計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在菇房自動(dòng)化控制中的應(yīng)用*

田 申

（四川郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610067）

食用菌產(chǎn)業(yè)作為近年來的朝陽產(chǎn)業(yè)在我國迅速崛起，同時(shí)食用菌也成為百姓餐桌上出現(xiàn)頻率最多的食品。粗放式的食用菌栽培顯然不能滿足市場發(fā)展的需要，工廠化栽培食用菌得以初步普及。食用菌栽培對(duì)環(huán)境的要求較高，因此菇房的自動(dòng)化生產(chǎn)就需要針對(duì)食用菌生長適宜的條件和生長習(xí)性應(yīng)用適宜的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，通過自動(dòng)化的調(diào)節(jié)和控制，為實(shí)現(xiàn)食用菌的自動(dòng)化生產(chǎn)創(chuàng)造良好的生長環(huán)境，提高食用菌自動(dòng)化生產(chǎn)水平，促進(jìn)菇房的科學(xué)化管理進(jìn)程。

1 相關(guān)理論概述

1.1 食用菌的生產(chǎn)發(fā)展歷史

我國是世界上最早認(rèn)識(shí)和利用食用菌的國家之一，早在1 400多年以前，就已經(jīng)有了關(guān)于香菇人工栽培的記錄[1]。在食用菌產(chǎn)業(yè)興起以前，食用菌的生產(chǎn)主要依靠野生采摘和部分個(gè)體菇農(nóng)的人工栽培，但隨著人們對(duì)食用菌營養(yǎng)價(jià)值認(rèn)識(shí)的逐漸加深，加上食用菌栽培技術(shù)快速發(fā)展，直接推動(dòng)了食用菌工廠化栽培的進(jìn)程[2]。改革開放以來，我國相繼從日本、美國、意大利等地引進(jìn)食用菌工廠化生產(chǎn)線，開始了食用菌工廠化生產(chǎn)。進(jìn)入21世紀(jì)，自動(dòng)化的引進(jìn)使得食用菌工廠產(chǎn)量迅速增長，但自動(dòng)化控制模式仍具有較大的提升空間[3]。

1.2 食用菌生產(chǎn)方式現(xiàn)狀

我國的食用菌自動(dòng)化控制生產(chǎn)仍然處于初級(jí)發(fā)展的階段，主要是通過引進(jìn)日本的生產(chǎn)線和自動(dòng)化控制系統(tǒng)，根據(jù)我國食用菌生產(chǎn)及工廠化建設(shè)的實(shí)際進(jìn)行改良和創(chuàng)新。隨著食用菌產(chǎn)業(yè)的崛起，企業(yè)逐漸將智能化控制和自動(dòng)化生產(chǎn)放在食用菌生產(chǎn)技術(shù)研究的重要位置，加快了食用菌自動(dòng)化生產(chǎn)的規(guī)?；C(jī)械化和自動(dòng)化進(jìn)程，目前我國大部分的食用菌生產(chǎn)已經(jīng)是依靠著計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)下的自動(dòng)化生產(chǎn)，極大地提高了食用菌生產(chǎn)的效率，增加了我國食用菌的市場競爭優(yōu)勢[3]。

1.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在菌菇房自動(dòng)化控制中的優(yōu)勢

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是當(dāng)前出菇房自動(dòng)化控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是食用菌基于計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的生產(chǎn)模式是必由之路。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在出菇房自動(dòng)機(jī)控制中具有明顯的優(yōu)勢，使生產(chǎn)工藝更加簡便，利用自動(dòng)化的生產(chǎn)模式和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，簡化工藝流程，提高生產(chǎn)效率；增加了對(duì)菇房環(huán)境的監(jiān)測和調(diào)節(jié)控制，由于食用菌對(duì)生長環(huán)境的要求高，因此通過自動(dòng)化的環(huán)境檢測，能夠有效避免環(huán)境對(duì)食用菌生長的影響，提高食用菌產(chǎn)量和質(zhì)量；加大計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在菇房自動(dòng)機(jī)控制中的應(yīng)用力度，能夠極大地降低成本，除了生產(chǎn)栽培的成本，還能有效節(jié)約人工成本，僅接種成本就可節(jié)約將近80%，同時(shí)工作效率提高4倍～5倍[4]。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在菇房自動(dòng)機(jī)控制中的應(yīng)用在當(dāng)前是十分優(yōu)越的工廠化生產(chǎn)模式，有助于實(shí)現(xiàn)食用菌生產(chǎn)的現(xiàn)代化。

2 菇房環(huán)境及控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2.1 菇房環(huán)境參數(shù)與調(diào)節(jié)

食用菌對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的要求很高，對(duì)溫度、濕度、光照、水分等都有較為嚴(yán)格的規(guī)定，因此菇房的環(huán)境參數(shù)控制對(duì)于食用菌的生長具有重要的作用。

