食用菌栽培環(huán)境控制系統(tǒng)服務(wù)器設(shè)計

摘 要：研發(fā)的食用菌栽培環(huán)境計算機(jī)控制系統(tǒng)采用層次化結(jié)構(gòu)。結(jié)合菇房環(huán)境控制需求，基于Modbus總線技術(shù)將分布式的各種控制設(shè)備硬件集中連接到控制系統(tǒng)服務(wù)器監(jiān)控，控制系統(tǒng)各硬件子系統(tǒng)相對獨立，易于擴(kuò)展，同時提高可靠性；控制系統(tǒng)服務(wù)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集處理及智能控制，并具有組態(tài)配置控制系統(tǒng)功能；基于WEB技術(shù)控制系統(tǒng)客戶端連接控制系統(tǒng)服務(wù)器，實現(xiàn)用戶操作界面，可多用戶遠(yuǎn)程并發(fā)連接服務(wù)端操作。

關(guān)鍵詞：Modbus總線；控制系統(tǒng)；組態(tài)；食用菌

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 02-0000-02

食用菌工廠化栽培生產(chǎn)中，利用設(shè)施、設(shè)備人工調(diào)節(jié)食用菌的生長環(huán)境條件，創(chuàng)造出適宜不同菌類不同發(fā)育階段的環(huán)境小氣候是保證食用菌的高產(chǎn)量和高質(zhì)量生產(chǎn)的關(guān)鍵。食用菌栽培環(huán)境控制系統(tǒng)根據(jù)食用菌生長需要，自動智能調(diào)控栽培環(huán)境，從而提高食用菌立體、大規(guī)模、高效率、反季節(jié)周年栽培。因此食用菌工廠化栽培環(huán)境控制系統(tǒng)是食用菌工廠化栽培的核心關(guān)鍵技術(shù)[1]。

設(shè)計的食用菌栽培環(huán)境計算機(jī)控制系統(tǒng)采用Modbus總線[2，3]及WEB服務(wù)等工控技術(shù)，將控制關(guān)鍵功能在控制系統(tǒng)服務(wù)器中實現(xiàn)，控制系統(tǒng)服務(wù)器實現(xiàn)集中數(shù)據(jù)采集處理、控制策略與控制算法，并可組態(tài)配置，以WEB服務(wù)方式相應(yīng)客戶端用戶監(jiān)控操作與數(shù)據(jù)報表統(tǒng)計分析等用戶界面數(shù)據(jù)請求，實現(xiàn)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(zhǔn)調(diào)控。

一、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在食用菌工廠化栽培菇房安裝有各種暖通空調(diào)設(shè)備及相關(guān)電子機(jī)械儀器設(shè)備?？刂葡到y(tǒng)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(huán)境因子進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，控制系統(tǒng)通過控制系統(tǒng)執(zhí)行器驅(qū)動硬件設(shè)備進(jìn)行環(huán)境因子調(diào)控，主要包括通風(fēng)口開度、加熱器、加濕器、通風(fēng)風(fēng)扇、燈光、CO2濃度施加器等控制。

圖1 控制系統(tǒng)組成示意圖

食用菌工廠化栽培具有大規(guī)模、分布式生產(chǎn)的特征，各種傳感器及執(zhí)行器硬件數(shù)量較多。針對食用菌栽培環(huán)境控制系統(tǒng)的需求特征，設(shè)計的控制系統(tǒng)組成及體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。Modbus總線使用RTU通信方式，為了擴(kuò)展RS485總線上物理節(jié)點上的數(shù)量，使用Modbus總線集線器對物理節(jié)點數(shù)量進(jìn)行擴(kuò)展[4]。

控制系統(tǒng)服務(wù)器作為控制系統(tǒng)中心，一方面采集菇房中傳感器及室外氣象站數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲，實現(xiàn)控制策略和控制算法，并將控制命令通過執(zhí)行器驅(qū)動實現(xiàn)；另一方面，作為一個WEB服務(wù)器，多個用戶界面客戶端可同時通過網(wǎng)絡(luò)使用http協(xié)議遠(yuǎn)程連接控制系統(tǒng)服務(wù)器，獲取數(shù)據(jù)和提交控制系統(tǒng)控制動作命令。

二、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

（一）Modbus總線協(xié)議

Modbus總線上各通信節(jié)點控制器通信使用主一從通信方式，主節(jié)點可單獨和某一從節(jié)點通信，也可以廣播模式和所有從節(jié)點通信。Modbus協(xié)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(shù)據(jù)域+錯誤檢測域。

