计算机控制系统在菇房自动化控制中的应用*

田 申

（四川邮电职业技术学院，四川 成都 610067）

食用菌产业作为近年来的朝阳产业在我国迅速崛起，同时食用菌也成为百姓餐桌上出现频率最多的食品。粗放式的食用菌栽培显然不能满足市场发展的需要，工厂化栽培食用菌得以初步普及。食用菌栽培对环境的要求较高，因此菇房的自动化生产就需要针对食用菌生长适宜的条件和生长习性应用适宜的计算机控制系统，通过自动化的调节和控制，为实现食用菌的自动化生产创造良好的生长环境，提高食用菌自动化生产水平，促进菇房的科学化管理进程。

1 相关理论概述

1.1 食用菌的生产发展历史

我国是世界上最早认识和利用食用菌的国家之一，早在1 400多年以前，就已经有了关于香菇人工栽培的记录[1]。在食用菌产业兴起以前，食用菌的生产主要依靠野生采摘和部分个体菇农的人工栽培，但随着人们对食用菌营养价值认识的逐渐加深，加上食用菌栽培技术快速发展，直接推动了食用菌工厂化栽培的进程[2]。改革开放以来，我国相继从日本、美国、意大利等地引进食用菌工厂化生产线，开始了食用菌工厂化生产。进入21世纪，自动化的引进使得食用菌工厂产量迅速增长，但自动化控制模式仍具有较大的提升空间[3]。

1.2 食用菌生产方式现状

我国的食用菌自动化控制生产仍然处于初级发展的阶段，主要是通过引进日本的生产线和自动化控制系统，根据我国食用菌生产及工厂化建设的实际进行改良和创新。随着食用菌产业的崛起，企业逐渐将智能化控制和自动化生产放在食用菌生产技术研究的重要位置，加快了食用菌自动化生产的规模化、机械化和自动化进程，目前我国大部分的食用菌生产已经是依靠着计算机控制系统下的自动化生产，极大地提高了食用菌生产的效率，增加了我国食用菌的市场竞争优势[3]。

1.3 计算机控制系统在菌菇房自动化控制中的优势

计算机控制系统是当前出菇房自动化控制的关键环节，也是食用菌基于计算机自动化控制系统的生产模式是必由之路。计算机控制系统在出菇房自动机控制中具有明显的优势，使生产工艺更加简便，利用自动化的生产模式和控制系统设计，简化工艺流程，提高生产效率；增加了对菇房环境的监测和调节控制，由于食用菌对生长环境的要求高，因此通过自动化的环境检测，能够有效避免环境对食用菌生长的影响，提高食用菌产量和质量；加大计算机控制系统在菇房自动机控制中的应用力度，能够极大地降低成本，除了生产栽培的成本，还能有效节约人工成本，仅接种成本就可节约将近80%，同时工作效率提高4倍～5倍[4]。计算机控制系统在菇房自动机控制中的应用在当前是十分优越的工厂化生产模式，有助于实现食用菌生产的现代化。

2 菇房环境及控制系统总体设计方案

2.1 菇房环境参数与调节

食用菌对生产环境的要求很高，对温度、湿度、光照、水分等都有较为严格的规定，因此菇房的环境参数控制对于食用菌的生长具有重要的作用。

2.1.1 温度

温度是菌丝生长的重要影响因素，温度过高，就会影响菇体的发育，温度过低，又会导致菇体不能形成最终的子实体，最终影响食用菌的最终产量和质量。对食用菌来说，温度检测有严格的区间，如香菇（Lentinual edodes） 的菌丝生长最适温度是24℃～27℃，而子实体发育的温度为 12℃～18℃[5]。

2.1.2 湿度

水分是出菇房栽培食用菌不可或缺的因素，而食用菌各个生长阶段都离不开对湿度的调控，大部分食用菌适宜的湿度约为80%～90%，少部分则为60%～70%[5]。除了重要的温度与湿度，二氧化碳和光照的程度也需要根据实际进行调节。

在出菇房的室内环境中，需要利用传感器、自动数据采集等，根据计算机系统将采集数据与设定数据进行比较，保障出菇房的生长环境[6]。

2.2 自动化控制系统工作原理

根据出菇房对环境的要求，出菇房控制系统大致分为3个阶段：传感器数据采集阶段、数据分析阶段、执行处理阶段[7]，见图1。

由图1可知，菇房的温度、湿度、二氧化碳等数据均由传感器采集，环境采集的参数传递到控制系统进行分析，将设定的数值与菇房实际数值进行对比，分析结果后进行自动化调节，达到菇房自动化控制的目的。

2.3 自动化控制系统总体方案

选用飞思卡尔芯片MK60N512VMD100作为菇房计算机系统控制核心，对温度、湿度和二氧化碳等的数据采集均通过电路传输到系统控制芯片，经过系统数据分析再通过控制输出对菇房的生长环境进行调节。除了自动化的控制系统，菇房环境调节也可通过人工控制，工作人员可在上位机界面对数据进行人为干预和控制。系统设计总体方案见图2。

由图2可知，食用菌的生长环境主要由二氧化碳传感器、温湿度传感器、光电传感器这些信号调理电路，加热装置、风扇、遮光帘这些控制输出装备所控制的。

3 菇房自动化控制系统的硬件设计

3.1 单片机选择

考虑到菇房的规模及成本控制，选用飞思卡尔公司的MK60N512VMD100型号的芯片作为自动化控制系统的芯片，具有高效的定时和控制的功能，而且能够为整个系统提供稳定的工作状态，为计算机控制系统的供电与成本减轻负担，为工厂化食用菌栽培的自动化控制提供条件。

