基于物聯網技術的食用菌干品貯藏條件監控系統*

李 強

（西安翻譯學院 商學院，陜西 西安 710105）

新鮮食用菌因保持期短不易貯存，一般會加工成干品以延長貯存時間。食用菌干品在銷售市場中占有重要的地位，但因其屬易受潮、易變質食品，因此貯藏過程需要對溫度和濕度嚴格控制。人工控制溫濕度十分困難，一般采用自動化控制技術來時刻監控貯藏環境的變化，保證食用菌干品的風味和口感，保持食用菌干制品的儲藏品質[1]。

采用了先進的物聯網模糊PID 控制技術，設計了食用菌干品貯藏的監控系統，對貯藏溫濕度進行智能控制，以提高貯藏環境的自動化監控水平。

1 監控系統主要硬件設備選型

食用菌干品貯藏條件監控系統主要涉及溫度和濕度控制，其控制核心是嵌入式微控制器，選用PHILIPS 公司的基于ARM7 TDMI-S CPU 內核的LPC2103 微控制器。在溫度檢測電路設計中的傳感器選擇要考慮食用菌干品的貯存濕度，食用菌干品的水分一般要求控制在10%~15%之間；溫度基本控制在0~15℃，但隨品種的不同會有不同的要求，如平菇一般要求0~2℃，香菇要求4℃~6℃，草菇要求10℃~12℃[2]。因此，我們選用測溫范圍為0～15℃的溫度傳感器，測量范圍為50%~90%的數字式濕度傳感器，內部集成了溫濕度檢測、A/D 轉換、信號處理、數據存儲等模塊[3]。由于食用菌干品貯藏廠房一般面積都較大、測量范圍廣、溫濕度變化相對緩慢，因此在監控測量時需要進行多點監控，以便更加準確地反應廠房內溫濕度的整體信息。基于對監控系統應用需求、現場測量環境、精度、測量范圍等多方面因素的考慮進行設備選型。

溫度監控選用由DALLAS 公司生產的數字溫度傳感器DS18B20。DS18B20 共有3 個引腳，1 腳接地，2 腳接LPC2103 的I/O 口用作數據通信，3 腳接5V 電源。由于貯藏廠房面積較大，且在存放、檢查貨物時會頻繁開啟、關閉庫門，所以貯藏廠房中的溫度分布往往是不均勻的[4-5]。通常情況下離庫門較遠的地方以及冷風機附近的溫度較低，而離庫門較近的地方溫度則相對較高，只有綜合反映貯藏廠房內的平均溫度才能更好的實現對貯藏廠房溫度的控制，因此在設計系統時共選擇了3 個溫度測量點，庫門近端、庫門遠端和離吊頂一定距離的冷風機附近。根據這3 個點的測量值可以大體估算出貯藏廠房內的平均溫度，以監控溫度的變化再進行調節。

2 監控系統軟件設計

基于ADS 1.2（ARM Developer Suite） 集成平臺來開發設計監控系統軟件，整個監控系統軟件設計的功能模塊圖見圖1。

由圖1 可知，食用菌干品貯藏監控系統軟件采用模塊化設計，主要有系統及設備初始化、監控數據采集、用戶設置、狀態顯示和設備控制4 大模塊。

2.1 監控系統主程序設計

通過對芯片的初始化，監控系統控制LPC2103的引腳調用各子系統功能。由于LPC2103 規定了被定義為通用輸入輸出接口的引腳在使用前需要聲明該引腳方向，否則將不能正常通信，而對于被定義為其他功能的引腳則不能通過這種方式設置引腳方向。因此，在程序設計時應先將所有通用輸入輸出接口的引腳方向定義為輸出，再對改變引腳方向的設置。主程序流程圖如圖2 所示。

由圖2 可知，監控系統實現的功能是不斷地采集當前貯藏廠房中的溫度數據信息并將其與目標值比較，如果實際值偏離目標值的范圍超過了系統設定的界限則啟動設備改變貯藏廠房中的狀態，因此主程序的核心部分需要在一個死循環中反復執行。在該循環中包括了鍵盤輸入子程序、溫度數據采集子程序、定時器自動計時子程序，并與溫度、濕度調節設備進行自動聯接控制，開戶制冷融霜或加熱加濕等設備控制子程序。

2.2 溫度數據采集模塊程序設計

監控系統數字溫度傳感器DS18B20 需要通過控制器I/O 接口來實現對其控制以及溫度數據的讀取，對于一次濕度數據采集需要調用的基本函數是初始化函數、讀函數、寫函數。具體數據采集過程為，控制器在t0 時刻向總線發送一個低電平復位脈沖，持續480 us~960 us；然后在t1 時刻控制器釋放總線接收DS18B20 的狀態信息；DS18B20 在檢測到總線的上升沿15 us~60 us 后在t2 時刻向總線發送低電平存在脈沖，持續60 us~240 us，如果控制器成功收到DS18B20 的信息，則初始化完成。初始化函數的程序如下。

濕度傳感器啟動、數據采集、數據讀取等操作的控制都是通過DS18B20 中存儲器的操作指令函數進行的，對它的控制是通過主機發送相應命令實現的。每一個DS18B20 在出廠時在它的ROM中都已經固化了一個唯一的48 位序列號，當需要實現一根總線多路測量時就需要先匹配序列號，確定是對哪一個傳感器的操作。在系統硬件設計中已將傳感器分布于3 個測量點，因此可以采集溫度可信。

