郭洪恩，劉陽，2，楊化偉，褚幼暉，張志勇，何青海

（1.250100 山東省 濟南市 山東省農(nóng)業(yè)機械科學研究院；2.250357 山東省 濟南市 山東交通學院；3.030031 山西省 晉中市 山西農(nóng)業(yè)大學）

0 引言

菇房是人工栽培食用菌，由人工控制溫度、濕度、通風、光線環(huán)境的出菇廠房。菇房通過自動控制系統(tǒng)對環(huán)境的高精度控制實現(xiàn)四季出菇，使菌菇生長不受或很少受外界自然環(huán)境的影響。這種培育方式大大縮短了菌菇的生長周期，提高了菌菇的質量和產(chǎn)量，解決了菇農(nóng)靠天吃飯的難題，這種新型的種植方式是未來新型農(nóng)業(yè)的新業(yè)態(tài)。

在國外，荷蘭[1]最早開始對菇房工廠化的研究，而美國將計算機最早應用于菇房，通過對CO2濃度、溫度、濕度等諸多環(huán)境因子進行自動化控制，實現(xiàn)作物全天性高效生產(chǎn)[2]。國內(nèi)，福建農(nóng)林大學的李海蕓[3]等分別對溫度、濕度這2 個環(huán)境因子進行獨立式控制，設計了基于西門子S7-200 PLC 的溫濕度控制系統(tǒng)。經(jīng)試驗，該菇房溫濕度控制系統(tǒng)穩(wěn)定，實現(xiàn)了菇房脫離計算機對現(xiàn)場環(huán)境實時控制；河南科技大學的朱學峰[4]等設計了雙孢菇工廠化生產(chǎn)環(huán)境因子調(diào)控系統(tǒng)，開發(fā)了控溫、調(diào)濕裝置，設計了多因素模糊控制策略,實現(xiàn)了環(huán)境溫濕度、培養(yǎng)料土溫濕度的綜合調(diào)控。

國內(nèi)外對菇房的環(huán)境因子做了大量研究，但都缺乏對菇房光照的深入研究。基于此，本文開發(fā)了一種菇房光照管理系統(tǒng)。以西門子S7-200 Smart PLC 作為主要控制元件，通過程序調(diào)節(jié)光源位置、光照時間、光照度和光質，采用昆侖通態(tài)公司的觸摸屏進行人機交互。菇房光照控制系統(tǒng)能夠有效提高菇房的自動化程度，實現(xiàn)節(jié)省人工成本、提高企業(yè)經(jīng)濟效益的目的。

2 控制系統(tǒng)結構與原理

2.1 控制系統(tǒng)組成

菇房光照控制系統(tǒng)包括區(qū)域劃分模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、管理模塊、信息存儲模塊、用戶終端、控制模塊、位置調(diào)節(jié)器、LED 燈光模塊和電源模塊?？刂葡到y(tǒng)結構如圖1 所示。電源模塊為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、管理模塊、控制模塊、位置調(diào)節(jié)器和LED 燈光模塊供電。采用遠程和本地2 種操作模式，有自動和手動2 種控制方式。

圖1 控制系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 Structure diagram of control system

2.1.1 數(shù)據(jù)處理模塊

來自數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)經(jīng)圖像預處理、圖像分割、圖像特征提取和圖像分類，借助圖像識別技術[5]判斷該區(qū)域當前菌棒處于營養(yǎng)菌絲生長階段、菌絲轉色形成階段、原基形成階段以及子實體生長階段中的哪一階段或出現(xiàn)哪種病變，將不同區(qū)域的菌棒生長情況、病變情況上傳至信息存儲模塊，管理模塊和用戶終端。數(shù)據(jù)處理模塊流程如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理模塊流程圖Fig.2 Flow chart of data processing module

