基于IJLC/OS—m的果蔬氣調運輸車廂多任務控制系統設計

夏晶晶　王廣海　呂恩利　詹志勛

摘要：為提高果蔬等農產品運輸途中的保鮮水平，實現氣調運輸車廂保鮮環境參數的精確調控，以STM32嵌入式系統為控制核心，設計了基于μC/OS-Ⅲ的果蔬氣調運輸車廂多任務控制系統，系統由數據采集、歷史數據存儲、環境參數調控、設備工作狀態監控、人機交互、歷史數據上傳和系統調試等7個工作任務組成，分析了每個任務的工作流程和各任務問的信息交換過程，經試驗驗證，控制系統性能優越。檢測結果表明：目標環境調節時間為128.2 min，控制系統氧氣濃度響應時間差為0.9 min，溫度響應時間差為7.8 min，相對濕度響應時間差為4.4 min，證明該系統能精確控制車廂內保鮮環境參數。

關鍵詞：氣調運輸；IxC/OS-Ⅲ；多任務；控制系統

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

氣調保鮮控制技術是一種可以綜合調節環境溫度、相對濕度和氣體成分的貯藏保鮮調控方法。國內外學者在氣調保鮮控制技術方面進行了深入的研究，主要集中在硬件平臺、環境參數特性和集中式控制系統等方面，針對氣調控制系統軟件和操作系統等內容的研究還比較少。氣調保鮮運輸技術的發展日益成熟，氣調裝備的設計與應用也越漸深入，而氣調系統的控制較為粗放，急需設計一種穩定、實時處理的控制系統。μC/OS-Ⅲ是一個具有可升級、可固化和基于優先級等特點的實時內核，已廣泛應用于工業控制領域。本研究基于液氮充注氣調保鮮運輸裝備相關技術，設計了基于μC/OS-Ⅲ的果蔬氣調運輸車廂多任務控制系統，并對系統任務的工作流程進行分析，為氣調保鮮運輸控制系統的研究提供參考。

1果蔬氣調運輸車廂主要結構

果蔬氣調運輸車廂由氣調、制冷、加濕、通風和控制等系統組成，主要結構框如圖1所示。控制系統為嵌入式系統，通過監測廂體內當前的保鮮環境參數（溫度、濕度、氧氣和二氧化碳體積分數），對比設定值進行運算分析，決策氣調、制冷、加濕和通風等系統的工作狀態。氣調系統由自增壓液氮罐、超低溫電磁閥、汽化器、進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汽化盤管轉變成氮氣噴入廂體，開啟排氣電磁閥實現氣體交換，降低廂體內的氧氣體積分數；同時開啟進氣和排氣電磁閥，在循環壓差的作用下，實現廂體內、外氣體的交換，提高氧氣體積分數。制冷系統選用機械制冷機組，可實現制冷和融霜功能。加濕系統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小液滴，提高廂體內相對濕度。通風系統選用直流風機，通電后為廂體提供壓差，使氣流在廂體內循環流動。

2基于μC/OS-Ⅲ的果蔬氣調運輸車廂多任務控制系統設計

嵌入式實時操作系統以應用為主要目的，控制嵌入式系統資源的調度、分配和協調并發活動，能極大地提高控制系統的綜合性能，具有如下優勢：（1）應用程序分解成多任務模塊，提高系統的開發效率；（2）多任務獨立運行，提高系統的可靠性；（3）多任務協調并發執行，提高系統硬件資源的利用效率。μC/OS-Ⅲ是一個搶占的多任務內核，支持優先級相同的任務輪詢調度，可以移植到不同類型的CPU架構，并與應用程序代碼一起固化到只讀存儲器ROM中。μC/OS-Ⅲ提供了實時內核的資源管理、同步和內部任務交流等功能，響應快速的中斷源，管理的任務個數不受限制，任務、堆棧、信號量、事件標志組、消息隊列、消息數量、互斥信號量、內存分區和定時器等內核對象，可由用戶適時分配，優化資源配置。

2.1系統整體結構設計

基于μC/OS-Ⅲ的果蔬氣調運輸車廂多任務控制系統軟件構架如圖2所示。利用Micrium移植代碼將μC/OS-Ⅲ實時操作系統移植到以STM32為控制核心的控制板上，借助操作系統μC/OS-Ⅲ提供的驅動接口和內部資源，完成外設驅動接口代碼，并根據控制系統的目標，生成應用層代碼，用以決策系統中各設備的分工及控制要求。

