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摘要：为提高果蔬等农产品运输途中的保鲜水平，实现气调运输车厢保鲜环境参数的精确调控，以STM32嵌入式系统为控制核心，设计了基于μC/OS-Ⅲ的果蔬气调运输车厢多任务控制系统，系统由数据采集、历史数据存储、环境参数调控、设备工作状态监控、人机交互、历史数据上传和系统调试等7个工作任务组成，分析了每个任务的工作流程和各任务问的信息交换过程，经试验验证，控制系统性能优越。检测结果表明：目标环境调节时间为128.2 min，控制系统氧气浓度响应时间差为0.9 min，温度響应时间差为7.8 min，相对湿度响应时间差为4.4 min，证明该系统能精确控制车厢内保鲜环境参数。
关键词：气调运输；IxC/OS-Ⅲ；多任务；控制系统
中图分类号：S229 文献标志码：A 文章编号：1002—1302（2016）01—0414—04
气调保鲜控制技术是一种可以综合调节环境温度、相对湿度和气体成分的贮藏保鲜调控方法。国内外学者在气调保鲜控制技术方面进行了深入的研究，主要集中在硬件平台、环境参数特性和集中式控制系统等方面，针对气调控制系统软件和操作系统等内容的研究还比较少。气调保鲜运输技术的发展日益成熟，气调装备的设计与应用也越渐深入，而气调系统的控制较为粗放，急需设计一种稳定、实时处理的控制系统。μC/OS-Ⅲ是一个具有可升级、可固化和基于优先级等特点的实时内核，已广泛应用于工业控制领域。本研究基于液氮充注气调保鲜运输装备相关技术，设计了基于μC/OS-Ⅲ的果蔬气调运输车厢多任务控制系统，并对系统任务的工作流程进行分析，为气调保鲜运输控制系统的研究提供参考。
1果蔬气调运输车厢主要结构
果蔬气调运输车厢由气调、制冷、加湿、通风和控制等系统组成，主要结构框如图1所示。控制系统为嵌入式系统，通过监测厢体内当前的保鲜环境参数（温度、湿度、氧气和二氧化碳体积分数），对比设定值进行运算分析，决策气调、制冷、加湿和通风等系统的工作状态。气调系统由自增压液氮罐、超低温电磁阀、汽化器、进气和排气电磁阀组成，超低温电磁阀通电使液氮由自增压液氮罐以恒定压力流经汽化盘管转变成氮气喷入厢体，开启排气电磁阀实现气体交换，降低厢体内的氧气体积分数；同时开启进气和排气电磁阀，在循环压差的作用下，实现厢体内、外气体的交换，提高氧气体积分数。制冷系统选用机械制冷机组，可实现制冷和融霜功能。加湿系统选用超声波加湿方式，超声波雾化头通电后通过高频振荡将水雾化成细小液滴，提高厢体内相对湿度。通风系统选用直流风机，通电后为厢体提供压差，使气流在厢体内循环流动。
2基于μC/OS-Ⅲ的果蔬气调运输车厢多任务控制系统设计
嵌入式实时操作系统以应用为主要目的，控制嵌入式系统资源的调度、分配和协调并发活动，能极大地提高控制系统的综合性能，具有如下优势：（1）应用程序分解成多任务模块，提高系统的开发效率；（2）多任务独立运行，提高系统的可靠性；（3）多任务协调并发执行，提高系统硬件资源的利用效率。μC/OS-Ⅲ是一个抢占的多任务内核，支持优先级相同的任务轮询调度，可以移植到不同类型的CPU架构，并与应用程序代码一起固化到只读存储器ROM中。μC/OS-Ⅲ提供了实时内核的资源管理、同步和内部任務交流等功能，响应快速的中断源，管理的任务个数不受限制，任务、堆栈、信号量、事件标志组、消息队列、消息数量、互斥信号量、内存分区和定时器等内核对象，可由用户适时分配，优化资源配置。
2.1系统整体结构设计
基于μC/OS-Ⅲ的果蔬气调运输车厢多任务控制系统软件构架如图2所示。利用Micrium移植代码将μC/OS-Ⅲ实时操作系统移植到以STM32为控制核心的控制板上，借助操作系统μC/OS-Ⅲ提供的驱动接口和内部资源，完成外设驱动接口代码，并根据控制系统的目标，生成应用层代码，用以决策系统中各设备的分工及控制要求。
