淺談基于物聯網的太陽能熱電聯供果蔬干燥系統設計

王玉巍，竟靜靜，賓大山，劉朝蓬

（1.新疆工程學院；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我國“21世紀可持續發展戰略”的重要措施之一，太陽能的發展和應用在改善能源結構、保障能源安全、推進生態文明建設方面有重要意義。新疆地區有豐富的太陽能資源，用太陽能干燥果蔬有品質高、效率高、清潔環保的優點。新鮮果蔬容易發霉不易保存，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，存在高能耗的問題。劉巍等人在對比了農產品自然干燥、熱風微波干燥、太陽能干燥等技術與應用，分析了各種干燥技術的優缺點，傳統晾曬效率低衛生差，太陽能熱泵組合干燥設備制作復雜且成本高，太陽能集熱箱式干燥房夜晚無法繼續高效工作。李建軍等人采用太陽能集熱裝置和送風機構對葡萄進行干燥處理，效果符合葡萄干品質要求。有效縮短干燥產品的加工周期，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計枸杞干燥機，采用燃氣熱風爐在晚上和陰雨天供熱，能夠實現全天候干燥作業，但是需鋪設燃氣管路，干燥過程產生燃燒廢氣、增加碳排放、環保性較差。因此，設計一套能夠24小時不間斷工作的太陽能熱電聯供果蔬干燥系統很有必要，本系統采用無線傳感器網絡技術集傳感器技術、無線通信技術于一體，設計能源供應、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，將熱空氣由風機吹入晾干塔中，沖擊果蔬表面，實現快速干燥。搭建光伏發電單元為系統提供電能，安裝儲熱和蓄電裝置，用于夜間或陰雨天持續工作。

1 系統的總體設計

本系統通過分析現有果蔬干燥方法和裝備，設計主要有以下四個部分組成：晾干塔、熱循環單元、光伏發電單元和物聯網監控單元。晾干塔采用塔式結構，晾干塔內部產生旋轉的氣流可最大限度利用熱風且果蔬干燥均勻。熱循環單元包括太陽能集熱、儲熱和換熱部分。光伏發電單元包括光伏陣列、蓄電池和保護控制部分，為系統提供電能。物聯網監控單元包括上位機監控系統、下位機監控系統、風扇及水泵的驅動電路等部分。能夠實現干燥流程實時監控、上位機或手機無線控制溫度和風量，在線檢測果蔬狀態，既提高果蔬制干效率，又改善果蔬干口感，干燥更加高效環保。

2 果蔬干燥裝置的硬件設計

2.1 晾干塔

晾干塔的外形設計為圓塔形，內部有換熱器、導流板風扇。換熱器中有熱水流過，換熱器下方安裝的調速風扇開始旋轉，在風扇的轉動下，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，在晾干塔內部安有導流板，使熱氣流產生旋轉，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，應安裝在通風比較好的地方。

2.2 熱循環單元

熱循環單元由真空集熱管、蓄熱水箱、調速水泵和換熱器等部分構成。系統選用水作為循環工質，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一個調速水泵，控制熱水循環速度，調速水泵與驅動電路相連，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 光伏發電單元

光伏單元包括光伏陣列、DC-DC轉換器、蓄電池、保護控制部分、控制單元供電部分、水泵和風扇供電部分。白天通過太陽能電池板進行發電，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 物聯網監控單元

物聯網監控單元下位機采用單片機作為CPU，通過傳感器檢測關鍵參數，采用ZigBee模塊上傳至上位機，移動終端通過訪問上位機數據庫接收相應數據。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、晾干塔內進出口溫度、晾干塔內部和出口濕度進行采集。下位機采用PWM調速技術，控制水泵、風扇的轉速以調節熱水流量和空氣流量，實現溫度控制，達到晾干塔內溫度恒定。

3 控制系統軟件設計

3.1 下位機程序設計

下位機設計采用keil5進行編程，包括光伏發電程序、雙路溫度測量程序、顯示程序、PWM輸出程序、自動控溫程序。光伏發電單元采用A/D轉換芯片采集蓄電池電壓并傳輸給單片機，在單片機中將數據與設定值進行比較，對繼電器實現控制。單片機間接的實現了對蓄電池充電的自動控制。熱循環和晾干塔內溫度控制部分的程序是通過單片機調節PWM輸出的占空比實現的。單片機采樣當前溫度傳感器檢測到的晾干塔內溫度值，通過與設定的溫度閾值進行對比，判斷是否進行熱水流量和風扇轉速的控制。如設定晾干塔內溫度恒定在40℃，將檢測到的溫度與40℃進行自動比對，根據比對的結果，進行相應的操作。利用控制水泵、電機的轉速，從而控制了晾干塔內的溫度。當PWM輸出到達最大或者最小時，通過蜂鳴器向外界發出報警。單片機將系統各采樣點溫度、濕度、狀態信息等通過ZigBee模塊傳輸到上位機，在上位機進行數據存儲和顯示。

3.2 上位機程序設計

上位機主要使用Microsoft Visual Studio軟件，C#語言編程，采用ZigBee組件搭建無線網絡通信系統，采集下位機上傳的數據，對晾干塔內的溫濕度以及熱循環系統的各項參數進行采集、存儲和分析，此外，還可以通過上位機實現對風扇和水泵的遠程控制，當系統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實現實時數據的監控。

4 系統運行試驗

系統模型搭建完成后通過調試運行，能夠實現晾干塔內溫濕度的測量和上傳，水泵和風扇能夠調節水流量和空氣流量，進而調節烘干房內溫度。根據夏秋季節新疆哈密地區氣象條件計算，可使系統做到全天溫度變化時，烘干室內溫度保持不變。采用葡萄作為加工物料進行干燥加工，基本達到設計目標。通過設置溫度閾值與風速閾值等參數實現了不同果蔬物料含水量不同時所需的最適干燥環境控制。

5 結語

本系統在應用過程中采用儲熱和蓄電裝置，解決了現有太陽能干燥技術存在的對氣象依賴性高、可控性差的問題，具有靈活、可控、高效的優勢。將物聯網技術和智能手機軟件應用進行集成，形成了一套著力于解決干燥系統溫度采集、數據遠傳、信息報警和遠程監控的系統應用平臺。本作品為農作物加工提供了方便，減少了農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，與工業干燥相比節省電能和煤耗，大幅提升了農產品干燥效率同時降低了經濟成本。且結構簡單安裝方便，解決了偏遠農田供電問題，采用物聯網技術，結合自動控制技術，減少人力成本，干燥周期縮短，能夠提高農產品品質和口感。適用于農場安裝使用，也可用于工業生產，提升經濟效益。