基于嵌入式的直投式乳酸菌泡菜發酵系統設計

柏世兵，趙友貴

(1.重慶城市職業學院，重慶 402160；2.重慶工程學院，重慶 400056)

直投式乳酸菌泡菜是在蔬菜中加入乳酸菌固體發酵劑進行深加工發酵而成，具有較高的營養價值，同時能夠對人體腸胃功能進行調節，促進人體微量元素的吸收[1]。泡菜發酵過程所用發酵劑主要為液體發酵劑、深凍發酵劑以及固體發酵劑，液體發酵劑活力不穩定，且容易受到雜菌感染；深凍發酵劑菌種活性高，運輸和存儲過程均要求低溫環境；固體發酵劑是一種直投式乳酸菌，使用方便，不容易受到雜菌感染[2]。

本文設計一種直投式乳酸菌泡菜發酵嵌入式系統，保證泡菜發酵過程中的環境參數需求，同時縮短發酵過程，減少人為因素對泡菜質量的影響，提高乳酸菌泡菜的自動化發酵水平。

1 直投式乳酸菌泡菜發酵系統需求

嵌入式發酵系統要求能夠實現直投式乳酸菌泡菜的自動發酵和半自動發酵，同時能夠在發酵過程中進行遠程交互式操作和發酵過程狀態參數監控，保證發酵過程環境參數[3]。嵌入式發酵系統可通過溫度傳感器和壓力傳感器獲取發酵過程中的相關物理參數，控制器可根據傳感器參數進行發酵系統實時調節，對人機交互過程中的響應參數進行調整，保證直投式乳酸菌泡菜發酵過程的順利進行[4]。

直投式乳酸菌發酵系統設計過程中要充分考慮系統使用經濟性和使用過程簡便安全的原則，能夠實時對系統狀態進行響應，在進行系統軟件設計時，要求系統能夠進行多領域擴展，滿足發酵系統的長期穩定使用。

2 直投式乳酸菌泡菜發酵系統總體設計

通過對乳酸菌泡菜發酵過程和系統需求進行分析，本文基于嵌入式技術設計一種直投式乳酸菌泡菜發酵系統，系統總體框架圖見圖1。

圖1 直投式乳酸菌泡菜發酵系統總體框架Fig.1 The overall framework of the direct vat set lactic acid bacteria pickle fermentation system

生物反應器是直投式乳酸菌泡菜發酵系統的核心，主要包含進氣模塊、排氣模塊、進料模塊、出料模塊、回鹵水模塊、保溫模塊以及清洗輔助模塊[5]。直投式乳酸菌泡菜發酵系統生物反應器結構組成見圖2。

圖2 直投式乳酸菌泡菜發酵系統反應容器結構圖Fig.2 Structure diagram of reaction vessel for the direct vat set lactic acid bacteria pickle fermentation system

生物反應容器選用立式壓力容器，頂部安裝觀察和照明設備，容器內壁與外壁之間設計一種螺旋向上布置的管路保溫層，熱水從容器保溫層下部進入，螺旋上升至保溫層出口，實現容器保溫功能[6]。

容器進氣模塊主要配置壓縮空氣和惰性氣體管路，壓縮空氣用于在出料前進行攪拌和容器增壓，惰性氣體用于發酵過程中的攪拌，同時將發酵產生的氣體排出，保持容器內部環境為缺氧環境[7-8]。在兩路進氣管路上均設置兩級氣體凈化裝置，提高進入容器中的氣體清潔度，管路中設置不同的閥門用于進行氣體通斷控制，傳感器用于為系統控制過程提供過程參數。

容器內排氣模塊包含主動排氣支路和被動排氣支路，對發酵過程中的進料進行抽真空處理，同時對容器中的壓力進行平衡[9]。主動排氣支路由真空泵和排氣控制閥門組成，在進料過程中將容器中的氣體抽出，使容器內形成負壓環境。被動排氣支路由氣壓表、排氣閥以及壓力傳感器組成，氣壓表用于對容器內的壓力進行觀察，壓力傳感器可將發酵過程中容器內的壓力反饋至核心控制器，用于發酵過程參數監測和發酵過程自動化控制，當容器內壓力超過設定值時，排氣閥打開，氣體經過被動排氣支路排出[10]。

進料模塊主要包含配料箱、主進料管、進料閥以及兩條副進料管。泡菜發酵系統采用負壓進料的方式，保證在進料過程中能夠將鹵水和發酵原料全部吸入反應容器內，并且不損壞泡菜外觀[11]。當發酵容器內需要進料時，被動排氣支路閥門關閉，主動排氣支路閥門、進料閥門以及真空泵均打開，此時容器內形成負壓，發酵原材料進入容器內，當進料結束時，主動排氣支路閥門、進料閥門以及真空泵關閉。

出料模塊包含容器底部和容器出料口兩條進氣支路，利用氣壓進行泡菜出料，能夠避免出料過程中機械機構對泡菜的損傷[12-13]。當需要出料時，出料口進氣支路通入壓縮空氣對容器內的泡菜和鹵水進行攪拌，使二者能夠充分混合，同時防止泡菜在容器底部沉積堵塞出料口。攪拌完成后，反應容器底部進氣支路通入壓縮空氣，使容器內壓力升高，將容器內的泡菜和鹵水擠入出料支路，泡菜沿出料支路流入出料箱，出料箱中的過濾板將泡菜和鹵水進行分離[14]。