为使应用层代码的结构清晰、任务功能明确和便于实现，将其分成7个工作任务，分别是：（1）数据采集任务；（2）历史数据存储任务；（3）环境参数调控任务；（4）设备工作状态监控任务；（5）人机交互任务；（6）历史数据上传任务；（7）系统调试任务。每个任务在连续自循环中，与其他任务交互信息，分别实现各自的工作目标。各任务问的信息交换过程如图3所示。
2.2系统任务工作流程设计
2.2.1数据采集任务 该任务主要负责采集厢体内保鲜环境和设备工作状态参数，并将其放入预设的全局变量中，以供其他任务查询，具体工作流程如图4所示。数据采集任务接收传感器发送的数据，对该数据进行筛选，筛除因干扰等因素造成偏离真实值的数据，并对数据进行平均值滤波，获取有效数据存入全局变量中。
2.2.2历史数据存储任务 该任务主要负责将系统的工作信息存储到外部FLASH中，便于后续的数据分析、对比和处理，具体工作流程如图5所示。历史数据存储任务通过记录数据存储周期和系统时间，定期并自动存储历史数据，便于操作人员通过选择时间区间调取所需数据。
2.2.3环境参数调控任务 该任务主要负责将厢体内当前的保鲜环境参数（温度、湿度、氧气和二氧化碳体积分数）调控至预设的目标保鲜环境参数，具体工作流程如图6所示。环境参数调控任务通过获取数据采集任务的当前厢体内保鲜环境参数和人机交互任务设定的目标保鲜环境参数等数据，进行数据运算与分析，决策气调、制冷、加湿和通风等系统的工作状态，采用双限值控制策略，使厢体内目标环境参数维持在设定值范围内。
2.2.4设备工作状态监控任务 该任务主要负责电器设备工作状态的监测与预警，实现电气系统在线故障诊断功能，具体工作流程如图7所示。为准确诊断电器设备的工作状态，通过试验确定传感器的合理范围和执行器在不同的工作负荷下的电流大小，绘制电器设备工作参数表，预先存储到系统中。设备工作状态监控任务通过获取电器设备工作参数表中的数据，与当前系统实时采集的传感器和执行器信息进行对比，分析电气系统中各执行器的工作电流是否符合当前工作状态，传感器采集数据是否都在合理范围内。如不在合理范围，则进行声光报警，采取相应限制措施，并及时通知人机交互任务，通过触摸屏清晰、直观地显示故障部件及故障代码。
2.2.5人机交互任务 该任务主要负责显示系统的工作信息和接受相关的控制信息，实现人机之间的交互，具体工作流程如图8所示。人机交互任务通过触摸屏实现显示信息、控制指令和系统时间等内容的实时更新，触摸屏与控制核心STM32采用RS232串口通信协议。
2.2.6历史数据上传任务 该任务主要负责通过串口通讯将存储在外部FLASH中的数据上传至上位机，具体工作流程如图9所示。历史数据上传任务根据操作人员选取的数据记录起始和结束时间，将该时间区间内的所有数据读出到内存中，通过UART通讯接口上传至上位机。
2.2.7系统调试任务 果蔬气调运输控制系统是1个多任务同时运行的多输入、多输出系统，各任务之间相互通讯和耦合，为防止任务冲突，系统外部和内部资源的使用也必须同步。复杂的控制逻辑需要系统具备良好地稳定性、鲁棒性和可靠性，为使系统能更好地运行且便于调试，设计了系统调试任务，主要负责监测系统中其他6个任务的运行情况，并根据其运行状态，采取相应的策略保证系统良好的运行，同时能接受和输出相关的调试信息，提高系统运行性能，具体工作流程如图10所示。
3结论
以气调保鲜运输车厢为试验平台，STM32嵌入式系统为控制核心，引入实时操作系统，设计了基于μC/OS-Ⅲ的果蔬气调运输车厢多任务控制系统，系统包括数据采集、历史数据存储、环境参数调控、设备工作状态监控、人机交互、历史数据上传和系统调试等7个工作任务，各任务间相互通讯和耦合控制。2012年9月，广东省农业机械鉴定站对本装备进行性能检测，检测结果表明：目标环境调节时间为128.2 min，氧气浓度信号采集偏差为0.3%，温度信号采集偏差为0.4%，相对湿度信号采集偏差为-5.9%，控制系统氧气浓度响应时间差为0.9 min，温度响应时间差为7.8 min，相对湿度响应时间差为4.4 min，系统设计合理，性能优越。2013年2月，广东省科学技术厅对本装备进行科学技术成果鉴定，鉴定果蔬气调保鲜运输关键技术与装备整体达到国际先进水平，其中气调保鲜环境综合调控系统居国际领先水平。
