食用菌栽培论文

　　食用菌工厂化栽培生产中，利用设施、设备人工调节食用菌的生长环境条件，创造出适宜不同菌类不同发育阶段的环境小气候是保证食用菌的高产量和高质量生产的关键。食用菌栽培环境控制系统根据食用菌生长需要，自动智能调控栽培环境，从而提高食用菌立体、大规模、高效率、反季节周年栽培。因此食用菌工厂化栽培环境控制系统是食用菌工厂化栽培的核心关键技术[1]。

　　设计的食用菌栽培环境计算机控制系统采用Modbus总线[2，3]及WEB服务等工控技术，将控制关键功能在控制系统服务器中实现，控制系统服务器实现集中数据采集处理、控制策略与控制算法，并可组态配置，以WEB服务方式相应客户端用户监控操作与数据报表统计分析等用户界面数据请求，实现将多个空间上具有一定距离分布的食用菌菇房集中式自动精准调控。

　　一、控制系统结构

　　在食用菌工厂化栽培菇房安装有各种暖通空调设备及相关电子机械仪器设备。控制系统主要针对菇房温度、湿度、CO2浓度、光照度、食用菌栽培基的温度等环境因子进行精准调控，控制系统通过控制系统执行器驱动硬件设备进行环境因子调控，主要包括通风口开度、加热器、加湿器、通风风扇、灯光、CO2浓度施加器等控制。

　　图1 控制系统组成示意图

　　食用菌工厂化栽培具有大规模、分布式生产的特征，各种传感器及执行器硬件数量较多。针对食用菌栽培环境控制系统的需求特征，设计的控制系统组成及体系结构如图1所示。Modbus总线使用RTU通信方式，为了扩展RS485总线上物理节点上的数量，使用Modbus总线集线器对物理节点数量进行扩展[4]。

　　控制系统服务器作为控制系统中心，一方面采集菇房中传感器及室外气象站数据并进行数据处理、存储，实现控制策略和控制算法，并将控制命令通过执行器驱动实现;另一方面，作为一个WEB服务器，多个用户界面客户端可同时通过网络使用http协议远程连接控制系统服务器，获取数据和提交控制系统控制动作命令。

　　二、控制系统硬件设计

　　(一)Modbus总线协议

　　Modbus总线上各通信节点控制器通信使用主一从通信方式，主节点可单独和某一从节点通信，也可以广播模式和所有从节点通信。Modbus协议通信以消息帧为单位，消息帧格式为：

　　地址域+功能代码域+数据域+错误检测域。

　　其中(1)地址域，内容是从节点编号地址;

　　(2)功能代码域，在modbus协议中对一种特定的事务请求可以用一个专门的数字代号来表示;

　　(3)数据域，包含了具体的查询或响应的数据;

　　(4)错误检测域，CRC校验是modbus中最为常用的一种差错校验方法。

　　(二)基于Modbus总线的控制系统硬件系统

　　食用菌工厂化栽培菇房数量较多，所有控制系统硬件设备空间上也有离散分布安装的需求。多个菇房的集中监控要求控制系统服务器具有较高的计算和存储能力。选择工控机作为控制系统服务器硬件，安装在食用菌栽培生产现场，系统充分利用工控机的计算、存储和数据通信能力，将大量的历史数据存储、复杂的智能控制算法和控制策略基于工控机实现，选用工控机同时保证了安装在生产现场的控制服务器在不断电长时运行的情况下的可靠性和抗干扰能力。

　　通过RS485总线连接工控机和传感器和执行器，系统扩展和硬件端口调整灵活，系统软件通过组态设置即可满足不同系统需求和硬件配置;利用RS485总线型网络通信，布线安装简单、节省线材;传感器和执行器通过RS485总线与工控机相连，只负责信号转换，功能简化、单一，从而更易提高可靠性，并可选用标准通用器件产品。

