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食用菌工廠化栽培生產中，利用設施、設備人工調節食用菌的生長環境條件，創造出適宜不同菌類不同發育階段的環境小氣候是保證食用菌的高產量和高質量生產的關鍵。食用菌栽培環境控制系統根據食用菌生長需要，自動智能調控栽培環境，從而提高食用菌立體、大規模、高效率、反季節周年栽培。因此食用菌工廠化栽培環境控制系統是食用菌工廠化栽培的核心關鍵技術。
　　設計的食用菌栽培環境計算機控制系統采用Modbus總線及WEB服務等工控技術，將控制關鍵功能在控制系統服務器中實現，控制系統服務器實現集中數據采集處理、控制策略與控制算法，并可組態配置，以WEB服務方式相應客戶端用戶監控操作與數據報表統計分析等用戶界面數據請求，實現將多個空間上具有一定距離分布的食用菌菇房集中式自動精準調控。
　　一、控制系統結構
　　在食用菌工廠化栽培菇房安裝有各種暖通空調設備及相關電子機械儀器設備。控制系統主要針對菇房溫度、濕度、CO2濃度、光照度、食用菌栽培基的溫度等環境因子進行精準調控，控制系統通過控制系統執行器驅動硬件設備進行環境因子調控，主要包括通風口開度、加熱器、加濕器、通風風扇、燈光、CO2濃度施加器等控制。

圖1 控制系統組成示意圖

　　食用菌工廠化栽培具有大規模、分布式生產的特征，各種傳感器及執行器硬件數量較多。針對食用菌栽培環境控制系統的需求特征，設計的控制系統組成及體系結構如圖1所示。Modbus總線使用RTU通信方式，為了擴展RS485總線上物理節點上的數量，使用Modbus總線集線器對物理節點數量進行擴展。
　　控制系統服務器作為控制系統中心，一方面采集菇房中傳感器及室外氣象站數據并進行數據處理、存儲，實現控制策略和控制算法，并將控制命令通過執行器驅動實現；另一方面，作為一個WEB服務器，多個用戶界面客戶端可同時通過網絡使用http協議遠程連接控制系統服務器，獲取數據和提交控制系統控制動作命令。
　　二、控制系統硬件設計
　　（一）Modbus總線協議
　　Modbus總線上各通信節點控制器通信使用主一從通信方式，主節點可單獨和某一從節點通信，也可以廣播模式和所有從節點通信。Modbus協議通信以消息幀為單位，消息幀格式為：
　　地址域+功能代碼域+數據域+錯誤檢測域。
　　其中（1）地址域，內容是從節點編號地址；（2）功能代碼域，在modbus協議中對一種特定的事務請求可以用一個專門的數字代號來表示；（3）數據域，包含了具體的查詢或響應的數據；（4）錯誤檢測域，CRC校驗是modbus中最為常用的一種差錯校驗方法。
　　（二）基于Modbus總線的控制系統硬件系統
　　食用菌工廠化栽培菇房數量較多，所有控制系統硬件設備空間上也有離散分布安裝的需求。多個菇房的集中監控要求控制系統服務器具有較高的計算和存儲能力。選擇工控機作為控制系統服務器硬件，安裝在食用菌栽培生產現場，系統充分利用工控機的計算、存儲和數據通信能力，將大量的歷史數據存儲、復雜的智能控制算法和控制策略基于工控機實現，選用工控機同時保證了安裝在生產現場的控制服務器在不斷電長時運行的情況下的可靠性和抗干擾能力。
　　通過RS485總線連接工控機和傳感器和執行器，系統擴展和硬件端口調整靈活，系統軟件通過組態設置即可滿足不同系統需求和硬件配置；利用RS485總線型網絡通信，布線安裝簡單、節省線材；傳感器和執行器通過RS485總線與工控機相連，只負責信號轉換，功能簡化、單一，從而更易提高可靠性，并可選用標準通用器件產品。
　　三、控制系統服務器設計
　　控制系統服務器主要功能模塊及其關系如圖2所示。