溫度采集流程圖如圖3 所示。

由圖3 可知，在采集溫度數據時首先是對DS18B20 進行初始化，接著發送跳過ROM 指令并啟動所有的DS18B20 轉換溫度，在需要讀取溫度時首先要發送匹配ROM 指令，主機根據每個傳感器的序列號匹配到相應的傳感器后再逐一的讀回每個傳感器的溫度。

3 監控系統溫濕度控制算法研究

食用菌干品貯藏環境的溫濕度控制是高階、大慣性、大滯后的控制系統。為了實現其精準控制，也為了節省能源開銷，一般采用的技術是結合溫控器等設備的雙位控制，這種方式只需要設定溫濕度控制參數范圍，當溫度超限時觸發制冷制熱等調節設備，但這種控制方法有被控參數不穩定、能耗大的缺陷，已經慢慢被淘汰。本監控系統采用PID 控制算法，大大提高了溫濕度控制精度，其算法調速快、控制穩定、精度高，已經被廣泛應用于工業監控等控制領域[6]。

3.1 溫濕度模糊化控制

本監控系統設計了3 個分布在不同位置的溫濕度傳感器用于測量數據。因此，系統溫濕度控制算法只需要整定PID 控制算法的3 個參數WP、WI、WD，根據監控系統當前的誤差以及變化趨勢，不斷調整PID控制的參數，保證對溫濕度的控制處于良好的控制精度和控制狀態，從而保障整個監控系統運行的穩定性。系統設計的模糊控制器采用兩輸入，即誤差E和其變化量Ec；3 個輸出量分別是3 個參數WP、WI、WD的調節量ΔWP、ΔWI、ΔWD，溫度偏差值E（w）公式和溫度偏差變化量EL（w） 公式為：

式中：冷庫目標溫度為T0，冷庫中實測溫度為T（w），

依據系統調節環境確定的系統輸入輸出量的實際變化范圍為溫度偏差E[-10℃，10℃]；溫度偏差變化量EC[-10℃，10℃]；PID 控制參數WP[-360，360]，WI[-0.6，0.6]，WD[-0.3，0.3]。在控制器設計中，定義模糊變量e為輸入誤差E的基本量化論域，模糊變量ec為輸入誤差變化量Ec的基本量化論域，模糊變量WP、WI、WD為PID 三個參數調節量ΔWP、ΔWI、ΔWD的基本量化論域。量化論 域 的 集 合 均 為 {-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

確定模糊控制器設計中定義的與基本量化論域相對應的模糊子集為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM,PB}。設系統誤差的基本論域為[-E，E]，量化論域為[-n，-（n-1），Λ，0，Λ，（n-1），n]。其中任取的E（w）∈[-E，E] 表示誤差變化的精確值，N（e）表示量化論域中的離散值，此時N（e）與E（w）之間存在如下量化關系：N（e）=W（e）×E（w），其中W（e）稱為量化因子，計算公式為：

系統經過模糊控制器后得到的控制輸出量是對應在量化論域區間的量值，要想使其轉換為作用于執行機構的系統輸入量，還需要一個比例因子，因此可以設輸出量論域為[-u，u]，量化論域為[-m，-（m-1），Λ，0，Λ，（m-1），m]，則系統比例因子公式為：

在論域轉化中由于輸入量是由模擬量到數字量的轉化，因此對于轉化中出現的小數，一般都通過四舍五入做取整處理。由量化因子、比例因子的計算公式可得系統設計中的量化因子We=Wec=0.06，比例因子ΔWP=60、ΔWI=0.1、ΔWD=0.05。

再通過三角形隸屬函數可以描述量化論域到模糊子集的轉換，從而得到一個隸屬度。然后根據本監控系統溫濕度的濕度變化特征，結合PID 參數調節規律，給出一個類似專家系統的模糊控制規則表并總結歸納出若干模糊條件語句，模糊條件語句一般以“IF ……THEN……”的規則描述方式，從而為監控系統建立一種系統輸入和輸出之間的模糊規則關系，根據這些模糊規則關系得出模糊控制輸出量，即PID 控制中3 個參數的調節量，從而實現監控系統的溫濕度模糊控制。

3.2 溫濕度模糊PID 控制流程

在溫濕度模糊PID 控制算法程序設計時，采用浮點運算的方式，在計算輸出量時將結果取整，以提高PID 控制算法的精確度。首先通過計算采樣值得出模糊控制的輸入量，即溫濕度偏差與溫濕度偏差變化量，然后對輸入量進行模糊化處理，查詢模糊控制規則表并根據模糊推理過程計算公式得出模糊控制輸出量，最后對輸出量去模糊化，得出控制量精確值。

依據該輸出量與PID 控制參數初始值計算當前PID 控制參數調節值，之后程序調用溫度偏差、溫度偏差變化量，并計算前K 次溫度偏差之和計算PID 控制最終輸出量，控制器根據該結果控制制冷制熱等設備實現對貯藏環境的溫濕度流量控制，從而保持整個貯藏環境溫濕度的精確、穩定控制，縮短控制調節時間，實現對溫濕度的最優控制。

4 結論

食用菌干品的貯藏主要是控制環境的溫濕度，針對食用菌干品貯藏監控系統的設計問題，研究了將先進的嵌入式技術應用到貯藏環境的溫濕度控制系統的設計中，設計開發了監控系統的硬件選型和軟件監控程序，并通過模糊PID 控制算法為主要控制策略，實現了監控系統的溫濕度模糊控制。后期還需要對監控系統增加移動通信報警功能，當監控系統異常時及時告知用戶盡早處理，減少不必要的損失；同時在食用菌干品的貯藏條件監控上，還應該加強防蟲害、防霉腐等監控手段的研究。