基于云計(jì)算的食用菌環(huán)境信息自動(dòng)采集仿真系統(tǒng)

鄧明楊

（廣西城市職業(yè)大學(xué)，廣西 扶綏 532100）

食用菌生長(zhǎng)對(duì)周?chē)h(huán)境的要求較高，各種環(huán)境因素都會(huì)影響食用菌的生長(zhǎng)代謝和養(yǎng)分積累。同時(shí)，在食用菌的后期儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)，溫度、濕度等環(huán)境因素很容易使食用菌的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失，發(fā)生變質(zhì)、腐敗，影響產(chǎn)品品質(zhì)。因此，需要對(duì)食用菌環(huán)境的影響因素進(jìn)行有效控制，為食用菌的生長(zhǎng)、存儲(chǔ)和運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程提供穩(wěn)定的環(huán)境，減少因環(huán)境變化而造成的資源浪費(fèi)[1]?？刂频那疤崾鞘紫纫軌蜃詣?dòng)、準(zhǔn)確地采集周?chē)h(huán)境影響因素，然后再加以控制。

環(huán)境信息的采集控制設(shè)備一般通過(guò)單片機(jī)、工控機(jī)等來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制，近年來(lái)嵌入式技術(shù)由于其可靠性高、數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，更適合于食用菌的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息采用需求，可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息的自動(dòng)、實(shí)時(shí)采集，具有廣闊的市場(chǎng)前景。而云計(jì)算是一種最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)，它為各種信息的采集和處理提供了強(qiáng)大的計(jì)算能力，并為采集的數(shù)據(jù)提供了彈性的存儲(chǔ)空間，使得信息的采集處理更加方便快捷。

根據(jù)食用菌環(huán)境信息的采集需要，為了提高環(huán)境信息的采集和自動(dòng)控制水平，設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式技術(shù)的食用菌環(huán)境信息的采集系統(tǒng)；在數(shù)據(jù)的處理上采用了云計(jì)算技術(shù)進(jìn)行信息存儲(chǔ)，將采集到的數(shù)據(jù)存放在云端，以提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性和可靠性；并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的信息采集控制效果。

1 采集系統(tǒng)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

食用菌環(huán)境信息的采集是一個(gè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)，其控制核心是微控制器。因此，要滿足系統(tǒng)信息采集的需求，應(yīng)選擇最適合的微控制器來(lái)搭建系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。微控制器是將CPU、存儲(chǔ)器等封裝在一塊集成電路里，從而形成一種高度集成的芯片[2]。微控制器能夠減小采集系統(tǒng)的體積，還降低成本和功耗、提高了數(shù)據(jù)采集的可靠性，是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)控制的主流設(shè)備。

1.1 微處理器的比較選擇

具有代表性的微處理器主要有MCS-51系列單片機(jī)、基于ARM內(nèi)核的嵌入式微控制器、DSP等。傳統(tǒng)51單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)成熟，并被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、智能儀表和家用電器的數(shù)據(jù)采集和控制中，其內(nèi)部集成的CPU具有8位數(shù)據(jù)處理能力，但芯片內(nèi)部集成部件只能夠?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)最小系統(tǒng)的基本功能；而基于ARM內(nèi)核的32位ARM微控制器是早期單片機(jī)的發(fā)展與延伸。與傳統(tǒng)的單片機(jī)相比，它在指令系統(tǒng)、總線結(jié)構(gòu)、調(diào)試技術(shù)、功耗、性價(jià)比等方面都具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。此外，在它的內(nèi)部還集成了豐富的外設(shè)資源，減少了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的面積，為系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)節(jié)約了成本。ARM控制器中包含的雙指令集不僅可以滿足高性能的系統(tǒng)需求，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)處理器的兼容。

ARM系列微處理器目前具有代表性的有ARM7系列、ARM9系列等，而且嵌入式系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)中引入了操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)主要有uC/OS-II、VxWorks、WinCE、Linux等[3]，可以有效管理程序運(yùn)行。根據(jù)食用菌環(huán)境信息采集的應(yīng)用需求，如帶有內(nèi)存管理單元（memory management unit,MMU） 則需要使用Linux操作系統(tǒng)，處理器就選擇基于ARM720T內(nèi)核的處理器。

1.2 溫濕度檢測(cè)

對(duì)食用菌環(huán)境信息來(lái)說(shuō)，溫濕度信息的采集是最為重要的環(huán)境數(shù)據(jù)，食用菌的生長(zhǎng)過(guò)程中，需要控制合適的溫濕度，菌棚中噴水保濕、降溫等措施，就是為了給食用菌提供合適的生長(zhǎng)環(huán)境；而在食用菌的冷鏈運(yùn)輸、低溫冷庫(kù)存儲(chǔ)都需要有嚴(yán)格的溫度控制。因此，溫濕度檢測(cè)是整個(gè)食用菌環(huán)境信息采集系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)。

在溫濕度檢測(cè)中的首要工作是溫濕度傳感器的選型，選定一款與系統(tǒng)匹配的溫濕度傳感器不僅可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度，降低系統(tǒng)成本，而且可以提高系統(tǒng)測(cè)量精度，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。在選擇溫濕度傳感器時(shí)要從用途、測(cè)溫范圍、精度、應(yīng)用領(lǐng)域、靈敏度、頻率響應(yīng)特性、穩(wěn)定性等多方面綜合考慮[4]。

現(xiàn)在有溫濕度一體的傳感器可供選擇。食用菌一般要求的生長(zhǎng)溫度環(huán)境一般在20℃～30℃，而濕度一般控制在60%～80%；但在冷藏運(yùn)輸或存儲(chǔ)過(guò)程中，不同的品種和存儲(chǔ)類(lèi)型要求也不相同，如干品和生鮮品要求的溫濕度也不一樣，但一般控制的溫度范圍在-30℃～15℃，相對(duì)濕度一般保持在10%～90%。傳感器的選擇不僅要求在這個(gè)溫濕度區(qū)間內(nèi)能夠穩(wěn)定的工作，同時(shí)還要足夠的精度。