3.2 传感器的选型与控制设计

对菇房的自动化控制来说，选择的变量是温度、湿度、二氧化碳和光照等因素，在硬件系统自动化运作过程中，需要将采集到的温度、湿度、光照等变量转换成标准化的输出信号。传感器的选型要求在温度、湿度、二氧化碳浓度的检测和控制上具有非常高的准确性[8]，组成部分包括传感器和信号器，传感器主要组成是热电偶或热电阻，信号器则是起到转换数据的作用，由数据采集、信号处理和转换单元组成。

3.3 驱动电路设计

菇房的各项环境参数不是一成不变的，而是随着食用菌生长的需要而随机调节，根据不同阶段设置的预定值，但传感器采集的数据经过分析后如果超出设置的数值。就需要通过信号传输到执行单元对菌菇房的环境参数进行调控，数据会通过计算机系统传送到上位机，操作人员可以根据实际对菌菇房的环境参数进行人为干预[9]。

针对菇房的规模和成本控制，采用的驱动电路应该是单相直流控交流型固态继电器，具备开关速度快、工作频率高、寿命长的特点。输入电压应规定为3 V～32 V，负载电压为24 V～480 V。

3.4 调控装置设计

对菇房的自动化控制通过调节装置来实现，调节系统包括加热器、风扇、加湿器和遮光帘等组成部分，通过计算机自动控制系统调节所需的参数值，对菇房实现调控装置的自动化控制。

4 菌菇房自动化控制系统的软件设计

4.1 自动化控制系统主程序控制模块设计

主程序流程设计应用见图3所示。

由图3可知，基于计算机自动控制的菌菇房自动化控制需要进行系统软件设计，主控制程序的设计应用是最为重要的部分。主控制模块能够采集各个子单元的数据，对传感器的传播信号传输的进行整理，并再次传输到各个单元模块，实现自动化控制系统的实时和循环的自动机控制。

4.2 自动化控制系统模糊控制器的设计

在菇房的自动化控制系统中，通过计算机控制系统使菇房环境各项指标监测的准确度提升，这也是将自动化系统运用于菌菇房食用菌栽培的最终目的。模糊控制系统的控制器一般由输入、输出转接口、执行机构以及传感器组成，其功能就是将传感器采集到的数据精确化。事实上，传感器采集的数据都是模糊量，还需要通过模糊控制软件将输入的数据进行精确化[10]，才能达到对菌菇房环境参数的实际控制效果，这也是模糊控制器的重要作用。

菇房环境参数的控制和调节，对食用菌生长起到的作用是巨大的，在减少人力成本的同时，将菌丝、子实体及出菇的过程交给计算机控制系统进行监测；同时将温控、浇水等一系列流程由自动化控制系统调节控制，在保证食用菌质量产量的同时，还能极大地为食用菌企业开源节流。

5 菇房自动化控制系统搭建与应用测试

5.1 菇房环境模型的设计

根据计算机系统在菇房自动化控制中应用的实际情况，通过搭建模型对控制系统的流程及成效践行检验，搭建与菇房实际相似的模型，模拟菇房自动机控制系统对各项参数进行数据采集。

以长为1.56 m、宽为1.18 m、高为0.87 m的玻璃模型作为模拟菇房的材料，在菇房模型内，以220 V的电吹风作为温控设备、以直径为5.5 cm的电扇作为降温设备，菇房环境模型见图4所示。

由图4可知，模型外部需安装遮光布作为光照控制的设备。

5.2 计算机控制系统的应用测试

模型搭建完毕对计算机控制系统进行应用测试，菇房模型内以25℃为标准温度，将电风扇开启，使菇房模型内温度先降下来；通过升温控制指令让电吹风开始工作，当达到设定值（25℃）时进行记录；当温度高于设定值时，利用风扇进行排风降温，同样进行记录；以此来对计算机控制系统的精度进行分析和判定，从而为计算机控制系统在菇房自动化控制中的实际应用提供参考依据。

由表1可知，在设计的菇房环境内，当菇房外温比内温高时，执行机构电吹风能够达到对菇房内温度迅速升高的效果；当外温与模型温度接近时，升温效果可能有所减弱，当外温比内温低时，则需要更多的调节时间。对此可以分析，基于湿度、二氧化碳、光照的计算机自动化系统控制也是同样的原理[11]。

表1 菇房模型计算机控制效果（基于温度的应用测试）Tab.1 Computer control effect of the deible fungi house model(application test based on temperature)

6 结语

计算机控制系统在菌菇化自动化控制中的应用已经成为食用菌生产的研究重点之一，目前工厂化食用菌自动化控制在我国仍然处于初级发展阶段，还需更多地借鉴国外经验，因此对计算机控制系统的实际监测、数据采集及执行的研究尤为重要。通过计算机控制系统在菌菇房自动化控制中大范围的应用，能够推进食用菌产量和质量的提升。食用菌工厂化栽培还能根据实际情况选择适宜的计算机控制系统，在降低设备成本和人力成本的同时，也能提高出菇的稳定性，为食用菌的自动化、智能化生产奠定坚实的基础。