　　三、控制系统服务器设计

　　控制系统服务器主要功能模块及其关系如图2所示。

　　图2 控制系统服务器主要模块

　　控制系统服务器通过实现Modbus Master模块连接传感器和执行器硬件模块。通过Modbus总线通信实现室外气象站、菇房中的传感器数据采集及菇房中执行器驱动控制。对传感器和执行器的硬件封装通过测量与执行层实现。

　　基于测量与执行层，控制系统服务器实现多个环境因子控制回路控制算法及控制策略和优化算法，同时还实现控制系统组态数据管理;控制系统服务器程序无用户交互图形界面，通过内嵌一个轻量级Web服务器，从而实时响应控制系统客户端程序的WEB数据请求，通过C/S软件模式实现控制系统的用户操作界面的各种。

　　(一)控制策略与控制算法实现

　　在控制系统安装调试时，通过实验实现菇房环境因子过程模型辨识，基于菇房温度和湿度环境因子过程模型，使用串级控制与基于过程模型的内模控制算法实现温度和湿度环境因子回路控制，基于PID控制算法实现CO2浓度控制。

　　控制策略是基于输入和设置的食用菌栽培专家经验知识，结合栽培食用菌的生长特性，将食用菌整个栽培周期分树形结构食用菌生长阶段，根据不同阶段及一天不同时段，自动调整食用菌栽培环境因子设置。另外根据当前各环境因子设置值，结合调控设备耗费能量情况及食用菌栽培阶段和时段，根据最大生产利润优化规则，适度调整各环境因子设置及其控制算法参数，以达到减少生产能量投入目的。

　　(二)控制系统组态设置

　　食用菌栽培环境控制系统必须能够适应不同的生产条件和生产规模，控制系统的组态设置可以实现控制系统的适应不同的生产需求。

　　图3 系统组态数据库ER图

　　组态设置通过配置组态数据库实现，控制系统服务器读取组态数据库获取系统配置情况并初始化系统。结合控制系统体系结构及Modbus总线协议特征，设计的组态数据库ER图如图3。通过Excel表格编辑系统组成、传感器及执行器硬件端口和Modbus总线节点地址等组态关信息，然后将Excel表格导入控制系统服务端程序，实现控制系统组态设置。

　　(三)人机界面数据服务

　　控制系统服务无用户操作界面，但嵌入轻量级WEB服务器，以WEB服务的方式响应客户端的用户操作请求。多用户可同时登录连接操作，不同等级权限用户可操作功能不同。目前控制系统用户人机界面实现主要功能菜单如图4 。

　　图4 控制系统主要功能菜单

　　控制系统中操作界面可操作的主要功能包括：

　　(1)系统管理维护功能，实现系统用户管理及系统组态数据维护功能;

　　(2)食用菌日常栽培管理功能，用户分阶段设定食用菌栽培环境因子设定值曲线，还可以通过操作界面手动控制食用菌栽培相关仪器设备;

　　(3)数据显示功能，用户可以选择将控制系统中实时数据以各种表达形式显示，主要有列表和实时数据曲线两种类型形式;

　　(4)数据查询分析功能，对存储的历史数据输入条件查询分析和统计，并生成各种报表，可将历史数据导出为Excel表格以便进一步分析使用。用户还可通过对暖通空调及其他食用菌栽培生产设备的执行情况记录数据进行查询，与对应的环境因子数据进行统计分析，以便优化环境因子控制目标，提高设备效率以达到节能的目的[5]。

　　四、结束语

　　在食用菌栽培环境计算机控制系统研发中，采用基于RS485总线的Modbus总线技术及WEB技术，软件体系结构上采用C/S架构，系统按功能和结构分三层结构，控制系统主要模块控制系统服务器负责数据处理、智能控制与组态配置功能。控制系统硬件上实现分布式控制结构，各子系统相对独立，易于扩展，同时保证各系统可靠性。

　　作者：林东亮 , 林文忠

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