2 云計(jì)算數(shù)據(jù)處理方法

食用菌環(huán)境信息的來(lái)源廣泛，有的是通過(guò)各種傳感器采集到的數(shù)據(jù)，如溫度、濕度等數(shù)據(jù)；有的則是從其它系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)，如氣象部門(mén)提供的氣象信息；還有各種業(yè)務(wù)平臺(tái)產(chǎn)生的大量日志數(shù)據(jù)；還有的是采集數(shù)據(jù)和采集業(yè)務(wù)信息直接存儲(chǔ)到后臺(tái)服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中。這些數(shù)據(jù)的類(lèi)型有結(jié)構(gòu)型、半結(jié)構(gòu)型等多種數(shù)據(jù)類(lèi)型，并且在地理位置上分布在各個(gè)采集點(diǎn)，如何將分布在各個(gè)地方的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，以獲取完整的一個(gè)采集數(shù)據(jù)集并進(jìn)行安全的存儲(chǔ)成為了一個(gè)問(wèn)題。

采用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算中的Hadoop技術(shù)，將采集來(lái)的各類(lèi)數(shù)據(jù)分割成一個(gè)個(gè)小文件，統(tǒng)一存儲(chǔ)到云服務(wù)器的硬盤(pán)上，通過(guò)云服務(wù)器存儲(chǔ)的大文件系統(tǒng)HDFS組建，把存儲(chǔ)整合成一個(gè)大的集群[5]。需要調(diào)用處理這些數(shù)據(jù)時(shí)，云服務(wù)器會(huì)起動(dòng)Map和Reduce兩個(gè)任務(wù)進(jìn)程，Map可以把調(diào)用數(shù)據(jù)任務(wù)分發(fā)到可使用的云服務(wù)器上進(jìn)行處理，再執(zhí)行Reduce任務(wù)，將每一個(gè)Map處理后的中間結(jié)果進(jìn)行識(shí)別合并，由于每個(gè)Reduce所處理的Map中間結(jié)果相互并不干擾，將所有Reduce合并的中間結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)單連接，匯總后就可以得到最終的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。這種數(shù)據(jù)處理方式是并行的，原來(lái)在一臺(tái)服務(wù)器上的數(shù)據(jù)處理，現(xiàn)在可以分配給云端的成千上萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器來(lái)同時(shí)完成。更重要的是，傳統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)是分別存儲(chǔ)在各自的計(jì)算機(jī)上的，但云存儲(chǔ)將這些數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)到了云端，使用時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)調(diào)用，將分布在各個(gè)地方的不同數(shù)據(jù)集成到了云服務(wù)器上，運(yùn)用并行計(jì)算法，使用分布式的系統(tǒng)來(lái)統(tǒng)一數(shù)據(jù)的調(diào)用和處理。

而對(duì)于食用菌環(huán)境信息的數(shù)據(jù)類(lèi)型復(fù)雜的問(wèn)題，采用新型的HBase數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)解決各種類(lèi)型數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)難題。HBase是一種分布式的非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，主要用于存儲(chǔ)各種非結(jié)構(gòu)化和半結(jié)構(gòu)化的松散數(shù)據(jù)，擁有豐富的數(shù)據(jù)類(lèi)型和存儲(chǔ)方式，所有的數(shù)據(jù)類(lèi)型均無(wú)需定義，很好地解決了不同數(shù)據(jù)類(lèi)型數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)方式。它不同于傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)（如Oracle、SQL Server等） 基于行模式的存儲(chǔ)，HBase采用的是列族存儲(chǔ)，可以處理超過(guò)10億行的數(shù)據(jù)和數(shù)百萬(wàn)列元素組成的超大型數(shù)據(jù)表。

3 食用菌環(huán)境信息自動(dòng)采集仿真系統(tǒng)

食用菌環(huán)境信息自動(dòng)采集仿真系統(tǒng)采用模糊控制技術(shù)。將數(shù)學(xué)中的模糊邏輯推理應(yīng)用到采集數(shù)據(jù)控制的一種控制技術(shù)；使用模糊控制語(yǔ)言代替精確數(shù)學(xué)模型。適用于食用菌環(huán)境信息采集中的非控制專(zhuān)業(yè)人員的使用，通過(guò)專(zhuān)家?guī)炜偨Y(jié)數(shù)據(jù)控制規(guī)則，根據(jù)推理函數(shù)最終得出精確地控制輸出量。模糊控制器的基本組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

模糊控制的基本原理是，首先計(jì)算食用菌環(huán)境信息采集的數(shù)據(jù)偏差和偏差的變化量，如溫濕度的偏差和溫濕度偏差的變化量等；然后對(duì)輸入量進(jìn)行模糊化處理，根據(jù)控制規(guī)則和模糊推理過(guò)程找到輸出量；最后，對(duì)輸出量去模糊化，得到控制的精確值。

4 結(jié)論

食用菌環(huán)境信息自動(dòng)采集仿真系統(tǒng)采用嵌入式技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用了最新的云計(jì)算和云存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)的云端處理，解決了不同采集數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)和處理問(wèn)題；食用菌環(huán)境信息采集一般都不是控制專(zhuān)業(yè)人員，在實(shí)際數(shù)據(jù)控制時(shí)使用模糊控制技術(shù)，用專(zhuān)家規(guī)則來(lái)代替一般員工，使仿真系統(tǒng)的控制更加穩(wěn)定可靠。