基于智能预测算法的平菇栽培室内温湿度控制

阳明霞

（柳州职业技术学院，广西 柳州 545000）

平菇（Pleurotus ostreatus） 是我国常见的食用菌，其口感细腻嫩滑、营养物质丰富，而且价格不高，深受人们的喜爱。平菇生长喜欢通风好、温度湿度变化较小的外部环境，是我国主要的食用菌栽培品种[1]。温度过高过低都会导致平菇的生长变缓，最适合的温度一般控制在20℃~30℃左右；而湿度也十分重要，平菇喜湿，在潮湿环境中才能快速生长，一般湿度控制在60%~80%左右。温度湿度要随着平菇的不同生长时期进行动态调整，在发菌、生长、出菇等不同时期适时调整温湿度，能够有效提高平菇的产量和品质[2]。

温度和湿度的控制一直是工业控制领域的重要研究内容，人工控制温湿度比较困难。近年来，智能预测温湿度已经成为了研究热点[3]，通过一定的硬件软件设计，智能预测温湿度变化并加以控制已成为可能。

1 温湿度控制系统的模块选型

1.1 温湿度传感器选型

传感器可以感知平菇栽培室内环境的温湿度等信号，并转化成电流或电压信号供测量系统使用。由于温度与湿度有一定的物理关系，湿度高则温度低，而温度高则湿度低，因此我们一般使用温湿度一体式传感器来同时传送这2 种信号。根据平菇最适合的温度在20℃~30℃左右，湿度在60%~80%左右的控制范围，选用瑞士Sensiron 公司的SHT25 温湿度传感器模块[4]。该传感器具有极高的可靠性，能够长期在潮湿环境中稳定工作，其主要特点是体积小、响应速度快，并且能耗较低，抗干扰能力强、温湿一体，可以在平菇栽培室内潮湿的工作环境中进行露点测量。其湿度调节范围在10%～90%，误差仅有±2%；温度在0～60℃之间，误差仅有±0.4℃。

1.2 采集FPGA 芯片及模块选型

温湿度控制系统以FPGA 为核心，完成对平菇栽培室内环境温度和湿度信息的采集。芯片和模块选型时基本遵循体积小、功耗低、操作简单、工作稳定等要求。

系统选用Xillinx 公司的XC3S200A 芯片是一种高速大规模数字电路芯片[5]。用于控制温湿度传感器完成A/D 采集、数据存储和显示等相关功能模块。主要控制功能模块有，电源模块、显示模块、AD 转换模块、时钟模块、USB 控制模块、存储模块及GPS 模块等，各模块的功能通过FPGA 编程算法来实现对温湿度的智能预测控制。

由于系统所要采集的温湿度均采用的是集成模块，本身已集成有AD 转换功能，因此，需要转换的模拟量为经过电荷放大后的的加速度信号，综合考虑选用ADS8364 六通道16 位AD 转换芯片，该芯片具有采集精度高、转换时间快、功耗低等优点。

数据存储器选用SAMSUNG 公司的NAND 型Flash 内存；程序存储器采用与XC3S200A 相匹配的PROM 芯片XCF01S[6]。

温湿度控制系统采用USB2.0 接口，实现本地设备与PC 机数据的交流。通过USB2.0 接口将本地设备的数据存储器中的数据上传到计算机进行数据分析和处理。采用Cypress 公司的56-pin SSOP 封装CY7C68013 芯片，实现主机与FPGA 之间的数据传输。

2 温湿度传感器数据采集模块

温湿度控制系统的传感器模块SHT25 的精度可达1.8%RH，数字输出，I2C 接口，低功耗，具有长时间采集的稳定性。

2.1 SHT25 与FPGA 的链接

由于SHT25 已经将滤波，AD 转换等电路封装在了模块内部。因此输出的是FPGA 可以接受的数字量。故可以与FPGA 直接相连，由FPGA 来控制它对温湿度的测量。SCL 为双向时钟信号，具体方向通过对SHT25 设置得到。SDA 为双向数据位，具体传输方向与SCL 有关。NC 为未定义端。VDD 选择与FPGA 相同的+3.3V 电源。

2.2 SHT25 模块数据采集过程

SHT25 与FPGA 模块的传输过程如下。

第一，启动传感器。将传感器接到3.3V 电源，在传感器得电后需要等待最多15 ms，SCL 进入高电平时，进入空闲状态。主机也就是FPGA 发送命令。此过程的最大功耗是350 μA。

第二，启动序列。首先SDA 由高电平变为低电平，之后SCL 由高电平跳变为低电平。这段时序过程我们定义为启动序列S。SCL 由低电平跳变为高电平后，SDA 从低电平跳变为高电平。这段时序我们定义为停止序列P。当启动序列完成后，认为总线处于忙碌状态。

第三，发送地址及写命令。在启动序列S 后，是7 位地址数据1000000 和一位SDA 读写控制位。1 表示读取，0 表示写入。因此该段数据应该为10000000。发送完地址后传感器将SDA 置低，该动作定义为ACK。