2.1.1 溫度

溫度是菌絲生長的重要影響因素，溫度過高，就會(huì)影響菇體的發(fā)育，溫度過低，又會(huì)導(dǎo)致菇體不能形成最終的子實(shí)體，最終影響食用菌的最終產(chǎn)量和質(zhì)量。對(duì)食用菌來說，溫度檢測有嚴(yán)格的區(qū)間，如香菇（Lentinual edodes） 的菌絲生長最適溫度是24℃～27℃，而子實(shí)體發(fā)育的溫度為 12℃～18℃[5]。

2.1.2 濕度

水分是出菇房栽培食用菌不可或缺的因素，而食用菌各個(gè)生長階段都離不開對(duì)濕度的調(diào)控，大部分食用菌適宜的濕度約為80%～90%，少部分則為60%～70%[5]。除了重要的溫度與濕度，二氧化碳和光照的程度也需要根據(jù)實(shí)際進(jìn)行調(diào)節(jié)。

在出菇房的室內(nèi)環(huán)境中，需要利用傳感器、自動(dòng)數(shù)據(jù)采集等，根據(jù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將采集數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，保障出菇房的生長環(huán)境[6]。

2.2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)工作原理

根據(jù)出菇房對(duì)環(huán)境的要求，出菇房控制系統(tǒng)大致分為3個(gè)階段：傳感器數(shù)據(jù)采集階段、數(shù)據(jù)分析階段、執(zhí)行處理階段[7]，見圖1。

由圖1可知，菇房的溫度、濕度、二氧化碳等數(shù)據(jù)均由傳感器采集，環(huán)境采集的參數(shù)傳遞到控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，將設(shè)定的數(shù)值與菇房實(shí)際數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，分析結(jié)果后進(jìn)行自動(dòng)化調(diào)節(jié)，達(dá)到菇房自動(dòng)化控制的目的。

2.3 自動(dòng)化控制系統(tǒng)總體方案

選用飛思卡爾芯片MK60N512VMD100作為菇房計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制核心，對(duì)溫度、濕度和二氧化碳等的數(shù)據(jù)采集均通過電路傳輸?shù)较到y(tǒng)控制芯片，經(jīng)過系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析再通過控制輸出對(duì)菇房的生長環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)。除了自動(dòng)化的控制系統(tǒng)，菇房環(huán)境調(diào)節(jié)也可通過人工控制，工作人員可在上位機(jī)界面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行人為干預(yù)和控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案見圖2。

由圖2可知，食用菌的生長環(huán)境主要由二氧化碳傳感器、溫濕度傳感器、光電傳感器這些信號(hào)調(diào)理電路，加熱裝置、風(fēng)扇、遮光簾這些控制輸出裝備所控制的。

3 菇房自動(dòng)化控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)選擇

考慮到菇房的規(guī)模及成本控制，選用飛思卡爾公司的MK60N512VMD100型號(hào)的芯片作為自動(dòng)化控制系統(tǒng)的芯片，具有高效的定時(shí)和控制的功能，而且能夠?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作狀態(tài)，為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的供電與成本減輕負(fù)擔(dān)，為工廠化食用菌栽培的自動(dòng)化控制提供條件。

3.2 傳感器的選型與控制設(shè)計(jì)

對(duì)菇房的自動(dòng)化控制來說，選擇的變量是溫度、濕度、二氧化碳和光照等因素，在硬件系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)作過程中，需要將采集到的溫度、濕度、光照等變量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化的輸出信號(hào)。傳感器的選型要求在溫度、濕度、二氧化碳濃度的檢測和控制上具有非常高的準(zhǔn)確性[8]，組成部分包括傳感器和信號(hào)器，傳感器主要組成是熱電偶或熱電阻，信號(hào)器則是起到轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的作用，由數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理和轉(zhuǎn)換單元組成。

3.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

菇房的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)不是一成不變的，而是隨著食用菌生長的需要而隨機(jī)調(diào)節(jié)，根據(jù)不同階段設(shè)置的預(yù)定值，但傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析后如果超出設(shè)置的數(shù)值。就需要通過信號(hào)傳輸?shù)綀?zhí)行單元對(duì)菌菇房的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，數(shù)據(jù)會(huì)通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)傳送到上位機(jī)，操作人員可以根據(jù)實(shí)際對(duì)菌菇房的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行人為干預(yù)[9]。

針對(duì)菇房的規(guī)模和成本控制，采用的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該是單相直流控交流型固態(tài)繼電器，具備開關(guān)速度快、工作頻率高、壽命長的特點(diǎn)。輸入電壓應(yīng)規(guī)定為3 V～32 V，負(fù)載電壓為24 V～480 V。

3.4 調(diào)控裝置設(shè)計(jì)

對(duì)菇房的自動(dòng)化控制通過調(diào)節(jié)裝置來實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括加熱器、風(fēng)扇、加濕器和遮光簾等組成部分，通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)所需的參數(shù)值，對(duì)菇房實(shí)現(xiàn)調(diào)控裝置的自動(dòng)化控制。

