基于嵌入式的直投式乳酸菌泡菜發(fā)酵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

柏世兵，趙友貴

(1.重慶城市職業(yè)學(xué)院，重慶 402160；2.重慶工程學(xué)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(fā)酵劑進(jìn)行深加工發(fā)酵而成，具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，同時(shí)能夠?qū)θ梭w腸胃功能進(jìn)行調(diào)節(jié)，促進(jìn)人體微量元素的吸收[1]。泡菜發(fā)酵過程所用發(fā)酵劑主要為液體發(fā)酵劑、深凍發(fā)酵劑以及固體發(fā)酵劑，液體發(fā)酵劑活力不穩(wěn)定，且容易受到雜菌感染；深凍發(fā)酵劑菌種活性高，運(yùn)輸和存儲(chǔ)過程均要求低溫環(huán)境；固體發(fā)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(shè)計(jì)一種直投式乳酸菌泡菜發(fā)酵嵌入式系統(tǒng)，保證泡菜發(fā)酵過程中的環(huán)境參數(shù)需求，同時(shí)縮短發(fā)酵過程，減少人為因素對(duì)泡菜質(zhì)量的影響，提高乳酸菌泡菜的自動(dòng)化發(fā)酵水平。

1 直投式乳酸菌泡菜發(fā)酵系統(tǒng)需求

嵌入式發(fā)酵系統(tǒng)要求能夠?qū)崿F(xiàn)直投式乳酸菌泡菜的自動(dòng)發(fā)酵和半自動(dòng)發(fā)酵，同時(shí)能夠在發(fā)酵過程中進(jìn)行遠(yuǎn)程交互式操作和發(fā)酵過程狀態(tài)參數(shù)監(jiān)控，保證發(fā)酵過程環(huán)境參數(shù)[3]。嵌入式發(fā)酵系統(tǒng)可通過溫度傳感器和壓力傳感器獲取發(fā)酵過程中的相關(guān)物理參數(shù)，控制器可根據(jù)傳感器參數(shù)進(jìn)行發(fā)酵系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，對(duì)人機(jī)交互過程中的響應(yīng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，保證直投式乳酸菌泡菜發(fā)酵過程的順利進(jìn)行[4]。

直投式乳酸菌發(fā)酵系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中要充分考慮系統(tǒng)使用經(jīng)濟(jì)性和使用過程簡(jiǎn)便安全的原則，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行響應(yīng)，在進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，要求系統(tǒng)能夠進(jìn)行多領(lǐng)域擴(kuò)展，滿足發(fā)酵系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定使用。

2 直投式乳酸菌泡菜發(fā)酵系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

通過對(duì)乳酸菌泡菜發(fā)酵過程和系統(tǒng)需求進(jìn)行分析，本文基于嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)一種直投式乳酸菌泡菜發(fā)酵系統(tǒng)，系統(tǒng)總體框架圖見圖1。

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

生物反應(yīng)器是直投式乳酸菌泡菜發(fā)酵系統(tǒng)的核心，主要包含進(jìn)氣模塊、排氣模塊、進(jìn)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(fā)酵系統(tǒng)生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)組成見圖2。

圖2 直投式乳酸菌泡菜發(fā)酵系統(tǒng)反應(yīng)容器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of reaction vessel for the direct vat set lactic acid bacteria pickle fermentation system

生物反應(yīng)容器選用立式壓力容器，頂部安裝觀察和照明設(shè)備，容器內(nèi)壁與外壁之間設(shè)計(jì)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(jìn)入，螺旋上升至保溫層出口，實(shí)現(xiàn)容器保溫功能[6]。

容器進(jìn)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(jìn)行攪拌和容器增壓，惰性氣體用于發(fā)酵過程中的攪拌，同時(shí)將發(fā)酵產(chǎn)生的氣體排出，保持容器內(nèi)部環(huán)境為缺氧環(huán)境[7-8]。在兩路進(jìn)氣管路上均設(shè)置兩級(jí)氣體凈化裝置，提高進(jìn)入容器中的氣體清潔度，管路中設(shè)置不同的閥門用于進(jìn)行氣體通斷控制，傳感器用于為系統(tǒng)控制過程提供過程參數(shù)。

容器內(nèi)排氣模塊包含主動(dòng)排氣支路和被動(dòng)排氣支路，對(duì)發(fā)酵過程中的進(jìn)料進(jìn)行抽真空處理，同時(shí)對(duì)容器中的壓力進(jìn)行平衡[9]。主動(dòng)排氣支路由真空泵和排氣控制閥門組成，在進(jìn)料過程中將容器中的氣體抽出，使容器內(nèi)形成負(fù)壓環(huán)境。被動(dòng)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(duì)容器內(nèi)的壓力進(jìn)行觀察，壓力傳感器可將發(fā)酵過程中容器內(nèi)的壓力反饋至核心控制器，用于發(fā)酵過程參數(shù)監(jiān)測(cè)和發(fā)酵過程自動(dòng)化控制，當(dāng)容器內(nèi)壓力超過設(shè)定值時(shí)，排氣閥打開，氣體經(jīng)過被動(dòng)排氣支路排出[10]。

