田 申

（四川郵電職業(yè)技術(shù)學院，四川 成都 610067）

食用菌產(chǎn)業(yè)作為近年來的朝陽產(chǎn)業(yè)在我國迅速崛起，同時食用菌也成為百姓餐桌上出現(xiàn)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(fā)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(huán)境的要求較高，因此菇房的自動化生產(chǎn)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(tǒng)，通過自動化的調(diào)節(jié)和控制，為實現(xiàn)食用菌的自動化生產(chǎn)創(chuàng)造良好的生長環(huán)境，提高食用菌自動化生產(chǎn)水平，促進菇房的科學化管理進程。

1 相關(guān)理論概述

1.1 食用菌的生產(chǎn)發(fā)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(jīng)有了關(guān)于香菇人工栽培的記錄[1]。在食用菌產(chǎn)業(yè)興起以前，食用菌的生產(chǎn)主要依靠野生采摘和部分個體菇農(nóng)的人工栽培，但隨著人們對食用菌營養(yǎng)價值認識的逐漸加深，加上食用菌栽培技術(shù)快速發(fā)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(chǎn)線，開始了食用菌工廠化生產(chǎn)。進入21世紀，自動化的引進使得食用菌工廠產(chǎn)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(chǎn)方式現(xiàn)狀

我國的食用菌自動化控制生產(chǎn)仍然處于初級發(fā)展的階段，主要是通過引進日本的生產(chǎn)線和自動化控制系統(tǒng)，根據(jù)我國食用菌生產(chǎn)及工廠化建設的實際進行改良和創(chuàng)新。隨著食用菌產(chǎn)業(yè)的崛起，企業(yè)逐漸將智能化控制和自動化生產(chǎn)放在食用菌生產(chǎn)技術(shù)研究的重要位置，加快了食用菌自動化生產(chǎn)的規(guī)?；C械化和自動化進程，目前我國大部分的食用菌生產(chǎn)已經(jīng)是依靠著計算機控制系統(tǒng)下的自動化生產(chǎn)，極大地提高了食用菌生產(chǎn)的效率，增加了我國食用菌的市場競爭優(yōu)勢[3]。

1.3 計算機控制系統(tǒng)在菌菇房自動化控制中的優(yōu)勢

計算機控制系統(tǒng)是當前出菇房自動化控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是食用菌基于計算機自動化控制系統(tǒng)的生產(chǎn)模式是必由之路。計算機控制系統(tǒng)在出菇房自動機控制中具有明顯的優(yōu)勢，使生產(chǎn)工藝更加簡便，利用自動化的生產(chǎn)模式和控制系統(tǒng)設計，簡化工藝流程，提高生產(chǎn)效率；增加了對菇房環(huán)境的監(jiān)測和調(diào)節(jié)控制，由于食用菌對生長環(huán)境的要求高，因此通過自動化的環(huán)境檢測，能夠有效避免環(huán)境對食用菌生長的影響，提高食用菌產(chǎn)量和質(zhì)量；加大計算機控制系統(tǒng)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(chǎn)栽培的成本，還能有效節(jié)約人工成本，僅接種成本就可節(jié)約將近80%，同時工作效率提高4倍～5倍[4]。計算機控制系統(tǒng)在菇房自動機控制中的應用在當前是十分優(yōu)越的工廠化生產(chǎn)模式，有助于實現(xiàn)食用菌生產(chǎn)的現(xiàn)代化。

2 菇房環(huán)境及控制系統(tǒng)總體設計方案

2.1 菇房環(huán)境參數(shù)與調(diào)節(jié)

食用菌對生產(chǎn)環(huán)境的要求很高，對溫度、濕度、光照、水分等都有較為嚴格的規(guī)定，因此菇房的環(huán)境參數(shù)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(fā)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(chǎn)量和質(zhì)量。對食用菌來說，溫度檢測有嚴格的區(qū)間，如香菇（Lentinual edodes） 的菌絲生長最適溫度是24℃～27℃，而子實體發(fā)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(diào)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(jù)實際進行調(diào)節(jié)。

在出菇房的室內(nèi)環(huán)境中，需要利用傳感器、自動數(shù)據(jù)采集等，根據(jù)計算機系統(tǒng)將采集數(shù)據(jù)與設定數(shù)據(jù)進行比較，保障出菇房的生長環(huán)境[6]。

