基于ARM的園林廢棄物微型發(fā)酵翻動機系統(tǒng)的設(shè)計

封培波，李祥英

（1.安丘市園林環(huán)衛(wèi)中心，山東 安丘 262100；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東 泰安 271018）

0 引言

在我國大部分城市，由于城市綠化面積不斷增加，導(dǎo)致園林綠化廢棄物數(shù)量巨大且逐年增長，城市園林生物垃圾的再利用問題已被高度重視，目前國內(nèi)上海、北京、廣東等發(fā)達地區(qū)，建立了園林綠化廢棄物處理場，主要采用人工收集、集中運輸、基地集中發(fā)酵處理、返還綠地等處理過程，但是作為公益性的項目，前期投入大，運行費用高，在貧困地區(qū)尤其是中小城市很難推廣。因此在公園及較大綠地的背側(cè)或者在不占用城市工業(yè)用地的前提下建造一個安全性高、易操作、且發(fā)酵后就地返還綠地、不用運輸?shù)奈⑿桶l(fā)酵翻動機系統(tǒng)十分必要。

目前市場上也存在一些基于PLC 的微型發(fā)酵翻滾機自動控制系統(tǒng)，但造價相對比較昂貴，不利于大規(guī)模普及[1-2]。相比于PLC 等其他控制系統(tǒng)，采用嵌入式ARM 芯片集成的控制系統(tǒng)具有高集成度、高穩(wěn)定性，且成本更為低廉，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制設(shè)備、通信設(shè)備等領(lǐng)域。本文基于ARM 芯片給出一種低成本、高效率、高精度的微型發(fā)酵翻動機電控系統(tǒng)來提高發(fā)酵設(shè)備自動化水平和精度，從而滿足城市園林發(fā)展的廢棄物再處理需求[3]。

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

發(fā)酵翻動機電控系統(tǒng)安裝在發(fā)酵池上，主要功能是實現(xiàn)發(fā)酵翻動機的現(xiàn)場控制，并將現(xiàn)場工作參數(shù)發(fā)送至遠程數(shù)據(jù)中心。上行數(shù)據(jù)流向為：開關(guān)量傳感器通過DI（數(shù)字輸入端口）或者模擬量傳感器通過AI（模擬輸入端口），把數(shù)據(jù)傳輸至發(fā)酵翻動機控制系統(tǒng)，發(fā)酵翻動機電控系統(tǒng)對傳感器數(shù)據(jù)進行分析、存儲和預(yù)處理，并將數(shù)據(jù)打包發(fā)送至遠程數(shù)據(jù)中心；下行數(shù)據(jù)流向為：本地按鍵控制信號傳輸至發(fā)酵翻動機控制系統(tǒng)，系統(tǒng)對控制信號進行解析，并通過DO（數(shù)字輸出端口）管腳輸出高低電平，對現(xiàn)場設(shè)備進行控制，或者遠程數(shù)據(jù)中心下發(fā)命令至發(fā)酵翻動機控制系統(tǒng)，系統(tǒng)對控制命令進行解析，并通過DO（數(shù)字輸出端口）管腳輸出高低電平，對現(xiàn)場設(shè)備進行控制，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

由于現(xiàn)場傳感器和控制設(shè)備類型較多，如模擬量輸出的溫度傳感器、濕度傳感器等；數(shù)字量輸出輸入的限位開關(guān)、電磁閥、電機等。為提高系統(tǒng)的擴展性，發(fā)酵翻動機電控系統(tǒng)針對現(xiàn)場采集和控制設(shè)備，提供多種多路模擬量采集接口和數(shù)字量I/O接口，其中數(shù)據(jù)信息采集接口分AI 和DI 2 種類型，通過有線方式采集傳感器數(shù)據(jù)。一般電機等開關(guān)設(shè)備通過DO 來實現(xiàn)，對有調(diào)速要求的電機則采用變頻器驅(qū)動，并通過串口連接變頻器，實現(xiàn)對電機的控制[4]。為了避免現(xiàn)場布線難等問題，發(fā)酵翻動機電控系統(tǒng)通過4G 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至遠程監(jiān)控中心。

1.2 工作原理

發(fā)酵翻動系統(tǒng)控制對象包含攪拌裝置、噴灑裝置、滑軌裝置。攪拌裝置的作用是使發(fā)酵菌種充分融合、園林廢棄物發(fā)酵過程中產(chǎn)生的熱量及時散出；噴灑裝置主要作用是控制噴頭進行噴灑，以調(diào)節(jié)發(fā)酵物的濕度、酸堿度及降溫；滑軌裝置是為攪拌裝置提供移動的動力和方向；最后在發(fā)酵池側(cè)壁上安裝溫度和濕度傳感器，可實時監(jiān)測工藝參數(shù)的變化[5]。

