基于4G網絡的氣調保鮮配氣遠程監控系統設計與試驗

左軒夷 張海瑜 葛 蔚 高志武

(1.中國農業大學工學院，北京 100083；2.中國農業大學煙臺研究院，煙臺 264670；3.煙臺市海洋經濟研究院，煙臺 264003)

0 引言

生鮮農產品保鮮是增加農產品附加值和保障食品質量安全的重要課題。近年來，農產品和食品保鮮技術除在傳統方法的基礎上不斷深化和完善外，還在超高壓保鮮、氣調保鮮和輻照保鮮等技術領域取得重要進展[1-3]。這些新的保鮮技術各有其適用條件和優缺點，超高壓保鮮技術將產品放置在高壓裝置當中，通過施加200 MPa以上的壓力，除滅其中的微生物和各種細菌，效率較高。但超高壓也會對生鮮農產品，特別是肉類產品的外觀及品質產生不良的影響。如加壓后的肉類產品變硬，顏色變深，影響產品柔嫩的口感[4-6]。輻照保鮮技術主要是通過較高輻射強度的射線(γ射線、Χ射線、電子束射線)對生鮮農產品進行照射處理，從而使其中的微生物或細菌死亡，其主要缺點是強輻射會破壞肉類產品的蛋白質結構，經電子束照射的肉，其蛋白質氧化程度顯著加大[7-9]。氣調保鮮(Modified atmosphere packaging,MAP)技術比高壓保鮮技術和輻照保鮮技術對保護生鮮肉類食品的品質和延長貨架期的效果更好一些。相對其它2種保鮮技術，氣調保鮮的最大優點是對農產品營養成分及品質的影響較小，同時保鮮時效較長[10-13]。其技術核心是通過改變生鮮農產品儲藏或包裝環境中的氣體濃度及比例，用高濃度CO2氣體抑制微生物呼吸，從而使微生物的繁殖速度降低；以N2作為置換O2的氣體，抑制微生物繁殖，形成有效的保鮮防腐作用[14-15]。通常，保鮮氣體大多采用體積分數為99.9%的CO2和99.9%的N2。但傳統配氣方法的缺點是需要人工手動操作高壓氣瓶，效率和安全性差，很容易出現氣體泄漏，并對人體健康造成傷害。因此，推進配氣系統自動化就成為推動氣調保鮮大規模推廣的關鍵性技術,要使氣調保鮮配氣過程實現自動化和遠程監控的目標，需實現對輸入的氣體濃度、混合比例及輸出氣體流量、速率的實時感知與測量；通過快速、準確的數據傳輸，聯接應用層的控制器、指令執行組件和控制終端，實現遠程監控與配氣自動化。

近年來，針對不同場景的遠程監控系統，國內外在諸多領域均有大量研究[16-24]。總體而言，開發基于不同控制目標的自動化遠程監控系統，都離不開高效、可靠和穩定的無線通信技術。目前，常用的遠程監控系統采用的無線通信技術主要有ZIGBEE、藍牙、WiFi、GPRS技術、3G和4G通信系統等。在5G工業物聯網技術尚未完全成熟的條件下，4G網絡通信和數據傳輸技術的綜合性能具有較大優越性。因此，本文設計氣調保鮮配氣遠程控制系統，依靠嵌入的PID控制算法和質量流量控制器實現對氣體流量、濃度和混配比的控制；以4G網絡作為遠程數據傳輸的途徑，選擇4G DTU作為網絡數據收發器，以期通過4G手機小程序實現移動客戶端的遠程監控功能。

1 氣調保鮮作業流程與配氣系統需求分析

生鮮農產品氣調保鮮常見作業流程如圖1所示。

圖1 農產品加工工藝流程與氣調保鮮流程圖Fig.1 Processing process of agricultural products and flow chart of modified atmosphere packaging

由圖1可知，實現食品和生鮮農產品氣調保鮮，需對原料進行系統性的清理、包裝前準備等一系列工作，然后進行配氣和充氣。配氣過程是將高純度的CO2與N2作為原料氣體，按不同農產品保鮮要求，以相應的濃度比例進行充分混合。當配氣結束后，將充氣管插入包裝內，將配好的保鮮氣體充入包裝內，置換其中的非保鮮氣體；達到要求時充氣監控系統會提示，充氣過程結束。

