Sensör tabanlı akıllı çözdürme için optimize edilmiş kontrol sistemi
Sensor based optimized control system for smart thawing
Yazar: HAKAN ALTUNTAŞ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ALİ FUAT ERGENÇ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering
Dizin: Akıllı denetim = Intelligent control ; Algoritmik çözümler = Algorithmic solutions ; Elektrikli algılayıcılar = Electrically sensors ; Isı denetimi = Heat control ; Kızılötesi algılayıcılar = Infrared sensors ; Otomatik denetim sistemleri = Automatic control systems

Özet:
Günümüzde gıdaların kalitesi ve sağlığı insan sağlığını doğrudan etkileyen faktörlerin başında geldiği için oldukça ilgi görmektedir. Bu eğilimle birlikte gıdaların saklanması, uzun süreler tazeliğini koruyarak depolanması da önemli konular arasındadır. Geçmişten bu yana gerek gıdaların mevsimselliği, gerekse günlük yaşamı kolaylaştıran sebeplerle uzun süreler boyunca sağlıklı bir şekilde saklanabilmesi için dondurularak, kürlenerek ya da soğuk ortamlarda muhafaza edilerek saklanmaktadır. Geleneksel olarak en yaygın yöntem gıdaların dondurularak saklanması yönündedir.
Bu süreçte taze gıdanın kalitesinin tüketilme zamanına dek aynı kalması, kalite kaybına uğramaması ve mikrobiyolojik oluşumların engellenmesi arzu edilmektedir. Gıdaların saklanması, soğutulması ve tüketilme döneminde çözdürme süreçleri mikrobiyolojik oluşumlar ve kalite kayıpları sebebiyle kritik süreçlerdir. 
Dondurarak saklama sürecinde gıdanın tüketilme dönemine varıncaya kadar üç ayrı önemli aşamadan geçmektedir. Saklanacak olan gıda ilk aşamada taze iken dondurulmaktadır. Dondurulan gıdanın çözdürüleceği ana kadar ise sabit sıcaklıkta ve iklim ortamı değişken olmayan alanlarda saklanmalıdır. Son aşamada ise tüketilecek olan gıda farklı yöntemlerle çözdürülmektedir. Bu üç ayrı aşama içerisinde gıda üzerinde en fazla etkiye sahip olan süreç çözdürme aşamasıdır. İlk aşamada taze gıda dondurulurken sıcaklığın hızla düşüşüne bağlı olarak mikrobiyolojik oluşum ortamı sağlanamadığından gıda üzerinde fiziksel ve kimyasal değişimler ciddi seviyelerde değildir. Ancak son aşama olan çözdürme sürecinde bu durum tam tersi hal almaktadır. Kontrolsüz ve standartlara uygun olmayan yöntemler ve şartlar altında gerçekleştirilen çözdürme işlemlerinde sıcaklığın artmaya başlamasıyla gıdadaki kimyasal ve fiziksel değişim eğilimi artmakta kalite kayıpları hızlanabilmektedir. Ulusal ve uluslararası sağlık örgütlerinin duyurduğu dondurulmuş gıda çözdürme standartlarına uygun yapılan çözdürme işlemleri sonucunda ise taze gıdaya oldukça yakın sonuçlar elde edilebilmektedir. Bu sebeple gıda üzerinde kritik öneme sahip çözdürme sürecinin kontrollü bir şekilde tamamlanması gerekmektedir.
Bu çalışma ile dondurulmuş etlerin, ilgili ulusal ve uluslararası sağlık standartlarına uygun bir şekilde ve en kısa sürede çözdürülmesini sağlayacak akıllı bir sistem tasarımı amaçlanmış ve çalışılmıştır.  Bu sistem buzdolabı içerisinde bir bölme olacak şekilde tasarlanmıştır. 
Dondurulmuş etlerin çözdürülmesi için farklı yöntemler mevcuttur. Bu yöntemlerin birbirlerine göre çeşitli avantaj ve dezavantajları bulunmaktadır. Bu çalışma için buzdolabına bütünleşik bir bölmenin maliyet ve uygulama fizibilitesine en uygun yöntem doğrudan ve dolaylı ısı iletimi ve zorlanmış hava taşınımı ile çözdürme olduğuna karar verilmiş bu yönde çalışılmıştır. 
