計算機控制系統在菇房自動化控制中的應用*

田 申

（四川郵電職業技術學院，四川 成都 610067）

食用菌產業作為近年來的朝陽產業在我國迅速崛起，同時食用菌也成為百姓餐桌上出現頻率最多的食品。粗放式的食用菌栽培顯然不能滿足市場發展的需要，工廠化栽培食用菌得以初步普及。食用菌栽培對環境的要求較高，因此菇房的自動化生產就需要針對食用菌生長適宜的條件和生長習性應用適宜的計算機控制系統，通過自動化的調節和控制，為實現食用菌的自動化生產創造良好的生長環境，提高食用菌自動化生產水平，促進菇房的科學化管理進程。

1 相關理論概述

1.1 食用菌的生產發展歷史

我國是世界上最早認識和利用食用菌的國家之一，早在1 400多年以前，就已經有了關于香菇人工栽培的記錄[1]。在食用菌產業興起以前，食用菌的生產主要依靠野生采摘和部分個體菇農的人工栽培，但隨著人們對食用菌營養價值認識的逐漸加深，加上食用菌栽培技術快速發展，直接推動了食用菌工廠化栽培的進程[2]。改革開放以來，我國相繼從日本、美國、意大利等地引進食用菌工廠化生產線，開始了食用菌工廠化生產。進入21世紀，自動化的引進使得食用菌工廠產量迅速增長，但自動化控制模式仍具有較大的提升空間[3]。

1.2 食用菌生產方式現狀

我國的食用菌自動化控制生產仍然處于初級發展的階段，主要是通過引進日本的生產線和自動化控制系統，根據我國食用菌生產及工廠化建設的實際進行改良和創新。隨著食用菌產業的崛起，企業逐漸將智能化控制和自動化生產放在食用菌生產技術研究的重要位置，加快了食用菌自動化生產的規模化、機械化和自動化進程，目前我國大部分的食用菌生產已經是依靠著計算機控制系統下的自動化生產，極大地提高了食用菌生產的效率，增加了我國食用菌的市場競爭優勢[3]。

1.3 計算機控制系統在菌菇房自動化控制中的優勢

計算機控制系統是當前出菇房自動化控制的關鍵環節，也是食用菌基于計算機自動化控制系統的生產模式是必由之路。計算機控制系統在出菇房自動機控制中具有明顯的優勢，使生產工藝更加簡便，利用自動化的生產模式和控制系統設計，簡化工藝流程，提高生產效率；增加了對菇房環境的監測和調節控制，由于食用菌對生長環境的要求高，因此通過自動化的環境檢測，能夠有效避免環境對食用菌生長的影響，提高食用菌產量和質量；加大計算機控制系統在菇房自動機控制中的應用力度，能夠極大地降低成本，除了生產栽培的成本，還能有效節約人工成本，僅接種成本就可節約將近80%，同時工作效率提高4倍～5倍[4]。計算機控制系統在菇房自動機控制中的應用在當前是十分優越的工廠化生產模式，有助于實現食用菌生產的現代化。

2 菇房環境及控制系統總體設計方案

2.1 菇房環境參數與調節

食用菌對生產環境的要求很高，對溫度、濕度、光照、水分等都有較為嚴格的規定，因此菇房的環境參數控制對于食用菌的生長具有重要的作用。

2.1.1 溫度

溫度是菌絲生長的重要影響因素，溫度過高，就會影響菇體的發育，溫度過低，又會導致菇體不能形成最終的子實體，最終影響食用菌的最終產量和質量。對食用菌來說，溫度檢測有嚴格的區間，如香菇（Lentinual edodes） 的菌絲生長最適溫度是24℃～27℃，而子實體發育的溫度為 12℃～18℃[5]。

2.1.2 濕度

水分是出菇房栽培食用菌不可或缺的因素，而食用菌各個生長階段都離不開對濕度的調控，大部分食用菌適宜的濕度約為80%～90%，少部分則為60%～70%[5]。除了重要的溫度與濕度，二氧化碳和光照的程度也需要根據實際進行調節。

在出菇房的室內環境中，需要利用傳感器、自動數據采集等，根據計算機系統將采集數據與設定數據進行比較，保障出菇房的生長環境[6]。

2.2 自動化控制系統工作原理

根據出菇房對環境的要求，出菇房控制系統大致分為3個階段：傳感器數據采集階段、數據分析階段、執行處理階段[7]，見圖1。

由圖1可知，菇房的溫度、濕度、二氧化碳等數據均由傳感器采集，環境采集的參數傳遞到控制系統進行分析，將設定的數值與菇房實際數值進行對比，分析結果后進行自動化調節，達到菇房自動化控制的目的。

2.3 自動化控制系統總體方案

選用飛思卡爾芯片MK60N512VMD100作為菇房計算機系統控制核心，對溫度、濕度和二氧化碳等的數據采集均通過電路傳輸到系統控制芯片，經過系統數據分析再通過控制輸出對菇房的生長環境進行調節。除了自動化的控制系統，菇房環境調節也可通過人工控制，工作人員可在上位機界面對數據進行人為干預和控制。系統設計總體方案見圖2。

由圖2可知，食用菌的生長環境主要由二氧化碳傳感器、溫濕度傳感器、光電傳感器這些信號調理電路，加熱裝置、風扇、遮光簾這些控制輸出裝備所控制的。

3 菇房自動化控制系統的硬件設計

3.1 單片機選擇

考慮到菇房的規模及成本控制，選用飛思卡爾公司的MK60N512VMD100型號的芯片作為自動化控制系統的芯片，具有高效的定時和控制的功能，而且能夠為整個系統提供穩定的工作狀態，為計算機控制系統的供電與成本減輕負擔，為工廠化食用菌栽培的自動化控制提供條件。