2.1.2 管理模塊

管理模塊將來自數(shù)據(jù)處理模塊的菌棒生長按照初始設定給控制模塊發(fā)出不同指令，調(diào)節(jié)燈光模塊位置、光照時間、光照度和光質。之后，將來自信息存儲系統(tǒng)的優(yōu)質菌棒光照環(huán)境進行深度學習，多次迭代，找出菌棒最適宜的光照環(huán)境。在菌棒生長時不斷給控制模塊指令，讓其改變位置調(diào)節(jié)器和LED 燈光模塊運行，盡可能地讓菇房內(nèi)所有菌棒生長在一樣的光照環(huán)境?？刂颇K方面，首先，按照初始設定的不同指令，調(diào)節(jié)光源位置、光照時間、光照度和光質；然后，將菌棒光照環(huán)境進行深度學習，多次迭代，找出菌棒最適宜的光照環(huán)境。在菌棒生長時不斷更新指令，讓菇房內(nèi)菌棒生長更優(yōu)質。管理模塊流程如圖3 所示。

圖3 管理模塊流程圖Fig.3 Flow chart of management module

2.1.3 控制模塊

控制模塊接收管理模塊發(fā)出的指令控制位置調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)位置，通過亮度調(diào)節(jié)器控制燈光模塊光照時間、光照度和光質，還接收用戶終端發(fā)來的指令控制位置調(diào)節(jié)器和燈光模塊。

3 控制系統(tǒng)設計

3.1 硬件選擇

因需要進行圖像處理和深度學習，故選用電腦來實現(xiàn)。在工業(yè)平板電腦和商用電腦的選擇上，因工業(yè)平板電腦能適應復雜的工作環(huán)境，且本身的結構設計使其功耗低，具備良好的三防效果，且菇房光照管理需要電腦長時間運行。綜上，選擇工業(yè)平板電腦。選用研凌的iTPC-A113 工業(yè)平板電腦，處理器參數(shù)為i7-8565U，內(nèi)存4 G，硬盤128 G，屏幕25.65 cm，支持RS485 串口通信。參見圖4。

圖4 研凌的iTPC-A113 工業(yè)平板電腦外觀圖Fig.4 Appearance of Yanling's iTPC-A113 industrial tablet

觸摸屏采用昆侖通態(tài)公司TPC1061Ti。該觸摸屏采用25.9 cm 高亮度TFT 液晶顯示屏（分辨率1 024×600），四線電阻式觸摸屏（分辨率4 096×4 096），預裝MCGS 嵌入式組態(tài)軟件（運行版），具備強大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能。昆侖通態(tài)TPC1061Ti 觸摸屏如圖5 所示。

圖5 昆侖通態(tài)TPC1061Ti 觸摸屏外觀圖Fig.5 Appearance of Kunlun on state TPC1061Ti touch screen

下位機采用西門子公司的 S7-200 Smart PLC作為核心控制器，通過模擬量輸入接口對菇房現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行采集，根據(jù) PLC 程序所設定的控制邏輯，控制各個執(zhí)行機構的輸出?，F(xiàn)場傳感器包括光照傳感器、計時器。為了獲得更準確的環(huán)境信息，在菇房布置了9 個光強傳感器，9 組LED 燈和位置調(diào)節(jié)器。CPU 使用的是晶體管輸出的ST40，并擴展了1 個模擬量輸入輸出模塊AM06、1 個模擬量輸入模塊AE08、3 個模擬量輸出模塊AQ04，共有12 個模擬量輸入接口和18 個模擬量輸出接口。PLC 型號及外接模塊型號如表1 所示。

表1 PLC 型號及外接模塊型號圖Tab.1 Model diagram of PLC and external module

3.2 觸摸屏界面設計

觸摸屏是人機交互窗口，設計的菇房光照控制系統(tǒng)主要界面包括實時顯示、參數(shù)設置、報警等功能[6]。系統(tǒng)啟動后直接進入主界面，其中包含食用菌實時生長界面、操作界面和報警記錄界面。食用菌實時生長界面將整個菇房產(chǎn)區(qū)的菇房編號，把菇房內(nèi)部劃分成9 個區(qū)域，通過點擊能夠選擇查看不同菇房、不同區(qū)域的食用菌生長監(jiān)控視頻。界面的右側就是選定的菇房區(qū)域實時監(jiān)控視頻。實時生長界面如圖6 所示。