Çözdürme yönteminin belirlenmesinden daha kritik konu ise dondurulmuş gıdanın çözündüğü anın tespitidir. Standartlar ve literatür dondurulmuş gıdaların merkezinin 1°C sıcaklığa ulaştığında çözünmüş olduğu bilgisini vermektedir. Bu amaçla çözdürme yapılırken merkez sıcaklığının bilinmesi yani çözündü kararının verilmesi gerekmektedir. Aksi halde zamanında sonlandırılmayan çözdürme süreçlerinde gıda üzerinde bozulmalar ve değişimler meydana gelmektedir. Erken sonlandırma durumlarında ise yer yer çözülmemiş bölgeler kalmaktadır. Gıdanın en doğru zamanda çözündüğü anın algılanması amacıyla algılama yöntemi kritik hale gelmektedir. Benzer şekilde gıda kalitesi ve güvenliği için çözdürme süresince yüzey sıcaklıklarının 15°C'nin üzerine çıkmaması gerekmektedir. Bu kontrol kısıtları altında en doğru algılama yönteminin belirlenmesi için farklı sensörler ile çalışmalar yapılmıştır.
Daha öncesinde buzdolabında hızlı soğutma bölmesi olarak kullanılan bir bölme üzerinde ısıtıcı, fan ve sensörler yerleştirilecek şekilde yeni tasarımlar yapılmıştır. Yapılan tasarımlarla en uygun yöntemin belirlenmesi amacıyla prototipler hazırlanmıştır.  Hazırlanan prototoipler üzerinde farklı güç kademelerinde sürülebilen 60 watt gücünde ısıtıcılar yerleştirilmiş üzerine ise homojen ısı yayılımı sağlamak için metal plaka koyulmuştur. Bölme içerisinde tabandan ısıtma yapılırken aynı zamanda bir fan yardımıyla hava kanalı üzerinden kapalı döngü hava akışı sağlanmıştır. Dondurulmuş gıda üzerinden geçen ve sıcaklığı düşen havanın dengesini korumak amacıyla hava kanalı üzerine 10 watt gücünde ısıtıcı yerleştirilmiştir. Bu şekilde yerleştirilen etin tabandaki metal plaka ve hava akışı ile çözdürülmesi amaçlanmıştır. 
Çözdürmenin algılanması amacıyla prototip üzerinde tavana gıdayı görecek şekilde kızılötesi sıcaklık sensörleri yerleştirilmiştir. Bu sensör görüş alanı içerisindeki bölgeyi 4X16 piksel olacak şekilde 64 noktaya ayırıp yüzeyin sıcaklık dağılımını vermektedir. Bu sensörler en uygun yerleşim bölgesinin tespiti için farklı açılarla farklı noktalara üç adet yerleştirilmiştir. 
Çözdürme işlemi boyunca kabin içerisindeki bağıl nem sensörler aracılığıyla takip edilmiştir. Bu nem değeri ile paketin çözünme süreci arasındaki ilişki incelenmiştir.  Paket üzerinden geçen havanın girişi ve çıkışı üzerine yerleştirilen nem sensörleri ile havadaki bağıl nem değişimi kaydedilmiştir.
Son olarak kabin içerisine uçucu organik bileşenleri (VOC) takip edecek gaz sensörü yerleştirilmiştir. Bu VOC sensörü ile etin çözünürken kabin içerisinde meydana gelebilecek gaz yoğunluğu değişimi ile çözünme noktasının algılanması amaçlanmıştır. 
Ayrıca kabin içerisindeki tüm termal dağılımın çıkarılması için farklı noktalara ızgara şeklinde ısıl çift sensörler yerleştirilmiştir.
Tüm bu sensör verilerin toplanacağı ve ısıtıcıların kontrollü olarak sürüleceği bir anakart devresi tasarlanmıştır. Bu devre üzerinde sensörlerin sürülmesi, ısıtıcıların kontrol edilmesi ve toplanan verilerin analizinin yapılabilmesi için ana bilgisayara göndermesinin sağlayacak 8-bit mikrokontrolör bulunmaktadır.
Sistem yardımcı cihaz ve donanımlarıyla çalışır hale getirilip kontrollü çözdürme deneyleri planlanmıştır.  Dondurulmuş paketlerin merkezine ve tabanına yerleştirilen sıcaklık sensörleri ile deneyler yapılmış veriler ana bilgisayar üzerinde bir model oluşturabilmek amacıyla kaydedilmiştir. Deneyler esnasında paket merkez sıcaklığı 1 °C'ye gelinceye kadar, taban sıcaklığı 15°C'yi geçmeyecek şekilde ısıtıcılar sürülerek çözdürme işlemi yapılmıştır.
