嵌入式木材干燥监控系统的研究与设计

田仲富　马国勇　黄英来

摘要 介绍了一种嵌入式木材干燥监控系统的原理与设计。该监控系统以嵌入式微处理器为核心，它将干燥过程中实时采集到的干燥窑内温湿度参数和预设值进行对比，并按照一定的干燥基准，向相关的执行部件发出控制命令，从而实现对木材干燥过程的全自动控制。通过实际应用证明，该系统运行稳定，且干燥效率明显提高。

关键词 木材干燥；嵌入式微处理器；监控系统

中图分类号 S781.71 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）03-00816-02

Abstract The principle and design of an embedded wood drying control system was introduced， the monitoring system based on embedded microprocessor as the core， it will dry kiln temperature and humidity parameters real-time acquisition to the drying process and preset values were compared， and in accordance with the drying schedule certain， control commands were issued to related execute component， so as to realize the automatic control of wood drying process. Through practical application， the system is stable， and the drying efficiency is improved obviously.

Key words Wood drying； Embedded microprocessor； Monitoring system

木材是人类社会较重要的经济资源。木材干燥可以使木材的各种特性得到良好的体现，另外，对于木材的加工、利用及存储都有着重要的实际意义。但是，由于木材自身的各向异性及干燥系统的复杂环境特性等因素，致使木材在干燥过程中容易出现一些如变形、开裂及皱塌等缺陷，进而使木材的材质下降甚至无法利用。目前，我国木材干燥监控系统的控制大多为手工或半手工操作模式，利用微机控制的全自动木材干燥监控系统只占实际应用的一小部分。随着计算机技术的普及，在木材干燥过程中采用PC机对其进行科学、合理的控制，是提高木材干燥质量和干燥效率的最有效方案。笔者对木材干燥的原理进行认真研究后，提出了一种嵌入式木材干燥监控系统。该系统具有友好的人机交互界面，运行安全稳定，工作效率高等特点[1-2]。

1 系统硬件设计

系统的硬件结构如图1所示。主要由嵌入式微控制器、干燥窑、环境参数检测模块、控制模块以及执行模块等部分构成。该系统的关键部分即嵌入式微处理器，可按照不同的树种和具体的干燥要求，自动选取最优的干燥基准。在监控过程中，通过环境检测模块来检测干燥窑内的湿度、温度以及木材的含水率、含水率梯度等，信号经多路模拟开关转发给嵌入式微处理器，嵌入式微处理器将其所得的多个实时信号进行处理，同时与干燥基准进行对比，最后根据比较结果对控制模块发出具体指令，由执行模块对相关阀门的开/关状态进行调节，实时地监控与检测干燥窑内环境的动态，在保证木材干燥质量的前提下，以低能耗、短周期以及优质量的标准完成木材干燥的全过程[3]。另外，嵌入式微处理器所获得的干燥工艺参数可随时调出，并可形成工艺曲线的形式，以方便操作人员总结经验，从而为今后的干燥工作制定出更好的干燥基准。

该系统可以在从机及单机2种工作模式下进行相互切换。当其工作在从机模式下时，能够将其获得的数据实时地上传到监控主机，还可以中断的方式来接收监控主机发来的参数设置或相关控制等命令。与此同时，它还完成单机工作模式下应完成的任务。在单机工作模式下，其能独立完成干燥监控的所有任务。系统能够在这2种工作模式下进行相互切换，极大地增加了其工作的靈活性。

2 参数检测

2.1 干燥窑温湿度检测

因为木材干燥窑内的湿度及温度变化都很大，干燥环境长期处在高湿、高温的状态下，但在干燥过程中能够准确检测及调节温、湿度是关键的环节[4]。所以，在全面考虑了实际环境及干燥质量需求等因素的情况下，该监控系统采用以COMS过程微加工技术而制成的数字温湿度传感器HS501进行温度和湿度的检测。HS501是一款温度、湿度复合的耐腐蚀型传感器，其能够提供经过校准的数字信号。使用该传感器能够充分地保障该监控系统的可靠性和稳定性等方面。

2.2 含水率的检测

目前，木材含水率的检测方法主要有：电容法、微波法、称重法以及电阻法等4种。在综合考虑了各种检测法的优缺点后，该系统采用电阻法测量木材的含水率。在检测过程中只需在木材中钉入探针即可，可充分利用木材的含水率和其电阻率之间的线性关系进行在线测量，可直接读出含水率数值[5]。但是，值得注意的是木材的电阻率受温度的影响较大，而且木材的含水率和电阻率之间的关系受树种的影响也有较大的差异，因而在木材含水率的测量过程中，必须对温度和树种进行适当的校正。

