基于ARM的园林废弃物微型发酵翻动机系统的设计

封培波，李祥英

（1.安丘市园林环卫中心，山东 安丘 262100；2.山东农业大学，山东 泰安 271018）

0 引言

在我国大部分城市，由于城市绿化面积不断增加，导致园林绿化废弃物数量巨大且逐年增长，城市园林生物垃圾的再利用问题已被高度重视，目前国内上海、北京、广东等发达地区，建立了园林绿化废弃物处理场，主要采用人工收集、集中运输、基地集中发酵处理、返还绿地等处理过程，但是作为公益性的项目，前期投入大，运行费用高，在贫困地区尤其是中小城市很难推广。因此在公园及较大绿地的背侧或者在不占用城市工业用地的前提下建造一个安全性高、易操作、且发酵后就地返还绿地、不用运输的微型发酵翻动机系统十分必要。

目前市场上也存在一些基于PLC 的微型发酵翻滚机自动控制系统，但造价相对比较昂贵，不利于大规模普及[1-2]。相比于PLC 等其他控制系统，采用嵌入式ARM 芯片集成的控制系统具有高集成度、高稳定性，且成本更为低廉，已被广泛应用于工业控制设备、通信设备等领域。本文基于ARM 芯片给出一种低成本、高效率、高精度的微型发酵翻动机电控系统来提高发酵设备自动化水平和精度，从而满足城市园林发展的废弃物再处理需求[3]。

1 系统方案

1.1 系统结构模型

发酵翻动机电控系统安装在发酵池上，主要功能是实现发酵翻动机的现场控制，并将现场工作参数发送至远程数据中心。上行数据流向为：开关量传感器通过DI（数字输入端口）或者模拟量传感器通过AI（模拟输入端口），把数据传输至发酵翻动机控制系统，发酵翻动机电控系统对传感器数据进行分析、存储和预处理，并将数据打包发送至远程数据中心；下行数据流向为：本地按键控制信号传输至发酵翻动机控制系统，系统对控制信号进行解析，并通过DO（数字输出端口）管脚输出高低电平，对现场设备进行控制，或者远程数据中心下发命令至发酵翻动机控制系统，系统对控制命令进行解析，并通过DO（数字输出端口）管脚输出高低电平，对现场设备进行控制，系统总体结构如图1 所示。

图1 系统总体结构

由于现场传感器和控制设备类型较多，如模拟量输出的温度传感器、湿度传感器等；数字量输出输入的限位开关、电磁阀、电机等。为提高系统的扩展性，发酵翻动机电控系统针对现场采集和控制设备，提供多种多路模拟量采集接口和数字量I/O接口，其中数据信息采集接口分AI 和DI 2 种类型，通过有线方式采集传感器数据。一般电机等开关设备通过DO 来实现，对有调速要求的电机则采用变频器驱动，并通过串口连接变频器，实现对电机的控制[4]。为了避免现场布线难等问题，发酵翻动机电控系统通过4G 网络将数据传输至远程监控中心。

1.2 工作原理

发酵翻动系统控制对象包含搅拌装置、喷洒装置、滑轨装置。搅拌装置的作用是使发酵菌种充分融合、园林废弃物发酵过程中产生的热量及时散出；喷洒装置主要作用是控制喷头进行喷洒，以调节发酵物的湿度、酸碱度及降温；滑轨装置是为搅拌装置提供移动的动力和方向；最后在发酵池侧壁上安装温度和湿度传感器，可实时监测工艺参数的变化[5]。

发酵翻动机电控系统有本地和远程2 种方式工作[6-8]，可通过模式按键进行选择，具体原理为：①本地方式。在任意时刻，管理人员都可以根据按键模块来启动或停止发酵翻动机系统进行工作。也可以为喷洒时间、搅拌时间、环境温度、湿度等参数设置目标，让发酵翻动机自动运行[9]；②远程方式。在任意时刻，远程数据中心可以通过命令远程控制发酵翻动机的启停，并通过远程参数设置目标喷洒时间、搅拌时间、环境温度、湿度让发酵翻动机自动运行[9]，远程操作期间，发酵翻动机会实时上报当前工作参数，当实际参数越界时，还会向远程中心进行报警。上述2 种方式都支持现场急停操作。

2 系统软硬件设计

2.1 电控系统硬件

电控系统围绕高可靠性、实时性和便捷性进行硬件设计，如图2 所示，基于ARM 的发酵翻动机电控系统主要由处理器模块、采集模块、控制模块、按键模块、无线通信模块、显示模块和能量供应模块7 部分组成[10]。

图2 电控系统结构

1）处理器模块采用意法半导体32 位Cotex-M4核芯片STM32F407ZE，该芯片有144 引脚，可以为系统提供至少100个控制点数；其次该芯片主频为168 MHz，可以保证各种实时信号处理的时效性；此外多达15个通信接口也为系统连接数字外设和扩展提供了更多的选择，如通过IIC 接口可以连接IIC 接口的数字传感器。

2）采集模块负责监测区域内信息的采集和数据转换，急停等DI 数字信号通过设置I/O 中断状态获取；温度和湿度模拟信号则是通过STM32F407ZE 自带的12 位ADC 进行采集和转换。

3）控制模块主要通过DO 输出进行控制，控制对象分电磁阀和电机，DO 管脚与控制对象之间通过继电器进行隔离；针对三相异步电机，系统通过串口连接变频器进行转速和方向的控制。

