基于物联网技术的黑木耳室内栽培控制系统设计*

尹 魁

（湖南财经工业职业技术学院，湖南 衡阳 421002）

黑木耳（Auricularia auricula）是一种常见的食用菌，在我国许多地方都有栽培[1]。因其质地柔软、口感嫩滑成为了人们餐桌上的一道美食。黑木耳在我国有上千年的栽培历史，《礼记》中已有在帝王宴会上食用黑木耳的记载[2]。初期人工培养黑木耳多在室外进行，近年来随着人工栽培菌类技术的发展，黑木耳的大规模栽培已经多采用专门调制的培养基，在室内人工控制的环境下进行养殖栽培[3]。室内栽培的优点是光照、水分、温湿度、通风等的管理和控制相对容易，采摘收获也方便快捷。但在室内栽培黑木耳的过程中，人工调节温湿度等环境参数费时费力，调节精度也不高，人工调节出错机率也较大，会严重影响室内栽培黑木耳的出菇质量。采用物联网技术开发设计一套控制系统，对黑木耳室内栽培的相关环境参数进行自动控制，以提高黑木耳室内栽培的管理生产水平，提高黑木耳栽培质量，为黑木耳大规模工厂化栽培提供技术支持。

1 黑木耳室内栽培控制系统工作原理

物联网（The Internet of Things）是物物相连的网络[4]。利用物联网技术对黑木耳室内栽培的控制系统进行设计，系统的工作原理见图1。

如图1所示，物联网的硬件“物品”主要有各种传感器、数据采集卡、计算机等。其中传感器是用来完成黑木耳室内栽培环境参数和数据的采集，主要使用温度传感器来检测温度信号、湿度传感器来检测湿度信号，根据需要还可以为控制系统增加光敏传感器来检测光照强度、采用空气质量传感器来检测通风等情况。作为一种检测装置，传感器将黑木耳栽培室内温度、湿度等环境参数的变化，按照控制系统的要求对信号进行转换调理，输出成系统能够识别形式进行输出。由于从传感器传出的电信号一般都很微弱，故需要对这些微弱的电信号进行放大，以提高测量精度。

数据采集卡的作用是从传感器中自动采集电量或非电量信号，送给上位机进行分析处理。而计算机作为上位机，是整个控制系统的核心，它不但负责控制系统的数据采集，而且还通过控制系统软件对采集的数据进行存储、分析、显示。因此，整个控制系统的工作原理就是通过由计算机、数据采集卡、传感器部分搭建的硬件平台实现黑木耳室内栽培数据的采集，再由控制系统的软件实现数据的存储，以及数据的分析处理，从而实现黑木耳室内栽培环境参数的自动检测和自动控制。

2 控制系统硬件设计

控制系统硬件平台以计算机为核心，根据控制系统需求进行硬件选型，出于成本的考虑，需要对控制系统的硬件主要技术指标进行限定。

2.1 温度、湿度传感器

黑木耳室内栽培环境最适温度为20℃～30℃，因此选择美信公司的MAX6610型温度传感器，其具体参数为工作电压 3.0 V～5.5 V；测温范围-40℃～125℃；灵敏度16 mV/℃；非线性误差1℃[5]。

黑木耳室内栽培环境湿度范围控制为空气相对湿度90%～95%，选用Honeywell公司在HIH4000基础上推出的新产品HIH4010，其具体参数为精度为±3.5%RH（0～100%RH非凝结）；温度范围为-40℃～85℃；物理特性为热固性聚合物电容传感器，带集成信号处理电路；供电输出为5.0 V（DC）恒压供电，0.8 V（DC）～3.9 V（DC）放大线形电压输出；响应时间为慢流动的空气中15 s快速响应；且具有低功耗设计、稳定性好、低温飘与抗化学腐蚀性能强的特点。

2.2 数据采集卡

根据控制系统的需求，以及黑木耳室内栽培环境的实际情况，选择北京阿尔泰科技发展有限公司生产的USB 2010数据采集卡[6]。采用USB总线可以简单、快速、直接的连接到上位机中。控制系统中的上位机是计算机，一般都有USB 2.0接口，传输速度达480 Mbit，可以方便USB总线的数据采集卡的接入且传输速率高。

