微生物培養(yǎng)箱溫濕度控制的信息技術(shù)管理應(yīng)用研究

杜春梅，郭普宇，薛春梅

[摘 要]微生物學(xué)在醫(yī)學(xué)衛(wèi)生、生物工程、工業(yè)發(fā)酵等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，在研究微生物結(jié)構(gòu)、功能和生長環(huán)境時，都需要借助微生物培養(yǎng)箱。溫度和濕度是影響微生物存活的兩大關(guān)鍵因素，因此將信息技術(shù)應(yīng)用在微生物培養(yǎng)箱的溫度控制過程中，能夠做到對溫度、濕度進(jìn)行靈敏調(diào)控，保證微生物實驗研究工作順利完成。本文首先介紹了微生物培養(yǎng)箱溫濕度控制信息技術(shù)及其應(yīng)用，并從技術(shù)層面對溫濕度進(jìn)行有效控制。

[關(guān)鍵詞]微生物培養(yǎng)箱；溫濕度；信息技術(shù)；控制技術(shù)

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2018.08.068

[中圖分類號]Q93-335 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1673-0194（2018）08-0-02

隨著微生物培養(yǎng)箱對溫度和濕度控制要求的不斷提高，溫濕度控制所采用的技術(shù)也在進(jìn)行不斷革新。近年來，隨著我國信息技術(shù)及其應(yīng)用的不斷發(fā)展，為進(jìn)行微生物培養(yǎng)箱溫濕度控制提供了必要的技術(shù)支持，在原有控制算法的基礎(chǔ)上，還新增加了遠(yuǎn)程監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)通訊等功能，這些都為實現(xiàn)微生物培養(yǎng)箱溫濕度控制提供了幫助。

1 微生物培養(yǎng)箱溫濕度控制信息管理系統(tǒng)的界面設(shè)計

1.1 系統(tǒng)登錄界面

微生物培養(yǎng)箱溫度主界面主要供用戶查詢，主要有用戶管理、溫度設(shè)置、溫度傳感器狀態(tài)查詢、數(shù)據(jù)查詢以及TCP/IP傳輸界面。

1.2 用戶管理

在用戶管理界面可以新建用戶、刪除用戶、修改密碼、保存以及退出。這樣的設(shè)置能夠滿足不同用戶的使用要求。

1.3 溫度設(shè)置

溫度可以通過PID設(shè)置，在設(shè)置PID之前可以進(jìn)行PID參數(shù)調(diào)整，通過比較溫度曲線，找到適合的PID參數(shù)。

1.4 溫度傳感器狀態(tài)查詢

為了更加直觀地知道溫度傳感器的狀態(tài)，本文在遠(yuǎn)程操作中設(shè)置了溫度傳感器的狀態(tài)查詢界面。

2 微生物培養(yǎng)箱溫濕度控制的查詢界面設(shè)計

數(shù)據(jù)查詢包括實時曲線、歷史曲線以及歷史數(shù)據(jù)。用戶可以根據(jù)需要選擇測溫范圍以及采集時間。

歷史曲線：用戶查詢歷史曲線時，需要設(shè)置時間軸（X軸），包括起始時間和查詢跨度?？缍葧r間可以自行設(shè)置。

歷史數(shù)據(jù)：用戶查詢實時曲線時可以以報表的形式查詢該樣本的所有歷史溫度值。

3 TCP/IP傳輸

TCP/IP傳輸能夠利用教學(xué)交互系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，這樣能解決因設(shè)備少、學(xué)生多而引起的一系列問題。TCP/IP主要是進(jìn)行連接通信協(xié)議，在整個過程中需要通過三次傳輸來建立連接，待通信環(huán)節(jié)結(jié)束后方可拆除連接。該傳輸技術(shù)主要針對端到端通訊。在進(jìn)行微生物培養(yǎng)箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計時，TCP/IP傳輸能夠提供一種可靠的數(shù)據(jù)流服務(wù)，而且能夠運用“滑動窗口”的方式進(jìn)行流量控制，從而限制發(fā)送方的數(shù)據(jù)傳輸速度。

