(diào)速風(fēng)扇開始旋轉(zhuǎn)，在風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動下，帶來空氣的快速流動，換熱器與空氣進行熱交換加熱空氣形成熱氣流，在晾干塔內(nèi)部安有導(dǎo)流板，使熱氣流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，使氣流與果蔬有更大的接觸面積。換熱性能是圓形晾干塔重要性能之一，在安裝圓形晾干塔時，應(yīng)安裝在通風(fēng)比較好的地方。

2.2 熱循環(huán)單元

熱循環(huán)單元由真空集熱管、蓄熱水箱、調(diào)速水泵和換熱器等部分構(gòu)成。系統(tǒng)選用水作為循環(huán)工質(zhì)，太陽能集熱管并列排布，在太陽能集熱管和換熱器之間串聯(lián)一個調(diào)速水泵，控制熱水循環(huán)速度，調(diào)速水泵與驅(qū)動電路相連，由單片機進行速度控制。太陽能集熱器出口串聯(lián)一個蓄熱水箱，蓄熱水箱主要提供夜間的供熱，蓄熱水箱的容量和保溫性能直接影響夜間供熱的時間，間接影響干燥速率。

2.3 光伏發(fā)電單元

光伏單元包括光伏陣列、DC-DC轉(zhuǎn)換器、蓄電池、保護控制部分、控制單元供電部分、水泵和風(fēng)扇供電部分。白天通過太陽能電池板進行發(fā)電，把多余的電能儲存在蓄電池中，晚上用蓄電池中的電為整個系統(tǒng)提供電能。保護控制部分主要防止蓄電池過充、過放。

2.4 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控單元

物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控單元下位機采用單片機作為CPU，通過傳感器檢測關(guān)鍵參數(shù)，采用ZigBee模塊上傳至上位機，移動終端通過訪問上位機數(shù)據(jù)庫接收相應(yīng)數(shù)據(jù)。采用溫度傳感器對太陽能集熱管的進出口溫度、換熱器的進出口溫度、晾干塔內(nèi)進出口溫度、晾干塔內(nèi)部和出口濕度進行采集。下位機采用PWM調(diào)速技術(shù)，控制水泵、風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)熱水流量和空氣流量，實現(xiàn)溫度控制，達到晾干塔內(nèi)溫度恒定。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 下位機程序設(shè)計

下位機設(shè)計采用keil5進行編程，包括光伏發(fā)電程序、雙路溫度測量程序、顯示程序、PWM輸出程序、自動控溫程序。光伏發(fā)電單元采用A/D轉(zhuǎn)換芯片采集蓄電池電壓并傳輸給單片機，在單片機中將數(shù)據(jù)與設(shè)定值進行比較，對繼電器實現(xiàn)控制。單片機間接的實現(xiàn)了對蓄電池充電的自動控制。熱循環(huán)和晾干塔內(nèi)溫度控制部分的程序是通過單片機調(diào)節(jié)PWM輸出的占空比實現(xiàn)的。單片機采樣當(dāng)前溫度傳感器檢測到的晾干塔內(nèi)溫度值，通過與設(shè)定的溫度閾值進行對比，判斷是否進行熱水流量和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制。如設(shè)定晾干塔內(nèi)溫度恒定在40℃，將檢測到的溫度與40℃進行自動比對，根據(jù)比對的結(jié)果，進行相應(yīng)的操作。利用控制水泵、電機的轉(zhuǎn)速，從而控制了晾干塔內(nèi)的溫度。當(dāng)PWM輸出到達最大或者最小時，通過蜂鳴器向外界發(fā)出報警。單片機將系統(tǒng)各采樣點溫度、濕度、狀態(tài)信息等通過ZigBee模塊傳輸?shù)缴衔粰C，在上位機進行數(shù)據(jù)存儲和顯示。

3.2 上位機程序設(shè)計

上位機主要使用Microsoft Visual Studio軟件，C#語言編程，采用ZigBee組件搭建無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，采集下位機上傳的數(shù)據(jù)，對晾干塔內(nèi)的溫濕度以及熱循環(huán)系統(tǒng)的各項參數(shù)進行采集、存儲和分析，此外，還可以通過上位機實現(xiàn)對風(fēng)扇和水泵的遠程控制，當(dāng)系統(tǒng)檢測到物料濕度符合要求后通過彈出窗口提醒物料出倉，此外，還可以通過手機APP實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的監(jiān)控。

4 系統(tǒng)運行試驗

系統(tǒng)模型搭建完成后通過調(diào)試運行，能夠?qū)崿F(xiàn)晾干塔內(nèi)溫濕度的測量和上傳，水泵和風(fēng)扇能夠調(diào)節(jié)水流量和空氣流量，進而調(diào)節(jié)烘干房內(nèi)溫度。根據(jù)夏秋季節(jié)新疆哈密地區(qū)氣象條件計算，可使系統(tǒng)做到全天溫度變化時，烘干室內(nèi)溫度保持不變。采用葡萄作為加工物料進行干燥加工，基本達到設(shè)計目標(biāo)。通過設(shè)置溫度閾值與風(fēng)速閾值等參數(shù)實現(xiàn)了不同果蔬物料含水量不同時所需的最適干燥環(huán)境控制。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)在應(yīng)用過程中采用儲熱和蓄電裝置，解決了現(xiàn)有太陽能干燥技術(shù)存在的對氣象依賴性高、可控性差的問題，具有靈活、可控、高效的優(yōu)勢。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能手機軟件應(yīng)用進行集成，形成了一套著力于解決干燥系統(tǒng)溫度采集、數(shù)據(jù)遠傳、信息報警和遠程監(jiān)控的系統(tǒng)應(yīng)用平臺。本作品為農(nóng)作物加工提供了方便，減少了農(nóng)作物采摘后在運輸過程中的損耗。采用太陽能供能，晾干過程清潔無污染，與工業(yè)干燥相比節(jié)省電能和煤耗，大幅提升了農(nóng)產(chǎn)品干燥效率同時降低了經(jīng)濟成本。且結(jié)構(gòu)簡單安裝方便，解決了偏遠農(nóng)田供電問題，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合自動控制技術(shù)，減少人力成本，干燥周期縮短，能夠提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和口感。適用于農(nóng)場安裝使用，也可用于工業(yè)生產(chǎn)，提升經(jīng)濟效益。