為使應用層代碼的結構清晰、任務功能明確和便于實現，將其分成7個工作任務，分別是：（1）數據采集任務；（2）歷史數據存儲任務；（3）環境參數調控任務；（4）設備工作狀態監控任務；（5）人機交互任務；（6）歷史數據上傳任務；（7）系統調試任務。每個任務在連續自循環中，與其他任務交互信息，分別實現各自的工作目標。各任務問的信息交換過程如圖3所示。

2.2系統任務工作流程設計

2.2.1數據采集任務 該任務主要負責采集廂體內保鮮環境和設備工作狀態參數，并將其放入預設的全局變量中，以供其他任務查詢，具體工作流程如圖4所示。數據采集任務接收傳感器發送的數據，對該數據進行篩選，篩除因干擾等因素造成偏離真實值的數據，并對數據進行平均值濾波，獲取有效數據存入全局變量中。

2.2.2歷史數據存儲任務 該任務主要負責將系統的工作信息存儲到外部FLASH中，便于后續的數據分析、對比和處理，具體工作流程如圖5所示。歷史數據存儲任務通過記錄數據存儲周期和系統時間，定期并自動存儲歷史數據，便于操作人員通過選擇時間區間調取所需數據。

2.2.3環境參數調控任務 該任務主要負責將廂體內當前的保鮮環境參數（溫度、濕度、氧氣和二氧化碳體積分數）調控至預設的目標保鮮環境參數，具體工作流程如圖6所示。環境參數調控任務通過獲取數據采集任務的當前廂體內保鮮環境參數和人機交互任務設定的目標保鮮環境參數等數據，進行數據運算與分析，決策氣調、制冷、加濕和通風等系統的工作狀態，采用雙限值控制策略，使廂體內目標環境參數維持在設定值范圍內。

2.2.4設備工作狀態監控任務 該任務主要負責電器設備工作狀態的監測與預警，實現電氣系統在線故障診斷功能，具體工作流程如圖7所示。為準確診斷電器設備的工作狀態，通過試驗確定傳感器的合理范圍和執行器在不同的工作負荷下的電流大小，繪制電器設備工作參數表，預先存儲到系統中。設備工作狀態監控任務通過獲取電器設備工作參數表中的數據，與當前系統實時采集的傳感器和執行器信息進行對比，分析電氣系統中各執行器的工作電流是否符合當前工作狀態，傳感器采集數據是否都在合理范圍內。如不在合理范圍，則進行聲光報警，采取相應限制措施，并及時通知人機交互任務，通過觸摸屏清晰、直觀地顯示故障部件及故障代碼。

2.2.5人機交互任務 該任務主要負責顯示系統的工作信息和接受相關的控制信息，實現人機之間的交互，具體工作流程如圖8所示。人機交互任務通過觸摸屏實現顯示信息、控制指令和系統時間等內容的實時更新，觸摸屏與控制核心STM32采用RS232串口通信協議。

2.2.6歷史數據上傳任務 該任務主要負責通過串口通訊將存儲在外部FLASH中的數據上傳至上位機，具體工作流程如圖9所示。歷史數據上傳任務根據操作人員選取的數據記錄起始和結束時間，將該時間區間內的所有數據讀出到內存中，通過UART通訊接口上傳至上位機。

2.2.7系統調試任務 果蔬氣調運輸控制系統是1個多任務同時運行的多輸入、多輸出系統，各任務之間相互通訊和耦合，為防止任務沖突，系統外部和內部資源的使用也必須同步。復雜的控制邏輯需要系統具備良好地穩定性、魯棒性和可靠性，為使系統能更好地運行且便于調試，設計了系統調試任務，主要負責監測系統中其他6個任務的運行情況，并根據其運行狀態，采取相應的策略保證系統良好的運行，同時能接受和輸出相關的調試信息，提高系統運行性能，具體工作流程如圖10所示。

3結論

以氣調保鮮運輸車廂為試驗平臺，STM32嵌入式系統為控制核心，引入實時操作系統，設計了基于μC/OS-Ⅲ的果蔬氣調運輸車廂多任務控制系統，系統包括數據采集、歷史數據存儲、環境參數調控、設備工作狀態監控、人機交互、歷史數據上傳和系統調試等7個工作任務，各任務間相互通訊和耦合控制。2012年9月，廣東省農業機械鑒定站對本裝備進行性能檢測，檢測結果表明：目標環境調節時間為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%，控制系統氧氣濃度響應時間差為0.9 min，溫度響應時間差為7.8 min，相對濕度響應時間差為4.4 min，系統設計合理，性能優越。2013年2月，廣東省科學技術廳對本裝備進行科學技術成果鑒定，鑒定果蔬氣調保鮮運輸關鍵技術與裝備整體達到國際先進水平，其中氣調保鮮環境綜合調控系統居國際領先水平。