本文的研究重點是配氣過程的自動遠程監控，充氣過程需開發單獨的子監控系統。為了實現配氣目標要求和提高生產效率，配氣遠程監控系統需具備如下功能：

(1)流量控制。對各氣路進行氣體流量調節，實現配比氣體的充分混合，隨配隨用，保證配氣系統的精確性和可靠性。

(2)結構優化。配氣系統通過單向閥、混氣室和可靠的氣路連接，保證配氣系統結構合理、可靠及優化。

(3)數據監測。自動化配氣系統需具備對各氣路流量和混合氣體輸出濃度的實時監測、可視化與閾值警示功能。

(4)反饋調控。通過設置反饋信號，對各氣路流量進行調節，使其構成閉環負反饋，保障配氣系統精度和效率。

(5)遠程監控。能根據需要在遠端下發指令，對設定氣體濃度與流量，以及各裝置開關、電磁閥狀態進行遠程監測、控制等。

(6)數據維護。系統可通過云服務器對從現場上傳的數據進行記錄、儲存和維護，并具有對場地設備添加及關聯的功能。

1.1 配氣系統功能結構設計

選擇動態配氣的流量控制方法實現配氣自動化遠程監控。該方法通過在每個氣路中設置質量流量控制器對氣體流量進行調控，并按設計要求制備出高精度的混合氣體。質量流量控制器通過模擬信號實現對配氣質量和氣體流量的控制，并把信號發至控制器，實時監測各氣路的流量，實現混合氣體的自動配比。

由于配氣過程中只有CO2和N22種原料氣體，由此，可得目標混合氣體體積分數的計算公式為

(1)

式中α——混合后氣體體積分數

α1——第1種原料氣體體積分數

α2——第2種原料氣體體積分數

Q1——第1種原料氣體流量

Q2——第2種原料氣體流量

配氣時，2種氣體的配氣同時開始，由此可知

t2=t1=t

(2)

Q1=v1t1

(3)

Q2=v2t2

(4)

式中v1——CO2流速v2——N2流速

t——配氣時間

t1——第1種原料氣體配氣時間

t2——第2種原料氣體配氣時間

若設v為輸出總流速，則可得

(5)

(6)

配氣系統工作時，按設定好的混合氣體輸出體積分數和流量，由質量流量控制器調節所在氣路的氣體流量，最終獲得所設定的氣體濃度比，配氣系統功能結構如圖2所示。由圖2可看出，2種原料氣體在設定的壓力和流量下，通過質量流量控制器進入混氣室，充分混合后輸出目標氣體。

質量流量控制器由內部控制器、流量傳感器、層流分層件、信號放大電路和電磁控制閥等組成，其內部結構如圖3所示。

配氣時，2種氣體經過混氣室混合后輸出；氣體傳感器并聯在混合氣體輸出的管道上，流通式氣體傳感器安裝方式如圖4所示。

圖2 配氣系統功能結構圖Fig.2 Functional structure diagram of air distribution system

圖3 質量流量控制器內部結構圖Fig.3 Internal structure diagram of mass flow controller

圖4 CO2傳感器安裝示意圖Fig.4 Schematic of CO2 sensor installation

流通式氣體濃度傳感器通過的氣體流量應保持在300～500標準毫升每分鐘(Standard cubic centimeter per minute，sccm)之間，本系統輸出流量一般在4 000 sccm左右，因此必須在氣體進入傳感器之前減小其流量。所以，應在傳感器之間設置節流閥減小氣體流量，保護傳感器，避免過大流量造成傳感器損壞。

1.2 配氣系統控制流程和控制方案設計

生鮮農產品氣調保鮮配氣系統的控制流程設計主要側重兩方面的需求，即實現控制目標和操作系統方便性。在做需求調研時，管理人員希望在手機上進行操作，即通過手機小程序界面設定混合氣體濃度值和輸出的流量值。因此，控制方案設計了手機小程序和觸摸屏控制終端。使用者可將設定好的參數通過觸摸屏發送給PLC(Programmable logic controller)控制器，也可將數據上傳至云服務器，再通過4G DTU下發到PLC控制器中。PLC控制器計算N2氣路所需的流量，并發送至N2所在氣路的質量流量控制器，由質量流量控制器確定該氣路的流量。為提高效率和節省時間，操作時將N2固定在某一流量上不變，系統單獨對CO2流量進行調節，由CO2檢測模塊采集氣體體積分數，再發送至PLC的寄存器；根據檢測的氣體體積分數與預設的氣體體積分數進行計算，獲得CO2體積分數的偏差δ；再將偏差δ作為PID控制器的輸入，通過PID控制器來調節CO2氣路的流量。質量流量控制器可實時改變該氣路的流量，直到氣體體積分數達到閾值；這時，CO2氣路輸出流量即達到穩定狀態。當PID控制器調節達到穩定時，說明配氣過程完成。圖5為農產品氣調保鮮配氣過程的系統流程圖。