2.2 自動化控制系統(tǒng)工作原理

根據(jù)出菇房對環(huán)境的要求，出菇房控制系統(tǒng)大致分為3個階段：傳感器數(shù)據(jù)采集階段、數(shù)據(jù)分析階段、執(zhí)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(shù)據(jù)均由傳感器采集，環(huán)境采集的參數(shù)傳遞到控制系統(tǒng)進行分析，將設定的數(shù)值與菇房實際數(shù)值進行對比，分析結(jié)果后進行自動化調(diào)節(jié)，達到菇房自動化控制的目的。

2.3 自動化控制系統(tǒng)總體方案

選用飛思卡爾芯片MK60N512VMD100作為菇房計算機系統(tǒng)控制核心，對溫度、濕度和二氧化碳等的數(shù)據(jù)采集均通過電路傳輸?shù)较到y(tǒng)控制芯片，經(jīng)過系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析再通過控制輸出對菇房的生長環(huán)境進行調(diào)節(jié)。除了自動化的控制系統(tǒng)，菇房環(huán)境調(diào)節(jié)也可通過人工控制，工作人員可在上位機界面對數(shù)據(jù)進行人為干預和控制。系統(tǒng)設計總體方案見圖2。

由圖2可知，食用菌的生長環(huán)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(diào)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(tǒng)的硬件設計

3.1 單片機選擇

考慮到菇房的規(guī)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(tǒng)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(tǒng)提供穩(wěn)定的工作狀態(tài)，為計算機控制系統(tǒng)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(tǒng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的作用，由數(shù)據(jù)采集、信號處理和轉(zhuǎn)換單元組成。

3.3 驅(qū)動電路設計

菇房的各項環(huán)境參數(shù)不是一成不變的，而是隨著食用菌生長的需要而隨機調(diào)節(jié)，根據(jù)不同階段設置的預定值，但傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析后如果超出設置的數(shù)值。就需要通過信號傳輸?shù)綀?zhí)行單元對菌菇房的環(huán)境參數(shù)進行調(diào)控，數(shù)據(jù)會通過計算機系統(tǒng)傳送到上位機，操作人員可以根據(jù)實際對菌菇房的環(huán)境參數(shù)進行人為干預[9]。

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

3.4 調(diào)控裝置設計

對菇房的自動化控制通過調(diào)節(jié)裝置來實現(xiàn)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)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(tǒng)調(diào)節(jié)所需的參數(shù)值，對菇房實現(xiàn)調(diào)控裝置的自動化控制。

4 菌菇房自動化控制系統(tǒng)的軟件設計

4.1 自動化控制系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)，對傳感器的傳播信號傳輸?shù)倪M行整理，并再次傳輸?shù)礁鱾€單元模塊，實現(xiàn)自動化控制系統(tǒng)的實時和循環(huán)的自動機控制。

4.2 自動化控制系統(tǒng)模糊控制器的設計

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

菇房環(huán)境參數(shù)的控制和調(diào)節(jié)，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(tǒng)進行監(jiān)測；同時將溫控、澆水等一系列流程由自動化控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制，在保證食用菌質(zhì)量產(chǎn)量的同時，還能極大地為食用菌企業(yè)開源節(jié)流。

5 菇房自動化控制系統(tǒng)搭建與應用測試

5.1 菇房環(huán)境模型的設計

根據(jù)計算機系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)對各項參數(shù)進行數(shù)據(jù)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(nèi)，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(huán)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(tǒng)的應用測試

模型搭建完畢對計算機控制系統(tǒng)進行應用測試，菇房模型內(nèi)以25℃為標準溫度，將電風扇開啟，使菇房模型內(nèi)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(tǒng)的精度進行分析和判定，從而為計算機控制系統(tǒng)在菇房自動化控制中的實際應用提供參考依據(jù)。

由表1可知，在設計的菇房環(huán)境內(nèi)，當菇房外溫比內(nèi)溫高時，執(zhí)行機構(gòu)電吹風能夠達到對菇房內(nèi)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(nèi)溫低時，則需要更多的調(diào)節(jié)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(tǒng)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(jié)語

計算機控制系統(tǒng)在菌菇化自動化控制中的應用已經(jīng)成為食用菌生產(chǎn)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(fā)展階段，還需更多地借鑒國外經(jīng)驗，因此對計算機控制系統(tǒng)的實際監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集及執(zhí)行的研究尤為重要。通過計算機控制系統(tǒng)在菌菇房自動化控制中大范圍的應用，能夠推進食用菌產(chǎn)量和質(zhì)量的提升。食用菌工廠化栽培還能根據(jù)實際情況選擇適宜的計算機控制系統(tǒng)，在降低設備成本和人力成本的同時，也能提高出菇的穩(wěn)定性，為食用菌的自動化、智能化生產(chǎn)奠定堅實的基礎。