Kaydedilen veriler MATLAB ortamında model oluşturmak amacıyla işlenmiştir. İlk olarak nem sensörü verileri incelenmiştir. Dondurulmuş paketin yerleştirilmesinin ardından kabin içerisindeki bağıl nem çözünme başlangıcına kadar düşmekte, çözünme başladıktan sonra ise artma eğilimi göstermektedir. Yapılan tüm deneylerde benzer sonucun görülmesi bu tepe değeri ile çözünme hakkında bilgi verilebileceğini ortaya koymuştur.
Bir diğer sensör olan VOC gaz yoğunluğu verileri incelendiğinde ise etin yerleştirildikten sonra çözünmeye başlayana dek bir değişim görülmemiştir. Ancak çözünme başladıktan sonra etin kabin içi gaz yoğunluğunu değiştirdiği görülmüştür. Bu sensörün buzdolabındaki yoğun VOC seviyelerinde doyum noktasına ulaşıp algılama yapmadığı görülmüştür. Bu sebeple elverişli bir algılama yöntemi olmadığı anlaşılmıştır.
Son olarak temassız yüzey sıcaklığı ölçen kızılötesi sensör verileri incelenmiştir. Bu sensör kabinin alt yüzeyini görecek şekilde yerleştirilmiştir. Bu veriler ile paketin merkez sıcaklığının ve taban sıcaklığının tahmin edilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla sistemin matematiksel modelinin ifade edilebilmesi için olasılıksal yöntemler kullanılmıştır. Deney başlangıcında kabin içerisindeki sıcaklık dağılımı çıkarılıp bir sıcaklık seviyesi belirlenmektedir. Ardından yerleştirilen paket bu sensör ile daha önce belirlenen seviyeye göre tespit edilmektedir. Toplanan sensör verilerinde paket yüzeyi ve geriye kalan taban yüzeyi sıcaklıkları sınıflandırılmaktadır. Dışarıdan etkiyecek olası bozucular ve ortamdaki ortak gürültünün temizlenebilmesi için paket yüzeyi sıcaklıkları ve geriye kalan sıcaklıkların medyan değerlerinin farkı alınmaktadır. Elde edilen değer ile paket merkez sıcaklığı ve taban sıcaklığı arasındaki matematiksel ilişkinin ortaya konulması amaçlanmıştır. Bunun için bu değerin normal dağılım gösterdiği varsayımında bulunulmuştur. Bu varsayım ile paket merkez sıcaklığı ve taban sıcaklıklarının bu medyan değeri ile olan ilişkisi olasılıksal yöntemler ile açıklanmıştır. Ardından bu varsayım çeşitli olasılıksal testler ile sınanmış ve aykırılığı görülmemiştir. Nihai olarak alınan yüzey sıcaklıkları ile çözünme kararı verilip sistemin doğrulaması yapılmıştır.

Abstract:
Nowadays, the quality and the health of foods get attention, because they are leading factors that directly affect human health. With this tendency, keeping the foods and storing them by protect their freshness for a long time are also important topics. Since the past, to be stored the foods in a healthy way, they are kept frozen, cured or preserved in the cold environments, the reasons of the season ability of foods and making the life easier. Traditionally, the most common method is the freezing of foods.
In this process, it is desirable that the quality of the fresh food remains the same until the time of consumption, that it is not subject to quality loss and that microbiological formations are prevented. The processes of the storing the foods, refrigerating them and thawing them during consumption are critical due to microbiological occurrences and quality losses.
There are three important stages in the freeze storing process until the consumption of the foods. In the first stage, the food to be stored is frozen when it is fresh. Until the frozen food is to be thawed, it should be stored at a constant temperature and in a non-volatile environment. In the last stage, the food to be consumed is thawed by different methods. The thawing process has the most influence on the food in three separate stages.
In the first stage, the physical and chemical changes on the food are not at a serious level since the microbiological environment is not established due to the rapid decrease of the temperature while the fresh food is frozen. However, this is the exact opposite of the final stage which is the thawing process. As the temperature starts to increase during this thawing process under the conditions that uncontrolled and non-confirming methods and standards, the trend of chemical and physical change in the food increases and quality losses accelerate. As a result of the thawing processes in accordance with the frozen food thawing standards announced by national and international health organizations, very close results can be obtained with fresh food.  For this reason, the thawing process which has the critical prescription on the food must be completed in a controlled manner.
The aim of this study is to design a smart system that will enable frozen meat to be thawed in the shortest time and in accordance with the relevant national and international health standards. This system is designed to be a compartment within the refrigerator.