圖5 配氣過程流程圖Fig.5 Flow chart of air distribution process

根據配氣流程，本研究選擇PID (Proportional integral derivative)控制算法進行系統優化。PID控制算法對于控制對象與檢測對象之間沒有直接關聯的系統，尤其是控制對象參數具有不確定性、無法建立數學模型的系統往往能獲得良好的控制效果[25]。其控制計算過程如圖6所示。

圖6 PID控制器結構圖Fig.6 PID controller structure diagram

氣調保鮮配氣系統是典型的一階純滯后系統，其傳遞函數可根據系統特性和配氣實驗獲得。設定CO2體積分數初始值為0.2%，最大值為60%。在系統穩定時，試驗結果為：CO2體積分數57.2%，延遲時間7 s，系統響應曲線如圖7所示。

圖7 配氣系統一階純滯后系統曲線Fig.7 First-order pure lag system curve of valve distribution system

可得配氣系統傳遞函數為

(7)

配氣系統采取固定N2流量，通過PID控制器控制CO2氣路的流量來實現快速、準確配氣。首先對輸出氣體的體積分數進行設定，根據CO2傳感器采集的數據獲得體積分數的偏差；按照配氣系統的傳遞函數式(7)，采用文獻[26]的PID算法參數整定經驗公式，對配氣系統的PI參數進行計算，獲得對應的Kp、Ki、Kd實現PID調節；將調節后的控制量發送給質量流量控制器，調節CO2氣路的流量，其流程如圖8所示。

圖8 PID算法控制流程圖Fig.8 PID algorithm control flow chart

圖9 遠程數據傳輸框架圖Fig.9 Frame diagram of remote data transmission

2 4G DTU網關信息傳輸無線通信設計

2.1 4G DTU數據傳輸與通信設計

配氣系統以4G DTU通信模塊實現遠程數據傳輸，兩者之間以RS485串行連接，使用Modbus RTU通信協議；通過發送報文數據格式進行數據上傳。4G DTU通信模塊依托Modbus TCP通信協議，將數據上傳至云服務器；實時監測配氣系統中的CO2體積分數、各個氣路的流量以及輸出的總流量。管理者可在云平臺或手機上對CO2體積分數和輸出總流量值進行設定，云服務器將設定好的數據以Modbus TCP協議的格式下發給4G DTU模塊；對下發的數據進行解析，形成Modbus RTU協議的報文數據格式，并將數據依次發送到PLC控制器對應的寄存區，實現配氣系統的遠程控制功能。遠程數據傳輸框架如圖9所示。

圖10 4G DTU數據傳輸流程圖Fig.10 Flow chart of 4G DTU data transmission

4G DTU通信模塊采用網絡透明傳輸的模式，依據TCP/IP的通信協議，采用Socket通信方式與服務器進行連接。因為4G DTU并不能直接通過TCP/IP通信協議進行數據傳輸，須通過Socket接口進行。在網絡連接的過程中，云服務器作為TCP協議主站，4G DTU作為TCP協議從站(客戶端)；主站與從站通過建立Socket程序調用不同功能的函數建立網絡連接；實現在TCP協議的基礎上發送報文，進行數據雙向傳輸的功能。

Socket進行網絡連接的工作過程如下：主站與從站分別用Socket建立套接口；主站調用bind將套接口與本地網絡地址進行連接；調用listen進行監聽是否有外部連接，并調用accpet接收外部鏈接；從站調用connet與主站進行連接；主站與從站之間通過read與write進行數據的發送與接收；數據傳輸結束后，主站與從站分別調用close關閉Socket接口。

2.2 4G網絡的數據傳輸通信流程

作為配氣監控系統與云服務器之間的傳輸橋梁，4G DTU通信模塊數據傳輸的流程如圖10所示。其工作步驟是：

(1)4G DTU通信模塊調試后，讀出Flash組成模塊中存儲的系列參數。

(2)通過SIM卡進行4G網絡連接，獲取相關的IP號碼；啟動手機移動客戶端與氣調保鮮配氣系統現場通信，與云服務器建立網絡連接。

(3)與網絡連接后，配氣系統中PLC存儲的數據根據Modbus協議上傳到4G DTU進行數據包封裝和傳輸協議轉換，再通過云服務器與云平臺監控終端進行TCP/IP協議數據信息傳輸。