关键词：气调运输；IxC/OS-Ⅲ；多任务；控制系统
中图分类号：S229 文献标志码：A 文章编号：1002—1302（2016）01—0414—04
气调保鲜控制技术是一种可以综合调节环境温度、相对湿度和气体成分的贮藏保鲜调控方法。国内外学者在气调保鲜控制技术方面进行了深入的研究，主要集中在硬件平台、环境参数特性和集中式控制系统等方面，针对气调控制系统软件和操作系统等内容的研究还比较少。气调保鲜运输技术的发展日益成熟，气调装备的设计与应用也越渐深入，而气调系统的控制较为粗放，急需设计一种稳定、实时处理的控制系统。μC/OS-Ⅲ是一个具有可升级、可固化和基于优先级等特点的实时内核，已广泛应用于工业控制领域。本研究基于液氮充注气调保鲜运输装备相关技术，设计了基于μC/OS-Ⅲ的果蔬气调运输车厢多任务控制系统，并对系统任务的工作流程进行分析，为气调保鲜运输控制系统的研究提供参考。
1果蔬气调运输车厢主要结构
果蔬气调运输车厢由气调、制冷、加湿、通风和控制等系统组成，主要结构框如图1所示。控制系统为嵌入式系统，通过监测厢体内当前的保鲜环境参数（温度、湿度、氧气和二氧化碳体积分数），对比设定值进行运算分析，决策气调、制冷、加湿和通风等系统的工作状态。气调系统由自增压液氮罐、超低温电磁阀、汽化器、进气和排气电磁阀组成，超低温电磁阀通电使液氮由自增压液氮罐以恒定压力流经汽化盘管转变成氮气喷入厢体，开启排气电磁阀实现气体交换，降低厢体内的氧气体积分数；同时开启进气和排气电磁阀，在循环压差的作用下，实现厢体内、外气体的交换，提高氧气体积分数。制冷系统选用机械制冷机组，可实现制冷和融霜功能。加湿系统选用超声波加湿方式，超声波雾化头通电后通过高频振荡将水雾化成细小液滴，提高厢体内相对湿度。通风系统选用直流风机，通电后为厢体提供压差，使气流在厢体内循环流动。
2基于μC/OS-Ⅲ的果蔬气调运输车厢多任务控制系统设计
嵌入式实时操作系统以应用为主要目的，控制嵌入式系统资源的调度、分配和协调并发活动，能极大地提高控制系统的综合性能，具有如下优势：（1）应用程序分解成多任务模块，提高系统的开发效率；（2）多任务独立运行，提高系统的可靠性；（3）多任务协调并发执行，提高系统硬件资源的利用效率。μC/OS-Ⅲ是一个抢占的多任务内核，支持优先级相同的任务轮询调度，可以移植到不同类型的CPU架构，并与应用程序代码一起固化到只读存储器ROM中。μC/OS-Ⅲ提供了实时内核的资源管理、同步和内部任務交流等功能，响应快速的中断源，管理的任务个数不受限制，任务、堆栈、信号量、事件标志组、消息队列、消息数量、互斥信号量、内存分区和定时器等内核对象，可由用户适时分配，优化资源配置。
2.1系统整体结构设计
基于μC/OS-Ⅲ的果蔬气调运输车厢多任务控制系统软件构架如图2所示。利用Micrium移植代码将μC/OS-Ⅲ实时操作系统移植到以STM32为控制核心的控制板上，借助操作系统μC/OS-Ⅲ提供的驱动接口和内部资源，完成外设驱动接口代码，并根据控制系统的目标，生成应用层代码，用以决策系统中各设备的分工及控制要求。
为使应用层代码的结构清晰、任务功能明确和便于实现，将其分成7个工作任务，分别是：（1）数据采集任务；（2）历史数据存储任务；（3）环境参数调控任务；（4）设备工作状态监控任务；（5）人机交互任务；（6）历史数据上传任务；（7）系统调试任务。每个任务在连续自循环中，与其他任务交互信息，分别实现各自的工作目标。各任务问的信息交换过程如图3所示。