There are different methods for thawing frozen meats. These methods have several advantages and disadvantages relative to each other. For this study, it was decided that the most suitable method for the cost and application feasibility of a partition to be integrated in the refrigerator is to thaw it by direct and indirect heat conduction and forced air convection.
The more critical issue than the thawing method is the detection of the moment when the frozen food is thawed. Standards and literature provide the information that frozen foods is thawed when the temperature of their center is at 1 °C. For this purpose, it is necessary to know the central temperature and to decide whether the food is thawed or not. Otherwise, deterioration and changes on the food will occur in the thawing processes which are not terminated on time. In early terminations, unthawed regions remain on food. The sensing method becomes critical in order to detection the time when the food thaws at the right time. Similarly, for food quality and safety, surface temperatures should not exceed 15 °C during thawing. Under these control constraints, different sensors are used to determine the most accurate detection method.
Previously, new designs were made to mount on heaters, fans and sensors on a compartment used as a quick cooling compartment in the refrigerator. Prototypes are prepared to determine the most appropriate method with the designs made.
On the prepared prototypes, heaters are placed in 60 watt power which can be driven in different power stages, and a metal plate is put on to provide homogeneous heat dissipation. While the basin is heated in the compartment, closed loop air flow is provided through the air duct by a fan.  In order to maintain the balance of the air passing through the frozen food and falling in temperature, a heater was mounted on the air channel with 10 watts. The meat placed in this way is intended to be thawed by the metal plate and air flow in the chamber.
The aim of the detection of thawing, infrared temperature sensors are mounted on the upper surface of the prototype as the food can be seen. This sensor divides the area in the field of view into 4x16 pixels and 64 dots, gives the surface temperature distribution. These sensors are placed in three different spots at different angles for the detection of the most suitable settlement area.
The relative humidity in the cab throughout the thawing process are monitored via sensors. The relationship between this humidity value and the package thawing process is examined. Humidity sensors placed on the inlet and outlet of the air passing through the package and the relative humidity change in the air are recorded.
Finally, a gas sensor is placed in the cab to follow volatile organic compounds (VOC). With this VOC sensor, it is aimed to detect the point of thawing by changing the gas density which can occur in the cabin while the meat is thawing.
In addition, to eliminate the entire thermal distribution in the cabin, two pairs of temperature-doubled sensors that are in the form of grid are placed.
A mainboard circuit is designed to collect all these sensors data and drive the heaters in a controlled way. There is an 8-bit microcontroller on this circuit that will enable to drive the sensors, to control of the heaters and to analysis of the collected data.
After the system is made operational with auxiliary devices and equipment, controlled thawing experiments are planned. Experiments with temperature sensors placed at the center and bottom of the frozen packages were recorded to make a model on the host computer. During the tests, the food is thawed until the package temperature reaches 1 °C and the base temperature do not exceed 15 °C by driving heaters.
The recorded data is processed to create a model in the MATLAB environment. First, the humidity sensor data is analyzed. After placing the frozen package, the relative humidity in the cabin drops to the beginning of the thawing, which tends to increase after the thawing starts. Similar results are observed in all experiments and it is revealed that this peak value can give information about thawing.
There is no change until the thawing begins after the meat has been placed, when gas density data is examined via VOC, another sensor, However, after the start of the thawing, the meat changes the gas density in the cabin. t has been observed that this sensor does not detect and reach the saturation point in the intensive VOC levels in the refrigerator. For this reason, it is understood that there is no convenient method of detection.
Finally, infrared sensor data measuring non-contact surface temperature has been studied. This sensor is positioned as it can see the bottom of the cabin. It is aimed to estimate the center temperature and base temperature of the package with this data.  For this purpose, probabilistic methods have been used to express the mathematical model of the system.At the beginning of the test, the temperature distribution in the cabinet is derived and a temperature level is determined.  After the package is placed, it is detected with this sensor according to the previously determined level. In the collected sensor data, package surface and remaining surface temperature are classified. The difference between the package surface temperatures and the median values of the remaining temperatures is taken in order to be able to clean out the possible impacts from the outside and the common noise in the environment.  It is assumed that the value obtained is aimed to reveal the mathematical relationship between the package center temperature and the base temperature. It has been assumed that this value has a normal distribution for this purpose. With this assumption, the relation between the package center temperature and the base temperatures with this median value is explained by probabilistic methods. Then this hypothesis is tested with various probabilistic tests and no contradiction is found. The final surface temperatures are used to determine the thawing and to verify the system.