進(jìn)料模塊主要包含配料箱、主進(jìn)料管、進(jìn)料閥以及兩條副進(jìn)料管。泡菜發(fā)酵系統(tǒng)采用負(fù)壓進(jìn)料的方式，保證在進(jìn)料過程中能夠?qū)Ⅺu水和發(fā)酵原料全部吸入反應(yīng)容器內(nèi)，并且不損壞泡菜外觀[11]。當(dāng)發(fā)酵容器內(nèi)需要進(jìn)料時(shí)，被動(dòng)排氣支路閥門關(guān)閉，主動(dòng)排氣支路閥門、進(jìn)料閥門以及真空泵均打開，此時(shí)容器內(nèi)形成負(fù)壓，發(fā)酵原材料進(jìn)入容器內(nèi)，當(dāng)進(jìn)料結(jié)束時(shí)，主動(dòng)排氣支路閥門、進(jìn)料閥門以及真空泵關(guān)閉。

出料模塊包含容器底部和容器出料口兩條進(jìn)氣支路，利用氣壓進(jìn)行泡菜出料，能夠避免出料過程中機(jī)械機(jī)構(gòu)對(duì)泡菜的損傷[12-13]。當(dāng)需要出料時(shí)，出料口進(jìn)氣支路通入壓縮空氣對(duì)容器內(nèi)的泡菜和鹵水進(jìn)行攪拌，使二者能夠充分混合，同時(shí)防止泡菜在容器底部沉積堵塞出料口。攪拌完成后，反應(yīng)容器底部進(jìn)氣支路通入壓縮空氣，使容器內(nèi)壓力升高，將容器內(nèi)的泡菜和鹵水?dāng)D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(jìn)行分離[14]。

回鹵水模塊用于將過濾分離后的鹵水進(jìn)行回收，節(jié)約菌種數(shù)量，同時(shí)加快泡菜發(fā)酵速率，回鹵水模塊包含回鹵水支路和排水支路，當(dāng)反應(yīng)容器內(nèi)需要回鹵水時(shí)，回鹵水管路閥門和鹵水泵打開，鹵水流入反應(yīng)容器內(nèi)。

乳酸菌泡菜發(fā)酵最佳工藝溫度為26～32 ℃，當(dāng)容器內(nèi)溫度低于最佳發(fā)酵溫度時(shí)，乳酸菌活性降低，發(fā)酵容器采用保溫模塊進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。采用蒸汽加熱的方式進(jìn)行加熱，水蒸氣經(jīng)熱水箱底部進(jìn)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(duì)回水溫度進(jìn)行采集，控制器對(duì)加熱蒸汽溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證反應(yīng)容器內(nèi)的發(fā)酵溫度處于最佳發(fā)酵工藝溫度范圍內(nèi)。

3 嵌入式發(fā)酵系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

直投式乳酸菌泡菜發(fā)酵系統(tǒng)在發(fā)酵過程中通過對(duì)相關(guān)的閥門和電機(jī)進(jìn)行控制，利用相關(guān)傳感器對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程的自動(dòng)化和智能化控制。系統(tǒng)硬件以現(xiàn)場(chǎng)控制器為核心，通過RS232總線進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)交互過程通信，通過RS485總線進(jìn)行遠(yuǎn)程上位機(jī)通信。嵌入式系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖見圖3。

圖3 直投式乳酸菌泡菜發(fā)酵嵌入式系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)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(fā)酵系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制器包含輸入輸出控制電路和信號(hào)采集電路，能夠?qū)ο到y(tǒng)機(jī)械裝置進(jìn)行控制，對(duì)發(fā)酵過程中的各種調(diào)節(jié)控制開關(guān)信號(hào)量進(jìn)行光耦隔離后傳輸至現(xiàn)場(chǎng)控制器，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)控制器不受環(huán)境干擾，對(duì)過程中的相關(guān)模擬信號(hào)先進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)控制器的轉(zhuǎn)換電路輸出相關(guān)電壓信號(hào)，減少電磁干擾對(duì)模擬信號(hào)的影響。