2.2系统任务工作流程设计
2.2.1数据采集任务 该任务主要负责采集厢体内保鲜环境和设备工作状态参数，并将其放入预设的全局变量中，以供其他任务查询，具体工作流程如图4所示。数据采集任务接收传感器发送的数据，对该数据进行筛选，筛除因干扰等因素造成偏离真实值的数据，并对数据进行平均值滤波，获取有效数据存入全局变量中。
2.2.2历史数据存储任务 该任务主要负责将系统的工作信息存储到外部FLASH中，便于后续的数据分析、对比和处理，具体工作流程如图5所示。历史数据存储任务通过记录数据存储周期和系统时间，定期并自动存储历史数据，便于操作人员通过选择时间区间调取所需数据。
2.2.3环境参数调控任务 该任务主要负责将厢体内当前的保鲜环境参数（温度、湿度、氧气和二氧化碳体积分数）调控至预设的目标保鲜环境参数，具体工作流程如图6所示。环境参数调控任务通过获取数据采集任务的当前厢体内保鲜环境参数和人机交互任务设定的目标保鲜环境参数等数据，进行数据运算与分析，决策气调、制冷、加湿和通风等系统的工作状态，采用双限值控制策略，使厢体内目标环境参数维持在设定值范围内。
2.2.4设备工作状态监控任务 该任务主要负责电器设备工作状态的监测与预警，实现电气系统在线故障诊断功能，具体工作流程如图7所示。为准确诊断电器设备的工作状态，通过试验确定传感器的合理范围和执行器在不同的工作负荷下的电流大小，绘制电器设备工作参数表，预先存储到系统中。设备工作状态监控任务通过获取电器设备工作参数表中的数据，与当前系统实时采集的传感器和执行器信息进行对比，分析电气系统中各执行器的工作电流是否符合当前工作状态，传感器采集数据是否都在合理范围内。如不在合理范围，则进行声光报警，采取相应限制措施，并及时通知人机交互任务，通过触摸屏清晰、直观地显示故障部件及故障代码。
2.2.5人机交互任务 该任务主要负责显示系统的工作信息和接受相关的控制信息，实现人机之间的交互，具体工作流程如图8所示。人机交互任务通过触摸屏实现显示信息、控制指令和系统时间等内容的实时更新，触摸屏与控制核心STM32采用RS232串口通信协议。
2.2.6历史数据上传任务 该任务主要负责通过串口通讯将存储在外部FLASH中的数据上传至上位机，具体工作流程如图9所示。历史数据上传任务根据操作人员选取的数据记录起始和结束时间，将该时间区间内的所有数据读出到内存中，通过UART通讯接口上传至上位机。
2.2.7系统调试任务 果蔬气调运输控制系统是1个多任务同时运行的多输入、多输出系统，各任务之间相互通讯和耦合，为防止任务冲突，系统外部和内部资源的使用也必须同步。复杂的控制逻辑需要系统具备良好地稳定性、鲁棒性和可靠性，为使系统能更好地运行且便于调试，设计了系统调试任务，主要负责监测系统中其他6个任务的运行情况，并根据其运行状态，采取相应的策略保证系统良好的运行，同时能接受和输出相关的调试信息，提高系统运行性能，具体工作流程如图10所示。
3结论
以气调保鲜运输车厢为试验平台，STM32嵌入式系统为控制核心，引入实时操作系统，设计了基于μC/OS-Ⅲ的果蔬气调运输车厢多任务控制系统，系统包括数据采集、历史数据存储、环境参数调控、设备工作状态监控、人机交互、历史数据上传和系统调试等7个工作任务，各任务间相互通讯和耦合控制。2012年9月，广东省农业机械鉴定站对本装备进行性能检测，检测结果表明：目标环境调节时间为128.2 min，氧气浓度信号采集偏差为0.3%，温度信号采集偏差为0.4%，相对湿度信号采集偏差为-5.9%，控制系统氧气浓度响应时间差为0.9 min，温度响应时间差为7.8 min，相对湿度响应时间差为4.4 min，系统设计合理，性能优越。2013年2月，广东省科学技术厅对本装备进行科学技术成果鉴定，鉴定果蔬气调保鲜运输关键技术与装备整体达到国际先进水平，其中气调保鲜环境综合调控系统居国际领先水平。