(4)云服務器通過4G DTU向PLC下發命令，實現數據傳輸。

2.3 4G手機程序及界面設計

4G手機界面的設計是通過云平臺中的組態設計功能實現的，該云平臺組態為用戶提供了組態編輯器；通過組態編輯器實現工藝流程、控制功能和監控功能，將綁定數據進行直觀展示。圖11為手機遠程監控框架圖。

圖11 手機遠程監控框架圖Fig.11 Frame diagram of mobile phone remote monitoring

數據傳輸層由4G DTU通過TPC/IP通信協議實現數據在云服務器與PLC之間的雙向傳輸。操作人員在手機界面輸入CO2體積分數以及輸出的總流量，云服務器便將數據通過4G DTU進行下發并解析，使設定值寫入PLC的對應寄存區；CO2體積分數傳感器與質量流量控制器所采集的體積分數與流量數據通過4G DTU進行解析，并上傳至云服務器。

手機界面設計按以下步驟完成：

(1)創建設備模板。即進入云平臺模板設置中心，選擇組態設計模塊進入云平臺組態界面，分別對PC端與手機端進行界面組態。

(2)界面組態設計。根據系統所需功能，對手機小程序界面進行組態設計，主要包括主界面、控制界面和監控界面。

(3)系統變量關聯。對手機組態界面中的每個開關、按鈕設定輸入框、數據顯示框以及數據狀態條，并與其所對應的各變量進行數據關聯。

手機遠程監控的功能應與現場操作控制功能一致，這樣操作人員就可以通過掃描小程序二維碼進入氣調保鮮配氣遠程監控系統。操作人員可在手機小程序上修改氣體體積分數與流量，并實時監控CO2體積分數、各個氣路的流量以及輸出的總流量和往期的歷史配氣記錄。圖12為手機小程序界面。

圖12 手機小程序界面Fig.12 Physical picture of mobile phone programming

3 氣調保鮮配氣系統集成與功能測試

在對配氣系統進行整體設計、軟件開發和通信設計之后，進入系統集成和功能測試階段。

3.1 配氣系統的組件選擇與集成

氣調保鮮配氣系統主體組件架構如圖13所示。

圖13 氣調保鮮配氣系統硬件結構圖Fig.13 Hardware structure diagram of modified atmosphere packaging and distribution system

系統組件由PLC控制器、質量流量控制器、A/D轉換模塊、D/A轉換模塊、CO2體積分數傳感器、HMI觸摸屏、中間繼電器、電磁閥、4G DTU模塊、電源模塊等構成。本文選擇的PLC控制器型號為西門子S7-200 SMART CPU ST20，它繼承了前代S7-200 PLC的優點，同時又增加了很多功能。配氣系統傳感器與質量流量控制器均為模擬量輸入與輸出，選擇PLC的模擬量轉換模塊EM AM06；以昆侖通態的TPC7062Ti型觸摸屏為人機交互模塊。另外，選擇萊峰科技公司的LF 420-S模擬型氣體質量流量控制器；4G DTU通信模塊為有人云物聯網公司的產品USR-G780 V2型DTU。

為實現配氣系統整體功能，各組件的技術參數需按照配氣系統的要求進行配備。表1為PLC控制器、模擬量轉換模塊、HMI 觸摸屏、CO2體積分數傳感器、質量流量控制器、4G DTU 通信模塊、電磁閥以及開關電源的技術參數。圖14為配氣系統內部組件連接結構關系和集成形態。

3.2 系統性能測試

系統性能測試主要包括配氣系統精度測試、系統穩定性測試、系統信息傳輸延遲及通信可靠性測試。4G DTU作為通信模塊，其通信傳輸的可靠性、準確性，如丟包率、準確率等指標，己在出廠前做過測試和標定。廠家對4G DUT通信模塊在RS-485接口下的系統丟包率和準確率測試結論是：通信距離1 200 m,通信時間20 min，溫度23～33℃，相對濕度35%～45%，系統無亂碼、無丟包。在連續傳輸110 h，波特率115 200，發送字節數1 000，發送間隔1 ms，數據傳輸的丟包率為0.74%～0.77%。因此，對系統的數據丟包率和準確率等，不再做重復測試。