第四，发送读地址及命令。读取温度或湿度数据采集命令。命令与代码的对照表如表1 所示。

表1 SHT25 命令代码对照表Tab.1 SHT25 command code table

当主机传送完地址后，检测到ACK 后则开始传输温度或湿度数据采集命令。本系统中对温湿度的采集都采用锁定主机模式。当发送完数据采集命令后，传感器同样会执行一个ACK。

第五，运行启动序列S。发送读取数据命令。当发送完传感器温湿度数据采集命令，检测到ACK后主机开始发送读取数据命令。传感器开始温度或湿度转换，传感器完成数据转换后释放SCL 信号线。

第六，接收数据。在发送完读取数据命令后，主机等待最多85 ms 后开始读取高8 数据。当读完高8 位后，主机送一个ACK 到SDA 总线。传感器检测到ACK 后开始发送低6 位数据及两位温湿度标志数据。其中温湿度标志数据第0 位未分配，第1位是“0”则为温度数据；是“1”则为湿度数据。

第七，停止。主机接收完低6 位数据及两位温湿度标志数据后，向SDA 上送一个高电平后执行停止序列。

3 温度数据的转换与存储

由于温度模块输出的是16 位二进制原始数据，因此需要对该数据进行处理，温度T（℃） 的计算公式为：

式中：T0为温度模块输出的16 位二进制原始温度。

由于采集温度是字符串类型的数据，因此存储这个字符串至少要用6 个字节，占用计算机存储空间过大，因此对该字符串进行转换以节省存储空间。转换公式为：

式中：T为采集温度数据（℃），Td为转换后的温度存储数据。

取3 位有效数字，取值范围为 [-399≤Td≤499]。+499 的二进制数为：0111110100，最高位为符号位，共10 位二进制数。然而存储器是以字节为单位进行存储的，因此需要占用两个字节，也就是16 位，因此相对于字符串存储节省了4B 存储空间。然而使用的16 位空间中的6 位存储空间就会浪费掉。如果这6 位也能充分利用的话，相对字符串存储方法就可节省38 位的存储空间。

4 湿度数据的转换与存储

湿度模块输出的原始数据是16 位二进制数，假设该数值为RH0，则相对湿度RH（%） 计算公式为：

式中：RH0为湿度原始数据（%）。

由于相对湿度极限值为0 和100，而温湿度一体式传感器测定的精度值为1.8，因此只需要将湿度使用0 到100 之间的整数来表示即可。100 的二进制数值为1100100，没有符号位。因此，直接存储相对湿度的数据值则需要占用7 位的存储空间。转换公式为：

对取整，RHd的取值范围为 [-50≤Td≤50]。-50 的二进制数位1110010，最高位为符号位，它也占用了7 位存储空间，故这两种存储方式均可，本系统采用第一种存储方式。然而存储器是以字节为单位进行储存的，因此它需要占用一个字节来存储，浪费了1 位存储空间。假如能将这一位也充分利用的话，8 个RH数据就可以节省1B 的存储空间。

5 FPGA 温湿度预测算法

由于平菇生长环境中温湿度信息变化相对平缓，因此我们对温湿度数据采集的频率要求不是很高，可以在同一进程中先后采集温湿度数据。具体FPGA算法程序流程为如下。

第一，首先发送启动序列S，即将SDA 与SCL先后由高电平置为低电平。第二，发送地址及写命令。该命令数据为“10000000”。第三，发送数据采集命令。FPGA 检测到ACK 信号后，发送温度数据采集命“11100011”。第四，发送地址及读取命令。FPGA 检测到ACK 信号后，首先进行一个启动序列S，之后发送命令数据“10000001”。第五，读取温度数据。在等待约85ms 后，开始读取温度数据高8位。读完数据后主机发送一个ACK。传感器在接收到ACK 后，发送低8 位数据。接收完成后主机发送一个ACK。第六，温度数据校验。当传感器接收到ACK 后，发送8 位校验码。在接收完成后执行NACK。之后进行停止序列。第七，读取湿度数据。重复第1 步到第6 步。只是传递的命令数据依次为，第二步“10000000”，第三步“11100101”，第四步“10000001”，第5 步的中湿度数据读取的等待时间约22 ms。

6 总结

平菇栽培室内的环境温湿度控制是一个系统工程，涉及到多种硬件的选型和设计。目前针对温湿度控制的采集设备比较多，但大部分功能都比较单一，而且笨重，无法满足长时间、有限空间内的温湿度数据采集记录。本文中设计的温湿度控制系统，以FPGA 为核心完成了温湿度数据的采集、存储等操作，并详细讨论了系统主要模块的功能和数据存储方式，基于FPGA 设计了温湿度预测算法。后期还需要对温湿度控制的通信、电压转换芯片和显示器件等进行设计，形成完整的温湿度数据采集、存储、显示和分析系统，实现平菇栽培室内的环境温湿度的精准控制。