4 微生物培養(yǎng)箱溫濕度控制技術(shù)的信息化管理應(yīng)用

在微生物培養(yǎng)箱研究早期，由于溫度和濕度控制經(jīng)常出現(xiàn)串?dāng)_，因此有技術(shù)人員提出了將溫度和濕度單獨進(jìn)行控制的設(shè)想。該設(shè)想將微生物培養(yǎng)箱的整個控制系統(tǒng)改為雙閉環(huán)控制，系統(tǒng)設(shè)定“溫度”為優(yōu)先級控制，當(dāng)溫度調(diào)控到目標(biāo)值后，再調(diào)節(jié)培養(yǎng)箱內(nèi)濕度值。由于雙閉環(huán)控制避免了溫度、濕度相互影響，可以保證溫濕度都達(dá)到預(yù)期的控制要求。但是現(xiàn)階段這種設(shè)想還處于試驗階段，具體的應(yīng)用效果還有待進(jìn)一步的驗證和優(yōu)化。

目前，比較成熟的微生物培養(yǎng)箱溫濕度控制技術(shù)，是借助于設(shè)備內(nèi)置的單片機(jī)（小型計算機(jī)），通過人為錄入程序，根據(jù)程序算法對培養(yǎng)箱內(nèi)的溫濕度進(jìn)行控制。同時，在培養(yǎng)箱內(nèi)部安裝多個傳感裝置，這些傳感器可以分別收集溫度信號、濕度信號，然后將其轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制信號被單片機(jī)所識別。單片機(jī)根據(jù)程序指令，自動微調(diào)溫度和濕度，精確值可以滿足微生物培養(yǎng)的要求。這種基于程序算法的溫濕度控制技術(shù)，雖然具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢，但是對硬件要求較高。

5 基于控制算法的溫濕度信息化控制技術(shù)

5.1 傳統(tǒng)PID控制算法在溫濕度控制中的應(yīng)用

PID控制器是一種典型的反饋回路控制裝置，前端數(shù)據(jù)采集器將收集到的信號傳遞到控制單元中，與控制單元內(nèi)部數(shù)據(jù)庫的存儲信息進(jìn)行比較，然后將兩者之間的差值作為新的輸入值，完成參數(shù)的調(diào)整。就目前來看，市場上70%左右的微生物培養(yǎng)箱，都是采用這種傳統(tǒng)PID控制算法。這種算法的應(yīng)用優(yōu)勢在于具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，可以通過技術(shù)人員編寫的調(diào)控指令，對不同型號、參數(shù)的微生物培養(yǎng)箱進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，從而提高了經(jīng)濟(jì)利用價值。但是隨著新技術(shù)的應(yīng)用，這種基于傳統(tǒng)算法的控制技術(shù)，也逐漸暴露出一些問題，例如信息化程度不高，尤其是在一些溫濕度要求精度較高的條件下，傳統(tǒng)PID算法由于精度達(dá)不到要求，而難以滿足微生物培養(yǎng)的需要。

5.2 智能PID控制算法在溫濕度控制中的應(yīng)用

微生物對于培養(yǎng)箱內(nèi)環(huán)境變化的敏感程度較高，尤其是那些具有較高科研價值或經(jīng)濟(jì)價值的微生物，如果因為溫濕度控制不當(dāng)導(dǎo)致微生物大量死亡或科研工作失敗，將會造成嚴(yán)重的損失。因此，在傳統(tǒng)PID控制算法的基礎(chǔ)上，近年來技術(shù)人員致力于進(jìn)行技術(shù)改良，克服傳統(tǒng)PID控制算法的缺陷。智能PID控制算法結(jié)合了近年來蓬勃發(fā)展的人工智能技術(shù)，其應(yīng)用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在三個方面：第一，融入了模糊算法，可以更加便捷、自動地調(diào)整控制變量，使溫度、濕度值的精確性滿足微生物培養(yǎng)要求；第二，對硬件設(shè)備的要求降低，無形中降低了技術(shù)成本；第三，可以利用智能控制實現(xiàn)外部硬件設(shè)備聯(lián)動，除了可以應(yīng)用于微生物培養(yǎng)外，還可以應(yīng)用到其他控制環(huán)境中。

6 微生物培養(yǎng)箱溫濕度控制信息技術(shù)的應(yīng)用要點

6.1 合理選擇控制器

控制器是微生物培養(yǎng)箱溫濕度調(diào)控的核心設(shè)備，科學(xué)選用控制器也成為提高溫濕度控制性能的一種有效方法。就目前來說，微生物培養(yǎng)箱所選用的溫濕度控制器主要分為兩大類：一種是單片機(jī)（單片微型控制器），另一種是PLC（可編程邏輯控制器）。這兩種控制器的應(yīng)用領(lǐng)域不同，且各有自己的優(yōu)缺點。