發(fā)酵翻動機電控系統(tǒng)有本地和遠程2 種方式工作[6-8]，可通過模式按鍵進行選擇，具體原理為：①本地方式。在任意時刻，管理人員都可以根據(jù)按鍵模塊來啟動或停止發(fā)酵翻動機系統(tǒng)進行工作。也可以為噴灑時間、攪拌時間、環(huán)境溫度、濕度等參數(shù)設(shè)置目標，讓發(fā)酵翻動機自動運行[9]；②遠程方式。在任意時刻，遠程數(shù)據(jù)中心可以通過命令遠程控制發(fā)酵翻動機的啟停，并通過遠程參數(shù)設(shè)置目標噴灑時間、攪拌時間、環(huán)境溫度、濕度讓發(fā)酵翻動機自動運行[9]，遠程操作期間，發(fā)酵翻動機會實時上報當前工作參數(shù)，當實際參數(shù)越界時，還會向遠程中心進行報警。上述2 種方式都支持現(xiàn)場急停操作。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

2.1 電控系統(tǒng)硬件

電控系統(tǒng)圍繞高可靠性、實時性和便捷性進行硬件設(shè)計，如圖2 所示，基于ARM 的發(fā)酵翻動機電控系統(tǒng)主要由處理器模塊、采集模塊、控制模塊、按鍵模塊、無線通信模塊、顯示模塊和能量供應(yīng)模塊7 部分組成[10]。

圖2 電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）處理器模塊采用意法半導(dǎo)體32 位Cotex-M4核芯片STM32F407ZE，該芯片有144 引腳，可以為系統(tǒng)提供至少100個控制點數(shù)；其次該芯片主頻為168 MHz，可以保證各種實時信號處理的時效性；此外多達15個通信接口也為系統(tǒng)連接數(shù)字外設(shè)和擴展提供了更多的選擇，如通過IIC 接口可以連接IIC 接口的數(shù)字傳感器。

2）采集模塊負責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，急停等DI 數(shù)字信號通過設(shè)置I/O 中斷狀態(tài)獲?。粶囟群蜐穸饶M信號則是通過STM32F407ZE 自帶的12 位ADC 進行采集和轉(zhuǎn)換。

3）控制模塊主要通過DO 輸出進行控制，控制對象分電磁閥和電機，DO 管腳與控制對象之間通過繼電器進行隔離；針對三相異步電機，系統(tǒng)通過串口連接變頻器進行轉(zhuǎn)速和方向的控制。

4）按鍵模塊，系統(tǒng)提供了模式選擇按鈕、數(shù)字鍵盤、啟停等按鈕方便工作人員進行現(xiàn)場操作。

5）無線通信模塊采用4G 通信模組進行數(shù)據(jù)傳輸，通過串口與處理器連接，最高傳輸速率可以達到100 Mbps，完全滿足系統(tǒng)需求。

6）顯示模塊采用觸摸屏模組，通過串口與處理器連接，觸摸屏可通過軟件進行編輯，界面信息主要包括數(shù)字鍵盤、單個模塊的啟停按鈕、運行參數(shù)顯示和錯誤信息顯示等。

7）能量供應(yīng)模塊采用220 V 轉(zhuǎn)24 V、220 V 轉(zhuǎn)12 V、220 V 轉(zhuǎn)5 V 的適配器，為系統(tǒng)各模塊提供穩(wěn)定電源。

2.2 電控系統(tǒng)軟件

電控系統(tǒng)軟件分3個層級，分別為應(yīng)用層、系統(tǒng)層和驅(qū)動層。

驅(qū)動層位于整個軟件的底層，分鍵盤驅(qū)動、串口驅(qū)動、ADC/DO 驅(qū)動、通信驅(qū)動和電機驅(qū)動5個部分，各部分實現(xiàn)內(nèi)容如下。

1）鍵盤驅(qū)動通過中斷方式獲取鍵盤的狀態(tài)。

2）串口驅(qū)動提供2 種驅(qū)動類型，分別連接觸摸屏和變頻器2 類設(shè)備，本系統(tǒng)中串口全被設(shè)置成中斷接收方式，分別按照2 款設(shè)備通信協(xié)議雙向解析數(shù)據(jù)。

3）電機驅(qū)動，根據(jù)控制邏輯通過DO 口控制電機進行動作，并通過DI 采集電機運行的限位開關(guān)的狀態(tài)，當限位生效時立即控制電機停止工作。

4）通信驅(qū)動，通過串口控制4G 模塊進行數(shù)據(jù)的收發(fā)，在此期間串口被設(shè)置成中斷模式。

5）ADC/DO/DI 驅(qū)動中，ADC 按1 s 定時循環(huán)采集溫濕度數(shù)據(jù)；DO 通過設(shè)置I/O 管腳輸出高低電平實現(xiàn)；DI 的管腳也被設(shè)置成中斷狀態(tài)，實時監(jiān)測連接到DI 管腳上限位開關(guān)的狀態(tài)變化。