4 菌菇房自動(dòng)化控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 自動(dòng)化控制系統(tǒng)主程序控制模塊設(shè)計(jì)

主程序流程設(shè)計(jì)應(yīng)用見圖3所示。

由圖3可知，基于計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制的菌菇房自動(dòng)化控制需要進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，主控制程序的設(shè)計(jì)應(yīng)用是最為重要的部分。主控制模塊能夠采集各個(gè)子單元的數(shù)據(jù)，對(duì)傳感器的傳播信號(hào)傳輸?shù)倪M(jìn)行整理，并再次傳輸?shù)礁鱾€(gè)單元模塊，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)和循環(huán)的自動(dòng)機(jī)控制。

4.2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)模糊控制器的設(shè)計(jì)

在菇房的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)使菇房環(huán)境各項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)測的準(zhǔn)確度提升，這也是將自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)用于菌菇房食用菌栽培的最終目的。模糊控制系統(tǒng)的控制器一般由輸入、輸出轉(zhuǎn)接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及傳感器組成，其功能就是將傳感器采集到的數(shù)據(jù)精確化。事實(shí)上，傳感器采集的數(shù)據(jù)都是模糊量，還需要通過模糊控制軟件將輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行精確化[10]，才能達(dá)到對(duì)菌菇房環(huán)境參數(shù)的實(shí)際控制效果，這也是模糊控制器的重要作用。

菇房環(huán)境參數(shù)的控制和調(diào)節(jié)，對(duì)食用菌生長起到的作用是巨大的，在減少人力成本的同時(shí)，將菌絲、子實(shí)體及出菇的過程交給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測；同時(shí)將溫控、澆水等一系列流程由自動(dòng)化控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制，在保證食用菌質(zhì)量產(chǎn)量的同時(shí)，還能極大地為食用菌企業(yè)開源節(jié)流。

5 菇房自動(dòng)化控制系統(tǒng)搭建與應(yīng)用測試

5.1 菇房環(huán)境模型的設(shè)計(jì)

根據(jù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在菇房自動(dòng)化控制中應(yīng)用的實(shí)際情況，通過搭建模型對(duì)控制系統(tǒng)的流程及成效踐行檢驗(yàn)，搭建與菇房實(shí)際相似的模型，模擬菇房自動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

以長為1.56 m、寬為1.18 m、高為0.87 m的玻璃模型作為模擬菇房的材料，在菇房模型內(nèi)，以220 V的電吹風(fēng)作為溫控設(shè)備、以直徑為5.5 cm的電扇作為降溫設(shè)備，菇房環(huán)境模型見圖4所示。

由圖4可知，模型外部需安裝遮光布作為光照控制的設(shè)備。

5.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用測試

模型搭建完畢對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用測試，菇房模型內(nèi)以25℃為標(biāo)準(zhǔn)溫度，將電風(fēng)扇開啟，使菇房模型內(nèi)溫度先降下來；通過升溫控制指令讓電吹風(fēng)開始工作，當(dāng)達(dá)到設(shè)定值（25℃）時(shí)進(jìn)行記錄；當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，利用風(fēng)扇進(jìn)行排風(fēng)降溫，同樣進(jìn)行記錄；以此來對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的精度進(jìn)行分析和判定，從而為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在菇房自動(dòng)化控制中的實(shí)際應(yīng)用提供參考依據(jù)。

由表1可知，在設(shè)計(jì)的菇房環(huán)境內(nèi)，當(dāng)菇房外溫比內(nèi)溫高時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)電吹風(fēng)能夠達(dá)到對(duì)菇房內(nèi)溫度迅速升高的效果；當(dāng)外溫與模型溫度接近時(shí)，升溫效果可能有所減弱，當(dāng)外溫比內(nèi)溫低時(shí)，則需要更多的調(diào)節(jié)時(shí)間。對(duì)此可以分析，基于濕度、二氧化碳、光照的計(jì)算機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)控制也是同樣的原理[11]。

表1 菇房模型計(jì)算機(jī)控制效果（基于溫度的應(yīng)用測試）Tab.1 Computer control effect of the deible fungi house model(application test based on temperature)

6 結(jié)語

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在菌菇化自動(dòng)化控制中的應(yīng)用已經(jīng)成為食用菌生產(chǎn)的研究重點(diǎn)之一，目前工廠化食用菌自動(dòng)化控制在我國仍然處于初級(jí)發(fā)展階段，還需更多地借鑒國外經(jīng)驗(yàn)，因此對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)際監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集及執(zhí)行的研究尤為重要。通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在菌菇房自動(dòng)化控制中大范圍的應(yīng)用，能夠推進(jìn)食用菌產(chǎn)量和質(zhì)量的提升。食用菌工廠化栽培還能根據(jù)實(shí)際情況選擇適宜的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，在降低設(shè)備成本和人力成本的同時(shí)，也能提高出菇的穩(wěn)定性，為食用菌的自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。