3.2 傳感器的選型與控制設計

對菇房的自動化控制來說，選擇的變量是溫度、濕度、二氧化碳和光照等因素，在硬件系統自動化運作過程中，需要將采集到的溫度、濕度、光照等變量轉換成標準化的輸出信號。傳感器的選型要求在溫度、濕度、二氧化碳濃度的檢測和控制上具有非常高的準確性[8]，組成部分包括傳感器和信號器，傳感器主要組成是熱電偶或熱電阻，信號器則是起到轉換數據的作用，由數據采集、信號處理和轉換單元組成。

3.3 驅動電路設計

菇房的各項環境參數不是一成不變的，而是隨著食用菌生長的需要而隨機調節，根據不同階段設置的預定值，但傳感器采集的數據經過分析后如果超出設置的數值。就需要通過信號傳輸到執行單元對菌菇房的環境參數進行調控，數據會通過計算機系統傳送到上位機，操作人員可以根據實際對菌菇房的環境參數進行人為干預[9]。

針對菇房的規模和成本控制，采用的驅動電路應該是單相直流控交流型固態繼電器，具備開關速度快、工作頻率高、壽命長的特點。輸入電壓應規定為3 V～32 V，負載電壓為24 V～480 V。

3.4 調控裝置設計

對菇房的自動化控制通過調節裝置來實現，調節系統包括加熱器、風扇、加濕器和遮光簾等組成部分，通過計算機自動控制系統調節所需的參數值，對菇房實現調控裝置的自動化控制。

4 菌菇房自動化控制系統的軟件設計

4.1 自動化控制系統主程序控制模塊設計

主程序流程設計應用見圖3所示。

由圖3可知，基于計算機自動控制的菌菇房自動化控制需要進行系統軟件設計，主控制程序的設計應用是最為重要的部分。主控制模塊能夠采集各個子單元的數據，對傳感器的傳播信號傳輸的進行整理，并再次傳輸到各個單元模塊，實現自動化控制系統的實時和循環的自動機控制。

4.2 自動化控制系統模糊控制器的設計

在菇房的自動化控制系統中，通過計算機控制系統使菇房環境各項指標監測的準確度提升，這也是將自動化系統運用于菌菇房食用菌栽培的最終目的。模糊控制系統的控制器一般由輸入、輸出轉接口、執行機構以及傳感器組成，其功能就是將傳感器采集到的數據精確化。事實上，傳感器采集的數據都是模糊量，還需要通過模糊控制軟件將輸入的數據進行精確化[10]，才能達到對菌菇房環境參數的實際控制效果，這也是模糊控制器的重要作用。

菇房環境參數的控制和調節，對食用菌生長起到的作用是巨大的，在減少人力成本的同時，將菌絲、子實體及出菇的過程交給計算機控制系統進行監測；同時將溫控、澆水等一系列流程由自動化控制系統調節控制，在保證食用菌質量產量的同時，還能極大地為食用菌企業開源節流。

5 菇房自動化控制系統搭建與應用測試

5.1 菇房環境模型的設計

根據計算機系統在菇房自動化控制中應用的實際情況，通過搭建模型對控制系統的流程及成效踐行檢驗，搭建與菇房實際相似的模型，模擬菇房自動機控制系統對各項參數進行數據采集。

以長為1.56 m、寬為1.18 m、高為0.87 m的玻璃模型作為模擬菇房的材料，在菇房模型內，以220 V的電吹風作為溫控設備、以直徑為5.5 cm的電扇作為降溫設備，菇房環境模型見圖4所示。

由圖4可知，模型外部需安裝遮光布作為光照控制的設備。

5.2 計算機控制系統的應用測試

模型搭建完畢對計算機控制系統進行應用測試，菇房模型內以25℃為標準溫度，將電風扇開啟，使菇房模型內溫度先降下來；通過升溫控制指令讓電吹風開始工作，當達到設定值（25℃）時進行記錄；當溫度高于設定值時，利用風扇進行排風降溫，同樣進行記錄；以此來對計算機控制系統的精度進行分析和判定，從而為計算機控制系統在菇房自動化控制中的實際應用提供參考依據。

由表1可知，在設計的菇房環境內，當菇房外溫比內溫高時，執行機構電吹風能夠達到對菇房內溫度迅速升高的效果；當外溫與模型溫度接近時，升溫效果可能有所減弱，當外溫比內溫低時，則需要更多的調節時間。對此可以分析，基于濕度、二氧化碳、光照的計算機自動化系統控制也是同樣的原理[11]。

表1 菇房模型計算機控制效果（基于溫度的應用測試）Tab.1 Computer control effect of the deible fungi house model(application test based on temperature)

6 結語

計算機控制系統在菌菇化自動化控制中的應用已經成為食用菌生產的研究重點之一，目前工廠化食用菌自動化控制在我國仍然處于初級發展階段，還需更多地借鑒國外經驗，因此對計算機控制系統的實際監測、數據采集及執行的研究尤為重要。通過計算機控制系統在菌菇房自動化控制中大范圍的應用，能夠推進食用菌產量和質量的提升。食用菌工廠化栽培還能根據實際情況選擇適宜的計算機控制系統，在降低設備成本和人力成本的同時，也能提高出菇的穩定性，為食用菌的自動化、智能化生產奠定堅實的基礎。