　　圖2 控制系統服務器主要模塊
　　控制系統服務器通過實現Modbus Master模塊連接傳感器和執行器硬件模塊。通過Modbus總線通信實現室外氣象站、菇房中的傳感器數據采集及菇房中執行器驅動控制。對傳感器和執行器的硬件封裝通過測量與執行層實現。
　　基于測量與執行層，控制系統服務器實現多個環境因子控制回路控制算法及控制策略和優化算法，同時還實現控制系統組態數據管理；控制系統服務器程序無用戶交互圖形界面，通過內嵌一個輕量級Web服務器，從而實時響應控制系統客戶端程序的WEB數據請求，通過C/S軟件模式實現控制系統的用戶操作界面的各種。
　　（一）控制策略與控制算法實現
　　在控制系統安裝調試時，通過實驗實現菇房環境因子過程模型辨識，基于菇房溫度和濕度環境因子過程模型，使用串級控制與基于過程模型的內模控制算法實現溫度和濕度環境因子回路控制，基于PID控制算法實現CO2濃度控制。
　　控制策略是基于輸入和設置的食用菌栽培專家經驗知識，結合栽培食用菌的生長特性，將食用菌整個栽培周期分樹形結構食用菌生長階段，根據不同階段及一天不同時段，自動調整食用菌栽培環境因子設置。另外根據當前各環境因子設置值，結合調控設備耗費能量情況及食用菌栽培階段和時段，根據最大生產利潤優化規則，適度調整各環境因子設置及其控制算法參數，以達到減少生產能量投入目的。
二）控制系統組態設置
　　食用菌栽培環境控制系統必須能夠適應不同的生產條件和生產規模，控制系統的組態設置可以實現控制系統的適應不同的生產需求。

　
　圖3 系統組態數據庫ER圖
　　組態設置通過配置組態數據庫實現，控制系統服務器讀取組態數據庫獲取系統配置情況并初始化系統。結合控制系統體系結構及Modbus總線協議特征，設計的組態數據庫ER圖如圖3。通過Excel表格編輯系統組成、傳感器及執行器硬件端口和Modbus總線節點地址等組態關信息，然后將Excel表格導入控制系統服務端程序，實現控制系統組態設置。
　　（三）人機界面數據服務
　　控制系統服務無用戶操作界面，但嵌入輕量級WEB服務器，以WEB服務的方式響應客戶端的用戶操作請求。多用戶可同時登錄連接操作，不同等級權限用戶可操作功能不同。目前控制系統用戶人機界面實現主要功能菜單如圖4 。

　
　圖4 控制系統主要功能菜單
　　控制系統中操作界面可操作的主要功能包括：（1）系統管理維護功能，實現系統用戶管理及系統組態數據維護功能；（2）食用菌日常栽培管理功能，用戶分階段設定食用菌栽培環境因子設定值曲線，還可以通過操作界面手動控制食用菌栽培相關儀器設備；（3）數據顯示功能，用戶可以選擇將控制系統中實時數據以各種表達形式顯示，主要有列表和實時數據曲線兩種類型形式；（4）數據查詢分析功能，對存儲的歷史數據輸入條件查詢分析和統計，并生成各種報表，可將歷史數據導出為Excel表格以便進一步分析使用。用戶還可通過對暖通空調及其他食用菌栽培生產設備的執行情況記錄數據進行查詢，與對應的環境因子數據進行統計分析，以便優化環境因子控制目標，提高設備效率以達到節能的目的。
　　四、結束語
　　在食用菌栽培環境計算機控制系統研發中，采用基于RS485總線的Modbus總線技術及WEB技術，軟件體系結構上采用C/S架構，系統按功能和結構分三層結構，控制系統主要模塊控制系統服務器負責數據處理、智能控制與組態配置功能。控制系統硬件上實現分布式控制結構，各子系統相對獨立，易于擴展，同時保證各系統可靠性。（福建閩江學院 林東亮 林文忠）