回鹵水模塊用于將過濾分離后的鹵水進行回收，節約菌種數量，同時加快泡菜發酵速率，回鹵水模塊包含回鹵水支路和排水支路，當反應容器內需要回鹵水時，回鹵水管路閥門和鹵水泵打開，鹵水流入反應容器內。

乳酸菌泡菜發酵最佳工藝溫度為26～32 ℃，當容器內溫度低于最佳發酵溫度時，乳酸菌活性降低，發酵容器采用保溫模塊進行溫度調節。采用蒸汽加熱的方式進行加熱，水蒸氣經熱水箱底部進入螺旋保溫管路，使溫度上升，在保溫層回水管路上，利用溫度傳感器對回水溫度進行采集，控制器對加熱蒸汽溫度進行調節，保證反應容器內的發酵溫度處于最佳發酵工藝溫度范圍內。

3 嵌入式發酵系統軟硬件設計

直投式乳酸菌泡菜發酵系統在發酵過程中通過對相關的閥門和電機進行控制，利用相關傳感器對環境參數進行采集，實現發酵過程的自動化和智能化控制。系統硬件以現場控制器為核心，通過RS232總線進行現場人機交互過程通信，通過RS485總線進行遠程上位機通信。嵌入式系統硬件結構圖見圖3。

圖3 直投式乳酸菌泡菜發酵嵌入式系統硬件結構圖Fig.3 Hardware structure diagram of embedded system for direct vat set lactic acid bacteria pickle fermentation

直投式乳酸菌泡菜發酵系統現場控制器包含輸入輸出控制電路和信號采集電路，能夠對系統機械裝置進行控制，對發酵過程中的各種調節控制開關信號量進行光耦隔離后傳輸至現場控制器，保護現場控制器不受環境干擾，對過程中的相關模擬信號先進行數據格式轉換，再經過現場控制器的轉換電路輸出相關電壓信號，減少電磁干擾對模擬信號的影響。

嵌入式乳酸菌泡菜發酵系統采用三相四線制進行供電，利用旋轉手柄進行控制柜操作，同時采用QF1、RCD以及SPD進行電路保護。系統采用24 V直流電源對其中的傳感器、現場控制器以及觸摸屏等進行供電，可以有效減少信號傳輸過程中的電磁干擾，對系統中的繼電器供電時采用另一路獨立24 V電源，防止使用過程中產生的電磁輻射對信號產生干擾。

乳酸菌泡菜發酵系統人機交互包含使用現場控制器、現場終端觸摸屏以及遠程上位機等，其中現場觸摸屏包含反應器、管道、系統閥門以及驅動電機等控制，可在觸摸屏上進行直觀顯示和控制指令操作，實現對所有執行設備和部件的控制[15-16]?，F場觸摸屏具有USB傳輸接口、RS232以及RS485等通信接口，能夠進行外部擴展，同時與現場控制器之間進行相互數據傳輸。遠程上位機采用RS484通信總線與現場控制器進行數據交互傳輸，現場控制器對系統的所有設備進行控制。遠程上位機能夠使操作人員在中控室對發酵過程進行遠程監控，同時能夠對發酵狀態參數以及發酵歷史數據進行查詢。

乳酸菌泡菜發酵系統軟件是按照發酵過程任務進行設計，軟件進行任務實現過程中采用線程傳輸的方式。乳酸菌泡菜發酵系統主要包含檢測任務、自動任務、半自動任務、手動任務以及通信任務。乳酸菌泡菜發酵系統軟件整體框架見圖4。

圖4 泡菜發酵嵌入式系統軟件流程框架圖Fig.4 Software flow chart of embedded system for pickle fermentation

4 系統模擬測試

乳酸菌泡菜發酵系統設計搭建完成后，在執行過程中主要包含系統輸入輸出、信號采集以及系統運行過程通信等，因此在實驗室條件下進行乳酸菌泡菜發酵系統模擬測試。測試過程中選用9路模擬信號以及3路開關信號模擬測試平臺，其中9路模擬信號包含水箱溫度、反應容器溫度、壓力、pH值以及液位，3路開關信號包含反應器液位開關以及急停開關。

乳酸菌泡菜發酵系統輸入輸出模擬測試時，撥動模擬平臺開關，觀察系統程序運行結果為1或者0；乳酸菌泡菜發酵系統信號采集測試時，旋轉模擬平臺電位器，觀察系統程序變量變化值和人機交互界面顯示值；乳酸菌泡菜發酵系統通信測試時，向系統發送指令代碼，觀察人機交互界面上閥門和電機的開關狀態。乳酸菌泡菜發酵系統模擬測試結果見表1。

表1 嵌入式系統模擬測試結果Table 1 Simulation test results of embedded system

5 結論

本文結合嵌入式系統理論和乳酸菌泡菜發酵工藝，設計一種自動化直投式乳酸菌泡菜發酵系統。根據系統功能需求進行系統硬件模塊設計，按照乳酸菌泡菜發酵過程中的任務需求進行多線程任務設計。模擬測試結果表明該系統運行過程中具有較高的可靠性，能夠快速對控制指令進行響應，并且具有較好的系統擴展性能。