系統(tǒng)層采用開源的FreeRTOS 操作系統(tǒng)，利用其實時、可靠、可搶占優(yōu)先級調(diào)度任務(wù)的特點，保證電控系統(tǒng)軟件的可靠性和時效性。

應(yīng)用層則包含人機交互、電控邏輯和中斷處理3個模塊：首先人機交互提供了3 種交互方式，分別為本地鍵盤、本地觸摸屏和遠程命令，本地鍵盤和本地觸摸屏是最主要的交互方式，提供了設(shè)備總啟停、單個設(shè)備啟停、模式切換、急停、數(shù)字鍵盤多種功能，工作人員可根據(jù)觸摸屏上的顯示參數(shù)直觀了解現(xiàn)場發(fā)酵翻動機運行情況，而遠程命令則是鍵盤和觸摸屏的有益補充，其可以實現(xiàn)除急停外的所有控制命令，適合無人值守的場景，便于工作人員管理；電控邏輯則是一系列工作參數(shù)，電控系統(tǒng)可根據(jù)這些工作參數(shù)啟停相應(yīng)設(shè)備，并在溫濕度越界時報警并及時停止設(shè)備運轉(zhuǎn)；中斷處理軟件中，及時記載了各種事件發(fā)生的標志，并將標志分發(fā)到具體任務(wù)進行處理，如急停、限位、遠程命令、按鍵等事件。電控系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 電控系統(tǒng)軟件架構(gòu)

2.3 系統(tǒng)安全

系統(tǒng)安全體現(xiàn)在軟硬件設(shè)計的各個方面，同時還兼顧了系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。

1）系統(tǒng)增加急停開關(guān)按鈕，急停開關(guān)物理與動力電纜連接，當急停按下時，動力電纜切斷，電機停止工作，確?，F(xiàn)場人員安全。

2）在軌道盡頭安裝限位開關(guān)，確保電機運動時不會脫離軌道范圍。

3）軟件設(shè)計時引入優(yōu)先級可搶占的實時操作系統(tǒng)FreeRTOS，確保限位開關(guān)、急停信號能及時獲取并處理。

4）鍵盤、觸摸屏和遠程命令的接口全部設(shè)置成中斷觸發(fā)方式，并給予高優(yōu)先級,確保人工交互的快捷性。

5）系統(tǒng)與遠程監(jiān)控中心通信中，接收到命令后都會發(fā)送ACK 進行確認。

6）電源部分增加漏電保護裝置，系統(tǒng)中弱電與強電接口采用電氣隔離。

3 驗證與性能分析

3.1 系統(tǒng)試驗

系統(tǒng)在山東省安丘市進行了調(diào)試試驗。發(fā)酵池選址在安丘市青云植物園，長度6 m，寬度5 m，內(nèi)置2個酵池，為了冬季保溫，向地下延伸 0.8 m，如圖4 所示。堆肥材料為安丘城區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的枯枝落葉及修剪留下的樹枝、草屑、枯葉等，枯葉粉碎后粒徑為0.5～2.0 cm，草屑長度為5～10 cm。菌劑是自制菌劑，堆積溫度控制在65 ℃以內(nèi)，濕度控制在50%，草木比例為2 ：1。歷經(jīng)半月時間，系統(tǒng)產(chǎn)出腐熟園林基質(zhì)30 m3，生產(chǎn)效率較人工模式有很大的提高。

圖4 現(xiàn)場照片

自2019 年12 月至2022 年5 月，系統(tǒng)已穩(wěn)定運行2 年半，期間出現(xiàn)過1 次因雜質(zhì)卡住鏈條的情況，在系統(tǒng)報警后，工作人員拆除鏈條進行了清洗和加油潤滑，除此之外，系統(tǒng)未出現(xiàn)過重大故障。

3.2 試驗數(shù)據(jù)分析

自2019 年12 月至2022 年5 月期間截取3 段原始數(shù)據(jù)，如表1 所示，數(shù)據(jù)實時記錄了不同溫濕度環(huán)境下系統(tǒng)的輸入水、輸入輔料、產(chǎn)出質(zhì)量的情況。以上數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析表明：①系統(tǒng)能穩(wěn)定工作，可靠性比較好，發(fā)酵效率一直保持在95%左右；②相對人工和半機械發(fā)酵，發(fā)酵效率有了顯著的提高。

表1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

1）設(shè)計的基于ARM 的園林發(fā)酵翻動機電控系統(tǒng)，降低了成本，使攪拌更為充分，減少了發(fā)酵時間，實現(xiàn)了現(xiàn)場自動發(fā)酵，并與移動終端相結(jié)合，具有較好的實用價值和應(yīng)用前景。

2）本研究設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型合理，軟硬件設(shè)計可行，降低了發(fā)酵成本，試驗表明，本系統(tǒng)裝置可以滿足城市園林發(fā)展的廢棄物處理的實際需求。