圖6 食用菌實時生長界面示意圖Fig.6 Schematic diagram of real-time growth interface of edible fungi

操作界面如圖7 所示。菇房光照控制系統(tǒng)操作界面上部設置有遠程控制和本地控制2 種模式；中部是對調(diào)節(jié)光照時間、光照度、光質和位置傳感器的控制方式選擇。手動選擇是操作下部的手動調(diào)節(jié)區(qū)，使用者旋轉旋鈕可將光照時間在0～24 h 之間調(diào)整，光照度和光照時間的調(diào)節(jié)亦然。光質選擇需要點擊圓形，圓形內(nèi)部有眾多光質可供設置。位置調(diào)節(jié)器有前后左右可供設置，點擊上箭頭分別是前和左，下箭頭分別是后和右。

圖7 操作界面示意圖Fig.7 Schematic diagram of operation interface

報警記錄界面如圖8 所示。當食用菌出現(xiàn)病變或設備出現(xiàn)異常，報警界面會記錄報警日期、報警時間、報警位置、報警原因和處理結果；報警通過報警燈和蜂鳴器提示，幫助人們及時排除報警原因，保證設備正常運行和食用菌健康生長。

圖8 報警記錄界面示意圖Fig.8 Schematic diagram of alarm recording interface

3.3 控制系統(tǒng)程序設計

編寫程序實現(xiàn)傳感器參數(shù)的采集，由工業(yè)平板電腦處理，向PLC[7]發(fā)出指令控制光照環(huán)境參數(shù)。系統(tǒng)整體程序流程圖如圖9 所示。

圖9 系統(tǒng)整體程序流程圖Fig.9 Overall program flow chart of the system

首先通過攝像頭對菇房進行圖像采集，然后將采集的數(shù)據(jù)傳給工業(yè)平板電腦進行圖像處理，處理后的圖像與標準圖像進行比較，判定菇房內(nèi)食用菌處于營養(yǎng)菌絲生長階段、菌絲轉色形成階段、原基形成階段以及子實體生長階段的哪一生長階段，再判斷是否有優(yōu)質食用菌生長的環(huán)境信息。沒有通過初始設定的，讓PLC 改變光源位置、光照時間，光照度和光質。有優(yōu)質食用菌生長的環(huán)境信息就給PLC 信號，讓PLC 控制光源位置、光照時間，光照度和光質。將生長出的優(yōu)質食用菌生長環(huán)境傳給工業(yè)平板電腦進行深度學習，多次迭代，找出優(yōu)質食用菌最適宜的光照環(huán)境。

4 結論

本文研發(fā)的菇房光照控制系統(tǒng)，通過攝像頭采集菇房信息，由工業(yè)平板電腦進行圖像處理，以此判斷菇房內(nèi)食用菌所處的生長階段，再將預設的不同生長階段的光照指令給PLC 調(diào)節(jié)光照時間、光照度和光質，記錄優(yōu)質食用菌的光照信息，再經(jīng)工業(yè)平板電腦深度學習，多次迭代，將最適合食用菌生長的光照信息指令給PLC 控制光照時間、光照度和光質，不斷循環(huán)控制，達到能夠規(guī)模生產(chǎn)優(yōu)質食用菌的目的。

該菇房光照控制系統(tǒng)有遠程和本地2 種控制模式。使用手機等終端設備可遠程控制光照時間、光照度和光質；通過觸摸屏實現(xiàn)控制光照信息的本地控制。不需要人為操作時，系統(tǒng)內(nèi)部的程序能正常運行，這樣能降低人力成本，顯著提高菇房光照控制的自動化程度。