嵌入式乳酸菌泡菜發(fā)酵系統(tǒng)采用三相四線制進(jìn)行供電，利用旋轉(zhuǎn)手柄進(jìn)行控制柜操作，同時(shí)采用QF1、RCD以及SPD進(jìn)行電路保護(hù)。系統(tǒng)采用24 V直流電源對(duì)其中的傳感器、現(xiàn)場(chǎng)控制器以及觸摸屏等進(jìn)行供電，可以有效減少信號(hào)傳輸過程中的電磁干擾，對(duì)系統(tǒng)中的繼電器供電時(shí)采用另一路獨(dú)立24 V電源，防止使用過程中產(chǎn)生的電磁輻射對(duì)信號(hào)產(chǎn)生干擾。

乳酸菌泡菜發(fā)酵系統(tǒng)人機(jī)交互包含使用現(xiàn)場(chǎng)控制器、現(xiàn)場(chǎng)終端觸摸屏以及遠(yuǎn)程上位機(jī)等，其中現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏包含反應(yīng)器、管道、系統(tǒng)閥門以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)等控制，可在觸摸屏上進(jìn)行直觀顯示和控制指令操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有執(zhí)行設(shè)備和部件的控制[15-16]?，F(xiàn)場(chǎng)觸摸屏具有USB傳輸接口、RS232以及RS485等通信接口，能夠進(jìn)行外部擴(kuò)展，同時(shí)與現(xiàn)場(chǎng)控制器之間進(jìn)行相互數(shù)據(jù)傳輸。遠(yuǎn)程上位機(jī)采用RS484通信總線與現(xiàn)場(chǎng)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互傳輸，現(xiàn)場(chǎng)控制器對(duì)系統(tǒng)的所有設(shè)備進(jìn)行控制。遠(yuǎn)程上位機(jī)能夠使操作人員在中控室對(duì)發(fā)酵過程進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)能夠?qū)Πl(fā)酵狀態(tài)參數(shù)以及發(fā)酵歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。

乳酸菌泡菜發(fā)酵系統(tǒng)軟件是按照發(fā)酵過程任務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，軟件進(jìn)行任務(wù)實(shí)現(xiàn)過程中采用線程傳輸?shù)姆绞健Ｈ樗峋莶税l(fā)酵系統(tǒng)主要包含檢測(cè)任務(wù)、自動(dòng)任務(wù)、半自動(dòng)任務(wù)、手動(dòng)任務(wù)以及通信任務(wù)。乳酸菌泡菜發(fā)酵系統(tǒng)軟件整體框架見圖4。

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

4 系統(tǒng)模擬測(cè)試

乳酸菌泡菜發(fā)酵系統(tǒng)設(shè)計(jì)搭建完成后，在執(zhí)行過程中主要包含系統(tǒng)輸入輸出、信號(hào)采集以及系統(tǒng)運(yùn)行過程通信等，因此在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行乳酸菌泡菜發(fā)酵系統(tǒng)模擬測(cè)試。測(cè)試過程中選用9路模擬信號(hào)以及3路開關(guān)信號(hào)模擬測(cè)試平臺(tái)，其中9路模擬信號(hào)包含水箱溫度、反應(yīng)容器溫度、壓力、pH值以及液位，3路開關(guān)信號(hào)包含反應(yīng)器液位開關(guān)以及急停開關(guān)。

乳酸菌泡菜發(fā)酵系統(tǒng)輸入輸出模擬測(cè)試時(shí)，撥動(dòng)模擬平臺(tái)開關(guān)，觀察系統(tǒng)程序運(yùn)行結(jié)果為1或者0；乳酸菌泡菜發(fā)酵系統(tǒng)信號(hào)采集測(cè)試時(shí)，旋轉(zhuǎn)模擬平臺(tái)電位器，觀察系統(tǒng)程序變量變化值和人機(jī)交互界面顯示值；乳酸菌泡菜發(fā)酵系統(tǒng)通信測(cè)試時(shí)，向系統(tǒng)發(fā)送指令代碼，觀察人機(jī)交互界面上閥門和電機(jī)的開關(guān)狀態(tài)。乳酸菌泡菜發(fā)酵系統(tǒng)模擬測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 嵌入式系統(tǒng)模擬測(cè)試結(jié)果Table 1 Simulation test results of embedded system

5 結(jié)論

本文結(jié)合嵌入式系統(tǒng)理論和乳酸菌泡菜發(fā)酵工藝，設(shè)計(jì)一種自動(dòng)化直投式乳酸菌泡菜發(fā)酵系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)功能需求進(jìn)行系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)，按照乳酸菌泡菜發(fā)酵過程中的任務(wù)需求進(jìn)行多線程任務(wù)設(shè)計(jì)。模擬測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)行過程中具有較高的可靠性，能夠快速對(duì)控制指令進(jìn)行響應(yīng)，并且具有較好的系統(tǒng)擴(kuò)展性能。