表1 硬件技術參數Tab.1 Hardware technical parameters

圖14 配氣系統內部實物圖Fig.14 Internal physical picture of air distribution system1.電磁閥 2.CO2體積分數傳感器 3.質量流量控制器 4.繼電器 5.PLC 6.電源開關 7.4G DTU 8.電源插座 9.混氣室

3.2.1配氣系統精度測試

這部分測試分為2組，測試條件和系統狀態如表2所示。

在使用PID算法的配氣狀態下，增加了初始濃度不為0的測試組，其輸出流量為4 000 sccm，CO2初始體積分數分別為20%、30%，設定體積分數為30%、40%。其目的是為了更全面地驗證PID算法的適應性。

從表2可以看出，配氣完成時，未使用PID算法的配氣結果平均誤差為2.64%；使用PID算法的配氣結果平均誤差絕對值為0.22%，誤差降低了約91.67%。使用PID算法的配氣時間比沒有使用PID算法的配氣時間減少了50%。增加的配氣系統適應性試驗結果表明：使用PID算法的初始體積分數30%、設定體積分數40%和初始體積分數20%、設定體積分數30%的測試組，測試誤差更穩定、速度更快。

3.2.2配氣系統穩定性測試

系統穩定性測試之前，需要將管路內的殘余CO2氣體排凈，整個測試過程共設置4組不同條件下的配氣實驗。

測試開始后，即對數據進行實時記錄，數據采集周期為1 s；由于配氣時間一般在60 s完成，所以連續采集數據300 s。通過對1 200個測試數據進行整理，如表3所示，結果表明：在氣體體積分數達到設定值且輸出流量穩定時，平均誤差絕對值為0.25%。可見本配氣系統具有非常好的穩定性。

3.2.3系統通信延遲及數據傳輸可靠性測試

通信測試的重點為測試PLC控制器是否能經4G DTU模塊獲得信號以及PLC控制器寄存區的數據是否能實時上傳至云服務器，由此檢驗配氣過程中系統數據傳輸和通信功能。圖15為通信測試時相關界面。實際測試時，設定CO2氣體體積分數為40%，輸出流量為4 000 sccm；配氣裝置觸摸屏的控制界面隨即出現所設置的參數；用手機小程序開啟系統運行，通過串口調試助手對系統進行通信測試。PLC控制器與DTU模塊RS485串行連接，通過RS485-USB串行接口并聯在PLC的RS485接口上，因此計算機中的串口調試助手可以監控PLC與DTU之間雙向傳輸的所有數據。圖16為配氣完成且處于穩定輸出階段的截取數據，數據傳輸周期為50 ms。具體數據傳輸格式解析結果見表4。

表2 兩組配氣系統測試條件和數據結果Tab.2 Test conditions and data results of two groups of distribution systems

表3 配氣系統穩定性測試條件和數據結果Tab.3 Test conditions and data results of distribution systems stability

圖15 配氣系統通信測試手機界面圖 Fig.15 Mobile phone interface diagram for communication test of gas distribution system

圖16 串口調試圖Fig.16 Serial port tuning attempt

表4 Modbus RTU 數據傳輸格式解析表Tab.4 Modbus RTU data transmission format parsing

解析結果表明：數據傳輸延遲約15 ms，配氣系統完全實現了遠程實時監控，且數據傳輸通信穩定、準確。

4 結論

(1)根據對工作條件和系統目標的分析，完成了配氣系統的功能設計、組件選型(配)和軟件開發；以動態配氣法作為配氣系統的主要控制方法，選擇PLC為控制核心，通過控制不同氣體的流量比，實現相應的目標氣體濃度比例；加入PID控制算法提升了系統的性能，使配氣速度和精度得到改善。

(2)基于配氣系統的遠程監控要求，選擇4G網絡作為系統的通信方式，對PLC內部嵌入的Modbus RTU程序設計，完成DTU與PLC之間的通信。同時對DTU的參數進行設置與調試；以TCP協議為橋梁，使其與云服務器之間進行數據傳輸，通過手機小程序軟件實現移動客戶端的遠程監控功能。

(3)通過對系統的穩定性、準確性以及通信性能測試，結果表明，系統在配氣穩定時氣體體積分數平均誤差絕對值為0.22%，較傳統方法降低了約91.67%，且嵌入PID控制算法的配氣速度提高50%左右，極大改善了工作條件和生產效率。