2.3 平衡含水率的检测

木材的平衡含水率是干燥介质的温湿度函数，即用木材平衡含水率来表示干燥介质的状态。在木材干燥时，其含水率梯度是平衡含水率关键的驱动势。该文利用电测法来检测木材的平衡含水率[6-7]。它的检测原理同电阻法木材含水率检测仪相似，即在2个具有一定距离的电极之间夹持1个尺寸固定的纸浆板试片，纸浆板含水量的变化是通过测量2电极之间的电阻值来反映的。最后把含水率的数值用电信号的方式传递给嵌入式微处理器，微处理器能够按照此值进行后续的计算和控制。

3 系统软件设计

该监控系统采用模块化设计思想进行设计，主要包括：主程序模块、监控模块、通讯模块、信号处理模块、控制模块以及通用子程序等模块组成。系统软件的开发是利用嵌入式Linux C语言编写的，该种语言具有丰富的库函数、编程效率高、占用资源少以及代码移植性好等特点[8]。

主程序模块主要实现硬件及内存的初始化，中断资源的分配及中断服务程序的调度等功能，其流程如图2所示。

监控模块完成相关参数的采集、显示及控制监控主机操作等功能。主要包括采集子程序、显示子程序、中断服务子程序、系统时钟子程序以及采集定时子程序。

通讯模块主要完成监控现场微处理器与监控主机以及与木材干燥窑的通讯功能。

信号处理模块完成把输入/输出嵌入式微处理器的信号量进行相应的滤波、线性化处理以及数模转换等工作。其主要由查表子程序、滤波子程序、数模转换子程序以及含水率、平衡含水率计算等子程序构成。

控制模块主要完成控制实时数据的采集、显示、加工處理，人机信息交换，系统控制过程的实时监控，数据的汇总、存储，工作图形曲线的绘制，数据管理和分析等功能。

通用子程序主要完成基本的算数运算和不同进制数据之间的转换等功能。

4 结语

该嵌入式木材干燥监控系统较其他现有的木材干燥监控系统具有以下优势。

（1）该系统采用嵌入式技术开发，充分利用了嵌入式开发板的片上资源，所以其较以往基于单片机开发的木材干燥自动监控系统具有较强的实时性、可靠性。

（2）系统的控制模块采用了自适应的PID控制算法，能

够使整个系统的控制精度得到较大程度的提高。

（3）在系统中增加了报警模块，并设有4种报警功能，即平衡含水率（EMC）高报警、平衡含水率低报警、温度（T）高报警、温度低报警，从而使系统的安全性得到了增强。

（4）该系统具有较好的人机交互界面，便于使用人员操作。

（5）系统的开发成本也较传统的木材干燥自动监控系统低很多，有很好的价格竞争优势。

通过该系统的实际运行情况来看，该系统能对干燥窑内环境参数与含水率进行实时监测和控制，干燥过程安全稳定，木材的干燥质量和干燥效率得到了明显的提高，避免了干燥过程中由于控制不当而导致的木材变形、开裂及皱塌等缺陷。

参考文献

[1] 谢拥群.我国木材干燥技术与研究动态[J].干燥技术与设备，2009，7（4）：147-152，158.

[2] 李丹阳.基于CAN总线的木材干燥系统的设计与实现[D].长春：吉林大学，2012：1-6.

[3] 常建民.木材干燥全自动控制系统的研制[J].北京林业大学学报，2003，25（2）：72-75.

[4] 陈海生，洪添胜，吴伟斌，等.温室温湿度的远程监控系统[J].农机化研究，2005（4）：124-127.

[5] CHEN G C，ZHANG L，HAO N M，et al.Application of neural network PID controller in constant temperature and constant liquid-level system[J].Micro-computer Information，2003， 19（1）：23-24.

[6] 陈国华.木材干燥远程监控服务系统的研究[D].北京：北京林业大学，2006：6-10.

[7] 韩冰，于非.现场总线控制系统应用实例[M].北京：化学工业出版社，2006：30-36.

[8] LIU Y X，LI S F，SONG Y Q. Application of can-bus in embedded vehicle body control system[C]//Information Engineering， 2009. ICIE'09. WASE International Conference，2009：261-264.