微生物培養箱溫濕度控制的信息技術管理應用研究

杜春梅，郭普宇，薛春梅

[摘 要]微生物學在醫學衛生、生物工程、工業發酵等領域都有廣泛應用，在研究微生物結構、功能和生長環境時，都需要借助微生物培養箱。溫度和濕度是影響微生物存活的兩大關鍵因素，因此將信息技術應用在微生物培養箱的溫度控制過程中，能夠做到對溫度、濕度進行靈敏調控，保證微生物實驗研究工作順利完成。本文首先介紹了微生物培養箱溫濕度控制信息技術及其應用，并從技術層面對溫濕度進行有效控制。

[關鍵詞]微生物培養箱；溫濕度；信息技術；控制技術

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2018.08.068

[中圖分類號]Q93-335 [文獻標識碼]A [文章編號]1673-0194（2018）08-0-02

隨著微生物培養箱對溫度和濕度控制要求的不斷提高，溫濕度控制所采用的技術也在進行不斷革新。近年來，隨著我國信息技術及其應用的不斷發展，為進行微生物培養箱溫濕度控制提供了必要的技術支持，在原有控制算法的基礎上，還新增加了遠程監控、網絡通訊等功能，這些都為實現微生物培養箱溫濕度控制提供了幫助。

1 微生物培養箱溫濕度控制信息管理系統的界面設計

1.1 系統登錄界面

微生物培養箱溫度主界面主要供用戶查詢，主要有用戶管理、溫度設置、溫度傳感器狀態查詢、數據查詢以及TCP/IP傳輸界面。

1.2 用戶管理

在用戶管理界面可以新建用戶、刪除用戶、修改密碼、保存以及退出。這樣的設置能夠滿足不同用戶的使用要求。

1.3 溫度設置

溫度可以通過PID設置，在設置PID之前可以進行PID參數調整，通過比較溫度曲線，找到適合的PID參數。

1.4 溫度傳感器狀態查詢

為了更加直觀地知道溫度傳感器的狀態，本文在遠程操作中設置了溫度傳感器的狀態查詢界面。

2 微生物培養箱溫濕度控制的查詢界面設計

數據查詢包括實時曲線、歷史曲線以及歷史數據。用戶可以根據需要選擇測溫范圍以及采集時間。

歷史曲線：用戶查詢歷史曲線時，需要設置時間軸（X軸），包括起始時間和查詢跨度。跨度時間可以自行設置。

歷史數據：用戶查詢實時曲線時可以以報表的形式查詢該樣本的所有歷史溫度值。

3 TCP/IP傳輸

TCP/IP傳輸能夠利用教學交互系統進行遠程操作，這樣能解決因設備少、學生多而引起的一系列問題。TCP/IP主要是進行連接通信協議，在整個過程中需要通過三次傳輸來建立連接，待通信環節結束后方可拆除連接。該傳輸技術主要針對端到端通訊。在進行微生物培養箱溫度控制系統設計時，TCP/IP傳輸能夠提供一種可靠的數據流服務，而且能夠運用“滑動窗口”的方式進行流量控制，從而限制發送方的數據傳輸速度。

4 微生物培養箱溫濕度控制技術的信息化管理應用

在微生物培養箱研究早期，由于溫度和濕度控制經常出現串擾，因此有技術人員提出了將溫度和濕度單獨進行控制的設想。該設想將微生物培養箱的整個控制系統改為雙閉環控制，系統設定“溫度”為優先級控制，當溫度調控到目標值后，再調節培養箱內濕度值。由于雙閉環控制避免了溫度、濕度相互影響，可以保證溫濕度都達到預期的控制要求。但是現階段這種設想還處于試驗階段，具體的應用效果還有待進一步的驗證和優化。

目前，比較成熟的微生物培養箱溫濕度控制技術，是借助于設備內置的單片機（小型計算機），通過人為錄入程序，根據程序算法對培養箱內的溫濕度進行控制。同時，在培養箱內部安裝多個傳感裝置，這些傳感器可以分別收集溫度信號、濕度信號，然后將其轉化為二進制信號被單片機所識別。單片機根據程序指令，自動微調溫度和濕度，精確值可以滿足微生物培養的要求。這種基于程序算法的溫濕度控制技術，雖然具有一定的應用優勢，但是對硬件要求較高。

5 基于控制算法的溫濕度信息化控制技術

5.1 傳統PID控制算法在溫濕度控制中的應用

PID控制器是一種典型的反饋回路控制裝置，前端數據采集器將收集到的信號傳遞到控制單元中，與控制單元內部數據庫的存儲信息進行比較，然后將兩者之間的差值作為新的輸入值，完成參數的調整。就目前來看，市場上70%左右的微生物培養箱，都是采用這種傳統PID控制算法。這種算法的應用優勢在于具有較強的自適應能力，可以通過技術人員編寫的調控指令，對不同型號、參數的微生物培養箱進行動態調整，從而提高了經濟利用價值。但是隨著新技術的應用，這種基于傳統算法的控制技術，也逐漸暴露出一些問題，例如信息化程度不高，尤其是在一些溫濕度要求精度較高的條件下，傳統PID算法由于精度達不到要求，而難以滿足微生物培養的需要。

5.2 智能PID控制算法在溫濕度控制中的應用

微生物對于培養箱內環境變化的敏感程度較高，尤其是那些具有較高科研價值或經濟價值的微生物，如果因為溫濕度控制不當導致微生物大量死亡或科研工作失敗，將會造成嚴重的損失。因此，在傳統PID控制算法的基礎上，近年來技術人員致力于進行技術改良，克服傳統PID控制算法的缺陷。智能PID控制算法結合了近年來蓬勃發展的人工智能技術，其應用優勢主要體現在三個方面：第一，融入了模糊算法，可以更加便捷、自動地調整控制變量，使溫度、濕度值的精確性滿足微生物培養要求；第二，對硬件設備的要求降低，無形中降低了技術成本；第三，可以利用智能控制實現外部硬件設備聯動，除了可以應用于微生物培養外，還可以應用到其他控制環境中。

6 微生物培養箱溫濕度控制信息技術的應用要點

6.1 合理選擇控制器

控制器是微生物培養箱溫濕度調控的核心設備，科學選用控制器也成為提高溫濕度控制性能的一種有效方法。就目前來說，微生物培養箱所選用的溫濕度控制器主要分為兩大類：一種是單片機（單片微型控制器），另一種是PLC（可編程邏輯控制器）。這兩種控制器的應用領域不同，且各有自己的優缺點。