基于PLC 的菇房光照控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

郭洪恩，劉陽(yáng)，2，楊化偉，褚幼暉，張志勇，何青海

（1.250100 山東省 濟(jì)南市 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院；2.250357 山東省 濟(jì)南市 山東交通學(xué)院；3.030031 山西省 晉中市 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)）

0 引言

菇房是人工栽培食用菌，由人工控制溫度、濕度、通風(fēng)、光線環(huán)境的出菇廠房。菇房通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的高精度控制實(shí)現(xiàn)四季出菇，使菌菇生長(zhǎng)不受或很少受外界自然環(huán)境的影響。這種培育方式大大縮短了菌菇的生長(zhǎng)周期，提高了菌菇的質(zhì)量和產(chǎn)量，解決了菇農(nóng)靠天吃飯的難題，這種新型的種植方式是未來(lái)新型農(nóng)業(yè)的新業(yè)態(tài)。

在國(guó)外，荷蘭[1]最早開(kāi)始對(duì)菇房工廠化的研究，而美國(guó)將計(jì)算機(jī)最早應(yīng)用于菇房，通過(guò)對(duì)CO2濃度、溫度、濕度等諸多環(huán)境因子進(jìn)行自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)作物全天性高效生產(chǎn)[2]。國(guó)內(nèi)，福建農(nóng)林大學(xué)的李海蕓[3]等分別對(duì)溫度、濕度這2 個(gè)環(huán)境因子進(jìn)行獨(dú)立式控制，設(shè)計(jì)了基于西門(mén)子S7-200 PLC 的溫濕度控制系統(tǒng)。經(jīng)試驗(yàn)，該菇房溫濕度控制系統(tǒng)穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了菇房脫離計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境實(shí)時(shí)控制；河南科技大學(xué)的朱學(xué)峰[4]等設(shè)計(jì)了雙孢菇工廠化生產(chǎn)環(huán)境因子調(diào)控系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了控溫、調(diào)濕裝置，設(shè)計(jì)了多因素模糊控制策略,實(shí)現(xiàn)了環(huán)境溫濕度、培養(yǎng)料土溫濕度的綜合調(diào)控。

國(guó)內(nèi)外對(duì)菇房的環(huán)境因子做了大量研究，但都缺乏對(duì)菇房光照的深入研究?；诖?，本文開(kāi)發(fā)了一種菇房光照管理系統(tǒng)。以西門(mén)子S7-200 Smart PLC 作為主要控制元件，通過(guò)程序調(diào)節(jié)光源位置、光照時(shí)間、光照度和光質(zhì)，采用昆侖通態(tài)公司的觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互。菇房光照控制系統(tǒng)能夠有效提高菇房的自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)節(jié)省人工成本、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的目的。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

2.1 控制系統(tǒng)組成

菇房光照控制系統(tǒng)包括區(qū)域劃分模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、管理模塊、信息存儲(chǔ)模塊、用戶(hù)終端、控制模塊、位置調(diào)節(jié)器、LED 燈光模塊和電源模塊。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。電源模塊為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、管理模塊、控制模塊、位置調(diào)節(jié)器和LED 燈光模塊供電。采用遠(yuǎn)程和本地2 種操作模式，有自動(dòng)和手動(dòng)2 種控制方式。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of control system

2.1.1 數(shù)據(jù)處理模塊

來(lái)自數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)經(jīng)圖像預(yù)處理、圖像分割、圖像特征提取和圖像分類(lèi)，借助圖像識(shí)別技術(shù)[5]判斷該區(qū)域當(dāng)前菌棒處于營(yíng)養(yǎng)菌絲生長(zhǎng)階段、菌絲轉(zhuǎn)色形成階段、原基形成階段以及子實(shí)體生長(zhǎng)階段中的哪一階段或出現(xiàn)哪種病變，將不同區(qū)域的菌棒生長(zhǎng)情況、病變情況上傳至信息存儲(chǔ)模塊，管理模塊和用戶(hù)終端。數(shù)據(jù)處理模塊流程如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理模塊流程圖Fig.2 Flow chart of data processing module