其中（1）地址域，內(nèi)容是從節(jié)點編號地址；（2）功能代碼域，在modbus協(xié)議中對一種特定的事務(wù)請求可以用一個專門的數(shù)字代號來表示；（3）數(shù)據(jù)域，包含了具體的查詢或響應(yīng)的數(shù)據(jù)；（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(tǒng)硬件系統(tǒng)

食用菌工廠化栽培菇房數(shù)量較多，所有控制系統(tǒng)硬件設(shè)備空間上也有離散分布安裝的需求。多個菇房的集中監(jiān)控要求控制系統(tǒng)服務(wù)器具有較高的計算和存儲能力。選擇工控機(jī)作為控制系統(tǒng)服務(wù)器硬件，安裝在食用菌栽培生產(chǎn)現(xiàn)場，系統(tǒng)充分利用工控機(jī)的計算、存儲和數(shù)據(jù)通信能力，將大量的歷史數(shù)據(jù)存儲、復(fù)雜的智能控制算法和控制策略基于工控機(jī)實現(xiàn)，選用工控機(jī)同時保證了安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場的控制服務(wù)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(jī)和傳感器和執(zhí)行器，系統(tǒng)擴(kuò)展和硬件端口調(diào)整靈活，系統(tǒng)軟件通過組態(tài)設(shè)置即可滿足不同系統(tǒng)需求和硬件配置；利用RS485總線型網(wǎng)絡(luò)通信，布線安裝簡單、節(jié)省線材；傳感器和執(zhí)行器通過RS485總線與工控機(jī)相連，只負(fù)責(zé)信號轉(zhuǎn)換，功能簡化、單一，從而更易提高可靠性，并可選用標(biāo)準(zhǔn)通用器件產(chǎn)品。

三、控制系統(tǒng)服務(wù)器設(shè)計

控制系統(tǒng)服務(wù)器主要功能模塊及其關(guān)系如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)服務(wù)器主要模塊

控制系統(tǒng)服務(wù)器通過實現(xiàn)Modbus Master模塊連接傳感器和執(zhí)行器硬件模塊。通過Modbus總線通信實現(xiàn)室外氣象站、菇房中的傳感器數(shù)據(jù)采集及菇房中執(zhí)行器驅(qū)動控制。對傳感器和執(zhí)行器的硬件封裝通過測量與執(zhí)行層實現(xiàn)。

基于測量與執(zhí)行層，控制系統(tǒng)服務(wù)器實現(xiàn)多個環(huán)境因子控制回路控制算法及控制策略和優(yōu)化算法，同時還實現(xiàn)控制系統(tǒng)組態(tài)數(shù)據(jù)管理；控制系統(tǒng)服務(wù)器程序無用戶交互圖形界面，通過內(nèi)嵌一個輕量級Web服務(wù)器，從而實時響應(yīng)控制系統(tǒng)客戶端程序的WEB數(shù)據(jù)請求，通過C/S軟件模式實現(xiàn)控制系統(tǒng)的用戶操作界面的各種。

（一）控制策略與控制算法實現(xiàn)

在控制系統(tǒng)安裝調(diào)試時，通過實驗實現(xiàn)菇房環(huán)境因子過程模型辨識，基于菇房溫度和濕度環(huán)境因子過程模型，使用串級控制與基于過程模型的內(nèi)?？刂扑惴▽崿F(xiàn)溫度和濕度環(huán)境因子回路控制，基于PID控制算法實現(xiàn)CO2濃度控制。

控制策略是基于輸入和設(shè)置的食用菌栽培專家經(jīng)驗知識，結(jié)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(jié)構(gòu)食用菌生長階段，根據(jù)不同階段及一天不同時段，自動調(diào)整食用菌栽培環(huán)境因子設(shè)置。另外根據(jù)當(dāng)前各環(huán)境因子設(shè)置值，結(jié)合調(diào)控設(shè)備耗費能量情況及食用菌栽培階段和時段，根據(jù)最大生產(chǎn)利潤優(yōu)化規(guī)則，適度調(diào)整各環(huán)境因子設(shè)置及其控制算法參數(shù)，以達(dá)到減少生產(chǎn)能量投入目的。

（二）控制系統(tǒng)組態(tài)設(shè)置

食用菌栽培環(huán)境控制系統(tǒng)必須能夠適應(yīng)不同的生產(chǎn)條件和生產(chǎn)規(guī)模，控制系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)置可以實現(xiàn)控制系統(tǒng)的適應(yīng)不同的生產(chǎn)需求。

