甘薯智能貯藏系統的設計與實現

洪歌 徐踐 韓寶平 張娜

摘要? ? 本文從硬件系統和軟件系統2個方面對甘薯智能貯藏系統進行了詳細介紹，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，且冷庫貯藏溫度穩定在12 ℃，濕度穩定在80%～85%之間。

關鍵詞? ? 甘薯;智能貯藏系統;溫濕度傳感器;通風系統

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

當前農業供給側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，甘薯貯藏是其產業增效的重要手段之一，經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生爛窖現象，就會給薯農造成重大的損失[4]。隨著我國經濟生產規模的不斷擴大，自動化和智能化生產越來越普遍，智能化控制系統越來越受到研究者的高度重視。甘薯智能貯藏系統的建設能夠通過溫濕度傳感器等設備實時監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，及時調控通風設備來改變貯藏庫內各類影響因素，以實現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的過程中，不僅解決了甘薯貯藏時間不長、容易引發各類病害的問題，同時也在一定程度上提高了甘薯種植戶的知識素養。農戶通過接觸智能化裝置，對互聯網產品進行操作，實現了與科技時代的接軌。因此，甘薯貯藏庫的智能化建設意義重大。本研究有助于實現甘薯貯藏庫管理的智能化，使農民能夠通過互聯網及時管理薯庫，實時控制薯庫內部的排風系統，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? ? 甘薯智能貯藏系統總體設計

甘薯智能貯藏系統分為軟件系統和硬件系統2個部分。軟件系統為甘薯貯藏環境監控平臺，通過該平臺用戶可以實時查看甘薯貯藏庫內部的溫濕度及二氧化碳濃度數據，也可瀏覽各類數據的歷史記錄，用戶也可在監控平臺對貯藏系統的硬件部分進行操控。硬件部分由保溫庫體、通風換氣系統及溫濕度傳感器和二氧化碳傳感器等組成，采集到的數據通過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甘薯在貯藏過程中所處的環境情況，之后可利用通風系統調節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? ? 甘薯智能貯藏系統硬件設計與實現

2.1? ? 智能貯藏庫保溫庫體

2.1.1? ? 結構。主體結構是一個3 150 mm×3 050 mm×2 800 mm（長×寬×高）的彩鋼房，如圖1（a）所示。地面結構由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系統，如圖1（b）所示。

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

2.2? ? 通風換氣系統

本研究采用雙流向新風換氣系統，確保庫內氧含量，保證有害氣體濃度在警戒范圍以內，同時能夠排除霉菌等有害病菌。每個薯庫都設置有1個進風口和1個出風口，出風管道內風機為CDR2E-315型號的外轉子軸流風機。通過通風管路的進風、排風來控制冷空氣流動來達到制冷和通風換氣效果，形成冷空氣在薯窖的內循環，從而達到薯堆內部的降溫、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技術以確保產品具有極高的可靠性和長期穩定性。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轉換器以及1個串行接口電路設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以程序形式儲存在芯片本身的OTP內存中。通過兩線制的串行接口與內部的電壓調整，使外圍系統集成變得快速而簡單。此類傳感器具有響應快、抗干擾能力強、體積小、功耗低等優點。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、功耗低等優點。

2.4? ? 制冷設備

本研究中貯藏庫采用空調制冷，當將空調溫度設定到最低溫度16 ℃時，空調口溫度一般在10 ℃左右，利用出風管道內的風機將高處的冷空氣吸進管道，使冷空氣在薯堆內部流動，并最終通過通風系統的出風口排出。

3? ? 甘薯智能貯藏系統軟件設計與實現

甘薯貯藏環境監控平臺是甘薯智能貯藏系統的配套軟件平臺，甘薯智能貯藏庫實時觀察冷庫內傳感器采集的各項數據指標實現精準適宜的甘薯貯藏，同時通過控制冷庫內風機的運行實現溫濕度上下層的均衡。而上傳到服務器的數據以及需要遠程控制風機狀態的操作都需要通過甘薯貯藏環境監控平臺來遠程實現。甘薯貯藏環境監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的各種環境參數，同時可查看和遠程控制冷庫風機運行狀態，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、進出風口的風機狀態，同時還顯示了冷庫當前時間的環境參數，包括甘薯中心的溫濕度、冷庫內空氣的溫濕度和二氧化碳濃度以及當前時間。如果用戶有控制權限，頁面會顯示風機的運行狀態和操作部分。

數據展示界面如圖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間，點擊搜索數據即可將冷庫的給定條件范圍的數據檢索出來并分頁展示在下方的數據展示區。具體展示的數據參數包括時間戳、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，采用制冷空調作為制冷裝置，將制冷溫度設定在16 ℃，持續給環境降溫。在冷庫內放置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膜覆蓋阻擋空氣流動，開啟風機在底部抽風，迫使空調吹出的冷風流經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、甘薯箱內部以及循環管路出風口放置溫度計，測量溫度、記錄數據;冷庫內還設置濕度測量儀器，測量冷庫內濕度。記錄室外溫度、室內溫度、甘薯內部溫度、循環管路出風口溫度、室內濕度，數據每30 min采集1次，從8：00至20：00，連續測量1周。室內溫度測量可以及時了解室內溫度情況，及時與甘薯內部做出對比，了解當前冷庫的制冷情況。循環管路出風口溫度的測量可以和室內溫度做出對比，驗證是否可以通過風機的運轉造成室內冷氣的流動，帶出甘薯中產生的熱量。

經過試驗發現，在空調溫度恒定設置為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部溫度造成很大的影響，因為甘薯內部升溫慢降溫也慢，甘薯溫度總體可控;循環管路出風口溫度始終要比室內溫度高2 ℃左右，說明氣流將甘薯內部熱量帶出。由于大氣壓強原因，空調所吹出的冷風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部的溫度。

以上一個試驗作為基礎，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周的試驗數據為例，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，開啟通風系統，從后5 d的平均數據可以看出溫度正常，濕度明顯降低，由此可以說明甘薯智能貯藏冷庫通風系統能夠達到除濕效果。目前經過4個月的甘薯貯藏試驗發現，所貯藏的甘薯依然保存良好，貯藏溫度已經穩定在12 ℃，濕度穩定在80%～85%之間。

5? ? 結語

目前該智能貯藏庫試驗在穩步有序地進行，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據，建立一套完整的試驗模型，其中包括溫濕度之間存在的關系變量、溫濕度之間的整體變化趨勢及規律，確定通風系統及加濕設備如何更加協調地工作，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? ?糧經作物產業技術體系北京市創新團隊（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：農業信息化。

*通信作者

收稿日期? ?2018-12-26