2.1.2 管理模塊

管理模塊將來(lái)自數(shù)據(jù)處理模塊的菌棒生長(zhǎng)按照初始設(shè)定給控制模塊發(fā)出不同指令，調(diào)節(jié)燈光模塊位置、光照時(shí)間、光照度和光質(zhì)。之后，將來(lái)自信息存儲(chǔ)系統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)菌棒光照環(huán)境進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，多次迭代，找出菌棒最適宜的光照環(huán)境。在菌棒生長(zhǎng)時(shí)不斷給控制模塊指令，讓其改變位置調(diào)節(jié)器和LED 燈光模塊運(yùn)行，盡可能地讓菇房?jī)?nèi)所有菌棒生長(zhǎng)在一樣的光照環(huán)境?？刂颇K方面，首先，按照初始設(shè)定的不同指令，調(diào)節(jié)光源位置、光照時(shí)間、光照度和光質(zhì)；然后，將菌棒光照環(huán)境進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，多次迭代，找出菌棒最適宜的光照環(huán)境。在菌棒生長(zhǎng)時(shí)不斷更新指令，讓菇房?jī)?nèi)菌棒生長(zhǎng)更優(yōu)質(zhì)。管理模塊流程如圖3 所示。

圖3 管理模塊流程圖Fig.3 Flow chart of management module

2.1.3 控制模塊

控制模塊接收管理模塊發(fā)出的指令控制位置調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)位置，通過(guò)亮度調(diào)節(jié)器控制燈光模塊光照時(shí)間、光照度和光質(zhì)，還接收用戶(hù)終端發(fā)來(lái)的指令控制位置調(diào)節(jié)器和燈光模塊。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件選擇

因需要進(jìn)行圖像處理和深度學(xué)習(xí)，故選用電腦來(lái)實(shí)現(xiàn)。在工業(yè)平板電腦和商用電腦的選擇上，因工業(yè)平板電腦能適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境，且本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其功耗低，具備良好的三防效果，且菇房光照管理需要電腦長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。綜上，選擇工業(yè)平板電腦。選用研凌的iTPC-A113 工業(yè)平板電腦，處理器參數(shù)為i7-8565U，內(nèi)存4 G，硬盤(pán)128 G，屏幕25.65 cm，支持RS485 串口通信。參見(jiàn)圖4。

圖4 研凌的iTPC-A113 工業(yè)平板電腦外觀圖Fig.4 Appearance of Yanling's iTPC-A113 industrial tablet

觸摸屏采用昆侖通態(tài)公司TPC1061Ti。該觸摸屏采用25.9 cm 高亮度TFT 液晶顯示屏（分辨率1 024×600），四線電阻式觸摸屏（分辨率4 096×4 096），預(yù)裝MCGS 嵌入式組態(tài)軟件（運(yùn)行版），具備強(qiáng)大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能。昆侖通態(tài)TPC1061Ti 觸摸屏如圖5 所示。

圖5 昆侖通態(tài)TPC1061Ti 觸摸屏外觀圖Fig.5 Appearance of Kunlun on state TPC1061Ti touch screen

下位機(jī)采用西門(mén)子公司的 S7-200 Smart PLC作為核心控制器，通過(guò)模擬量輸入接口對(duì)菇房現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，根據(jù) PLC 程序所設(shè)定的控制邏輯，控制各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出?，F(xiàn)場(chǎng)傳感器包括光照傳感器、計(jì)時(shí)器。為了獲得更準(zhǔn)確的環(huán)境信息，在菇房布置了9 個(gè)光強(qiáng)傳感器，9 組LED 燈和位置調(diào)節(jié)器。CPU 使用的是晶體管輸出的ST40，并擴(kuò)展了1 個(gè)模擬量輸入輸出模塊AM06、1 個(gè)模擬量輸入模塊AE08、3 個(gè)模擬量輸出模塊AQ04，共有12 個(gè)模擬量輸入接口和18 個(gè)模擬量輸出接口。PLC 型號(hào)及外接模塊型號(hào)如表1 所示。

表1 PLC 型號(hào)及外接模塊型號(hào)圖Tab.1 Model diagram of PLC and external module

3.2 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

觸摸屏是人機(jī)交互窗口，設(shè)計(jì)的菇房光照控制系統(tǒng)主要界面包括實(shí)時(shí)顯示、參數(shù)設(shè)置、報(bào)警等功能[6]。系統(tǒng)啟動(dòng)后直接進(jìn)入主界面，其中包含食用菌實(shí)時(shí)生長(zhǎng)界面、操作界面和報(bào)警記錄界面。食用菌實(shí)時(shí)生長(zhǎng)界面將整個(gè)菇房產(chǎn)區(qū)的菇房編號(hào)，把菇房?jī)?nèi)部劃分成9 個(gè)區(qū)域，通過(guò)點(diǎn)擊能夠選擇查看不同菇房、不同區(qū)域的食用菌生長(zhǎng)監(jiān)控視頻。界面的右側(cè)就是選定的菇房區(qū)域?qū)崟r(shí)監(jiān)控視頻。實(shí)時(shí)生長(zhǎng)界面如圖6 所示。