圖3 系統(tǒng)組態(tài)數(shù)據(jù)庫ER圖

組態(tài)設(shè)置通過配置組態(tài)數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)，控制系統(tǒng)服務(wù)器讀取組態(tài)數(shù)據(jù)庫獲取系統(tǒng)配置情況并初始化系統(tǒng)。結(jié)合控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及Modbus總線協(xié)議特征，設(shè)計的組態(tài)數(shù)據(jù)庫ER圖如圖3。通過Excel表格編輯系統(tǒng)組成、傳感器及執(zhí)行器硬件端口和Modbus總線節(jié)點地址等組態(tài)關(guān)信息，然后將Excel表格導(dǎo)入控制系統(tǒng)服務(wù)端程序，實現(xiàn)控制系統(tǒng)組態(tài)設(shè)置。

（三）人機(jī)界面數(shù)據(jù)服務(wù)

控制系統(tǒng)服務(wù)無用戶操作界面，但嵌入輕量級WEB服務(wù)器，以WEB服務(wù)的方式響應(yīng)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(quán)限用戶可操作功能不同。目前控制系統(tǒng)用戶人機(jī)界面實現(xiàn)主要功能菜單如圖4 。

圖4 控制系統(tǒng)主要功能菜單

控制系統(tǒng)中操作界面可操作的主要功能包括：（1）系統(tǒng)管理維護(hù)功能，實現(xiàn)系統(tǒng)用戶管理及系統(tǒng)組態(tài)數(shù)據(jù)維護(hù)功能；（2）食用菌日常栽培管理功能，用戶分階段設(shè)定食用菌栽培環(huán)境因子設(shè)定值曲線，還可以通過操作界面手動控制食用菌栽培相關(guān)儀器設(shè)備；（3）數(shù)據(jù)顯示功能，用戶可以選擇將控制系統(tǒng)中實時數(shù)據(jù)以各種表達(dá)形式顯示，主要有列表和實時數(shù)據(jù)曲線兩種類型形式；（4）數(shù)據(jù)查詢分析功能，對存儲的歷史數(shù)據(jù)輸入條件查詢分析和統(tǒng)計，并生成各種報表，可將歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)出為Excel表格以便進(jìn)一步分析使用。用戶還可通過對暖通空調(diào)及其他食用菌栽培生產(chǎn)設(shè)備的執(zhí)行情況記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，與對應(yīng)的環(huán)境因子數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，以便優(yōu)化環(huán)境因子控制目標(biāo)，提高設(shè)備效率以達(dá)到節(jié)能的目的[5]。

四、結(jié)束語

在食用菌栽培環(huán)境計算機(jī)控制系統(tǒng)研發(fā)中，采用基于RS485總線的Modbus總線技術(shù)及WEB技術(shù)，軟件體系結(jié)構(gòu)上采用C/S架構(gòu)，系統(tǒng)按功能和結(jié)構(gòu)分三層結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)主要模塊控制系統(tǒng)服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、智能控制與組態(tài)配置功能?？刂葡到y(tǒng)硬件上實現(xiàn)分布式控制結(jié)構(gòu)，各子系統(tǒng)相對獨立，易于擴(kuò)展，同時保證各系統(tǒng)可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]王朝川，李新勝.我國食用菌工廠化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢[J].中國果菜，2013（03）：53-55.

[2]Modicon，Inc.Industrial Automation System.Modicon Modbus Protocol Reference Guide[M].June，1996：22-73.

[3]史運濤，凡杰，杜雯雯，董哲.Modbus TCP驅(qū)動組件設(shè)計實現(xiàn)[J].微計算機(jī)信息，2012（06）.

[4]宋衛(wèi)東，王明友.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的食用菌生產(chǎn)智能化測控系統(tǒng)[J].中國農(nóng)機(jī)化，2012（02）：141-144.

[5]余玲文，張侃諭.基于CAN總線的食用菌控制系統(tǒng)的開發(fā)與研究[J].儀表技術(shù)，2009（2）：63-66.

[作者簡介]林東亮（1974-），男，2010年畢業(yè)于上海大學(xué)，博士，副教授，主要研究方向是工業(yè)過程計算機(jī)控制系統(tǒng)。

[基金項目]福建省科技廳重點項目（項目編號：2011N0026）