3 数据采集模块设计

3.1 数据采集卡的连接通信

系统选用的数据采集卡为阿尔泰公司的USB 2010型数据采集卡。在连接建立通信的过程中，根据黑木耳室内栽培环境数据的采集需求，通过5个函数来完成连接通信：1）CreateDevice函数用于创建采集设备对象；2）InitDeviceAD函数负责初始化设备对象中的AD部件；3）ReadDeviceAD函数读取模拟信号，读取USB设备AD部件上的批量数据；4）ReleaseDeviceAD函数用于释放设备对象中的AD部件所占用的系统资源；5）ReleaseDevice函数关闭设备，释放设备对象所占用的系统资源及设备对象自身。

根据上述函数，建立数据采集的流程：1）使用CreateDevice函数创建设备对象；2）使用InitDeviceAD函数初始化和启动AD；3）使用ReleaseDeviceAD函数读取AD数据；4）对连续采集进行判断，如果是连续采集数据，则返回上一步继续读取AD数据，否则使用ReleaseDevice函数释放和停止AD设备；5）对释放和停止的AD设备进行二次判断，看是否需要改变通道或频率再次进行数据采集，如果是则返回第二步进行初始化再次启动，否则结束整个数据采集流程。

3.2 数据采集方式

黑木耳室内栽培的环境参数主要就是温度和湿度，由于温湿度在一定时间范围内不会发生突然大范围的变化，所以设采集频率为30 min，即每30 min采集一次温度、湿度数据。

3.3 数据采集程序设计

数据采集卡的创建与初始化工作在整个主程序开始前已完成，主要的数据采集程序由一个顺序结构作为主结构。第一步输入采集参数采集信号放大系数；第二步进入数据采集的主循环，主循环采用了一个While循环以实现连续的AD采集，2个时间计数器分别与移位寄存器连接，以实现分别给出每一次加速度与温湿度采集的初始时间。

4 数据存储与读取模块设计

数据信号经过数据采集模块后，就需要将采集的信号写入上位机的存储器中，将采集时临时占用的内存空间释放，进而为后面的数据读取、数据分析部分提供原始的采集数据。

4.1 数据存储分析

在对数据存储与读取模块程序设计之前，首先应该对数据的存储量大小，数据存储格式，数据存储类型进行详细的研究分析。

4.1.1 数据存储量

由于采用的是计算机作为上位机，其存储硬盘的大小是有限的，所以对于数据存储量的估计是必须的。以连续采集温湿度数据48 h为例进行存储量大小估计。其中数据类型为单精度浮点数，采样率为10 KHz，采集方式按周期采集。即上位机需提供约1 M（1 024 kb）的存储空间。

4.1.2 高速数据流文件

二进制文件对输入数据无条件的限制，包括数值、数组、簇等复杂的数据，只要在写入或读取时给定数据参考类型，即可完成对文件的操作。在数据采集部分，所有的采集信号都被按顺序的写入数据组中，并且每一组采集数据都有相应的特征属性，所以为了有效地区分各个数据组，可采用TDM文件进行文件的存储。TDM文件可以对每一组信号添加一些附加属性信息，其中附加的信息以XML的格式存储在扩展名为.tdm的文件中，而采集数据则存储在扩展名为.tdx的文件中，这两个文件可以通过引用的方式联系起来。所以，在数据存储与读取模块的设计中可以用TDMS文件来实现调整数据流的存储。

4.2 数据存储和读取

由数据采集部分的程序设计可知，数据存储部分的程序设计要求能够在每一次样本采集完成之后就将采集的数据存储到相应的文件中。数据读取部分程序设计主要是为后面的数据分析程序提供分析处理的原始记录数据，由于被读取的原始数据量会比较大，如何准确、高效、方便的提供原始记录数据，以备数据分析程序或用户进行分析、查看，就是这部分程序设计的关键所在。

4.3 数据的预处理

黑木耳室内栽培控制系统涉及对各种采集到的数据管理和控制的问题，这是控制系统的重要任务之一。数据管理所包含的内容很多，如数据的存储、读取、判别、整理、显示等，这些可以统称为数据的预处理分析。数据预处理通过分析采集的数据信号特征属性，从中获取有用的信息。一般有时域分析和频域分析2种分析方法。由于温湿度数据量不大，因此对其仅进行时域上的简单分析，所以对于温湿度数据的预处理，在数据读取时就可以完成。

5 结论

从长远来看，黑木耳等食用菌产品的生产都要走向现代化的工厂化栽培，利用物联网技术来提高栽培的工作效率和精细管理，能够降低栽培成本、增加收益。利益于国家对农业特别是食用菌产业的大力扶持、现代化物联网技术的不断发展，食用菌产业的物联网控制系统也会在这一历史机遇中得到更为广泛的应用。