圖6 食用菌實(shí)時(shí)生長(zhǎng)界面示意圖Fig.6 Schematic diagram of real-time growth interface of edible fungi

操作界面如圖7 所示。菇房光照控制系統(tǒng)操作界面上部設(shè)置有遠(yuǎn)程控制和本地控制2 種模式；中部是對(duì)調(diào)節(jié)光照時(shí)間、光照度、光質(zhì)和位置傳感器的控制方式選擇。手動(dòng)選擇是操作下部的手動(dòng)調(diào)節(jié)區(qū)，使用者旋轉(zhuǎn)旋鈕可將光照時(shí)間在0～24 h 之間調(diào)整，光照度和光照時(shí)間的調(diào)節(jié)亦然。光質(zhì)選擇需要點(diǎn)擊圓形，圓形內(nèi)部有眾多光質(zhì)可供設(shè)置。位置調(diào)節(jié)器有前后左右可供設(shè)置，點(diǎn)擊上箭頭分別是前和左，下箭頭分別是后和右。

圖7 操作界面示意圖Fig.7 Schematic diagram of operation interface

報(bào)警記錄界面如圖8 所示。當(dāng)食用菌出現(xiàn)病變或設(shè)備出現(xiàn)異常，報(bào)警界面會(huì)記錄報(bào)警日期、報(bào)警時(shí)間、報(bào)警位置、報(bào)警原因和處理結(jié)果；報(bào)警通過(guò)報(bào)警燈和蜂鳴器提示，幫助人們及時(shí)排除報(bào)警原因，保證設(shè)備正常運(yùn)行和食用菌健康生長(zhǎng)。

圖8 報(bào)警記錄界面示意圖Fig.8 Schematic diagram of alarm recording interface

3.3 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)傳感器參數(shù)的采集，由工業(yè)平板電腦處理，向PLC[7]發(fā)出指令控制光照環(huán)境參數(shù)。系統(tǒng)整體程序流程圖如圖9 所示。

圖9 系統(tǒng)整體程序流程圖Fig.9 Overall program flow chart of the system

首先通過(guò)攝像頭對(duì)菇房進(jìn)行圖像采集，然后將采集的數(shù)據(jù)傳給工業(yè)平板電腦進(jìn)行圖像處理，處理后的圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行比較，判定菇房?jī)?nèi)食用菌處于營(yíng)養(yǎng)菌絲生長(zhǎng)階段、菌絲轉(zhuǎn)色形成階段、原基形成階段以及子實(shí)體生長(zhǎng)階段的哪一生長(zhǎng)階段，再判斷是否有優(yōu)質(zhì)食用菌生長(zhǎng)的環(huán)境信息。沒(méi)有通過(guò)初始設(shè)定的，讓PLC 改變光源位置、光照時(shí)間，光照度和光質(zhì)。有優(yōu)質(zhì)食用菌生長(zhǎng)的環(huán)境信息就給PLC 信號(hào)，讓PLC 控制光源位置、光照時(shí)間，光照度和光質(zhì)。將生長(zhǎng)出的優(yōu)質(zhì)食用菌生長(zhǎng)環(huán)境傳給工業(yè)平板電腦進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，多次迭代，找出優(yōu)質(zhì)食用菌最適宜的光照環(huán)境。

4 結(jié)論

本文研發(fā)的菇房光照控制系統(tǒng)，通過(guò)攝像頭采集菇房信息，由工業(yè)平板電腦進(jìn)行圖像處理，以此判斷菇房?jī)?nèi)食用菌所處的生長(zhǎng)階段，再將預(yù)設(shè)的不同生長(zhǎng)階段的光照指令給PLC 調(diào)節(jié)光照時(shí)間、光照度和光質(zhì)，記錄優(yōu)質(zhì)食用菌的光照信息，再經(jīng)工業(yè)平板電腦深度學(xué)習(xí)，多次迭代，將最適合食用菌生長(zhǎng)的光照信息指令給PLC 控制光照時(shí)間、光照度和光質(zhì)，不斷循環(huán)控制，達(dá)到能夠規(guī)模生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)食用菌的目的。

該菇房光照控制系統(tǒng)有遠(yuǎn)程和本地2 種控制模式。使用手機(jī)等終端設(shè)備可遠(yuǎn)程控制光照時(shí)間、光照度和光質(zhì)；通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)控制光照信息的本地控制。不需要人為操作時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部的程序能正常運(yùn)行，這樣能降低人力成本，顯著提高菇房光照控制的自動(dòng)化程度。