4）按键模块，系统提供了模式选择按钮、数字键盘、启停等按钮方便工作人员进行现场操作。

5）无线通信模块采用4G 通信模组进行数据传输，通过串口与处理器连接，最高传输速率可以达到100 Mbps，完全满足系统需求。

6）显示模块采用触摸屏模组，通过串口与处理器连接，触摸屏可通过软件进行编辑，界面信息主要包括数字键盘、单个模块的启停按钮、运行参数显示和错误信息显示等。

7）能量供应模块采用220 V 转24 V、220 V 转12 V、220 V 转5 V 的适配器，为系统各模块提供稳定电源。

2.2 电控系统软件

电控系统软件分3个层级，分别为应用层、系统层和驱动层。

驱动层位于整个软件的底层，分键盘驱动、串口驱动、ADC/DO 驱动、通信驱动和电机驱动5个部分，各部分实现内容如下。

1）键盘驱动通过中断方式获取键盘的状态。

2）串口驱动提供2 种驱动类型，分别连接触摸屏和变频器2 类设备，本系统中串口全被设置成中断接收方式，分别按照2 款设备通信协议双向解析数据。

3）电机驱动，根据控制逻辑通过DO 口控制电机进行动作，并通过DI 采集电机运行的限位开关的状态，当限位生效时立即控制电机停止工作。

4）通信驱动，通过串口控制4G 模块进行数据的收发，在此期间串口被设置成中断模式。

5）ADC/DO/DI 驱动中，ADC 按1 s 定时循环采集温湿度数据；DO 通过设置I/O 管脚输出高低电平实现；DI 的管脚也被设置成中断状态，实时监测连接到DI 管脚上限位开关的状态变化。

系统层采用开源的FreeRTOS 操作系统，利用其实时、可靠、可抢占优先级调度任务的特点，保证电控系统软件的可靠性和时效性。

应用层则包含人机交互、电控逻辑和中断处理3个模块：首先人机交互提供了3 种交互方式，分别为本地键盘、本地触摸屏和远程命令，本地键盘和本地触摸屏是最主要的交互方式，提供了设备总启停、单个设备启停、模式切换、急停、数字键盘多种功能，工作人员可根据触摸屏上的显示参数直观了解现场发酵翻动机运行情况，而远程命令则是键盘和触摸屏的有益补充，其可以实现除急停外的所有控制命令，适合无人值守的场景，便于工作人员管理；电控逻辑则是一系列工作参数，电控系统可根据这些工作参数启停相应设备，并在温湿度越界时报警并及时停止设备运转；中断处理软件中，及时记载了各种事件发生的标志，并将标志分发到具体任务进行处理，如急停、限位、远程命令、按键等事件。电控系统软件架构如图3 所示。

图3 电控系统软件架构

2.3 系统安全

系统安全体现在软硬件设计的各个方面，同时还兼顾了系统的实时性和稳定性。

1）系统增加急停开关按钮，急停开关物理与动力电缆连接，当急停按下时，动力电缆切断，电机停止工作，确保现场人员安全。

2）在轨道尽头安装限位开关，确保电机运动时不会脱离轨道范围。

3）软件设计时引入优先级可抢占的实时操作系统FreeRTOS，确保限位开关、急停信号能及时获取并处理。

4）键盘、触摸屏和远程命令的接口全部设置成中断触发方式，并给予高优先级,确保人工交互的快捷性。

5）系统与远程监控中心通信中，接收到命令后都会发送ACK 进行确认。

6）电源部分增加漏电保护装置，系统中弱电与强电接口采用电气隔离。

3 验证与性能分析

3.1 系统试验

系统在山东省安丘市进行了调试试验。发酵池选址在安丘市青云植物园，长度6 m，宽度5 m，内置2个酵池，为了冬季保温，向地下延伸 0.8 m，如图4 所示。堆肥材料为安丘城区内产生的枯枝落叶及修剪留下的树枝、草屑、枯叶等，枯叶粉碎后粒径为0.5～2.0 cm，草屑长度为5～10 cm。菌剂是自制菌剂，堆积温度控制在65 ℃以内，湿度控制在50%，草木比例为2 ：1。历经半月时间，系统产出腐熟园林基质30 m3，生产效率较人工模式有很大的提高。

图4 现场照片

自2019 年12 月至2022 年5 月，系统已稳定运行2 年半，期间出现过1 次因杂质卡住链条的情况，在系统报警后，工作人员拆除链条进行了清洗和加油润滑，除此之外，系统未出现过重大故障。

3.2 试验数据分析

自2019 年12 月至2022 年5 月期间截取3 段原始数据，如表1 所示，数据实时记录了不同温湿度环境下系统的输入水、输入辅料、产出质量的情况。以上数据统计分析表明：①系统能稳定工作，可靠性比较好，发酵效率一直保持在95%左右；②相对人工和半机械发酵，发酵效率有了显著的提高。

表1 现场数据

4 结论

1）设计的基于ARM 的园林发酵翻动机电控系统，降低了成本，使搅拌更为充分，减少了发酵时间，实现了现场自动发酵，并与移动终端相结合，具有较好的实用价值和应用前景。

2）本研究设计的系统结构模型合理，软硬件设计可行，降低了发酵成本，试验表明，本系统装置可以满足城市园林发展的废弃物处理的实际需求。