基于PLC 的菇房光照控制系统开发

郭洪恩，刘阳，2，杨化伟，褚幼晖，张志勇，何青海

（1.250100 山东省 济南市 山东省农业机械科学研究院；2.250357 山东省 济南市 山东交通学院；3.030031 山西省 晋中市 山西农业大学）

0 引言

菇房是人工栽培食用菌，由人工控制温度、湿度、通风、光线环境的出菇厂房。菇房通过自动控制系统对环境的高精度控制实现四季出菇，使菌菇生长不受或很少受外界自然环境的影响。这种培育方式大大缩短了菌菇的生长周期，提高了菌菇的质量和产量，解决了菇农靠天吃饭的难题，这种新型的种植方式是未来新型农业的新业态。

在国外，荷兰[1]最早开始对菇房工厂化的研究，而美国将计算机最早应用于菇房，通过对CO2浓度、温度、湿度等诸多环境因子进行自动化控制，实现作物全天性高效生产[2]。国内，福建农林大学的李海芸[3]等分别对温度、湿度这2 个环境因子进行独立式控制，设计了基于西门子S7-200 PLC 的温湿度控制系统。经试验，该菇房温湿度控制系统稳定，实现了菇房脱离计算机对现场环境实时控制；河南科技大学的朱学峰[4]等设计了双孢菇工厂化生产环境因子调控系统，开发了控温、调湿装置，设计了多因素模糊控制策略,实现了环境温湿度、培养料土温湿度的综合调控。

国内外对菇房的环境因子做了大量研究，但都缺乏对菇房光照的深入研究。基于此，本文开发了一种菇房光照管理系统。以西门子S7-200 Smart PLC 作为主要控制元件，通过程序调节光源位置、光照时间、光照度和光质，采用昆仑通态公司的触摸屏进行人机交互。菇房光照控制系统能够有效提高菇房的自动化程度，实现节省人工成本、提高企业经济效益的目的。

2 控制系统结构与原理

2.1 控制系统组成

菇房光照控制系统包括区域划分模块、数据采集模块、数据处理模块、管理模块、信息存储模块、用户终端、控制模块、位置调节器、LED 灯光模块和电源模块。控制系统结构如图1 所示。电源模块为数据采集模块、数据处理模块、管理模块、控制模块、位置调节器和LED 灯光模块供电。采用远程和本地2 种操作模式，有自动和手动2 种控制方式。

图1 控制系统结构示意图Fig.1 Structure diagram of control system

2.1.1 数据处理模块

来自数据采集模块的数据经图像预处理、图像分割、图像特征提取和图像分类，借助图像识别技术[5]判断该区域当前菌棒处于营养菌丝生长阶段、菌丝转色形成阶段、原基形成阶段以及子实体生长阶段中的哪一阶段或出现哪种病变，将不同区域的菌棒生长情况、病变情况上传至信息存储模块，管理模块和用户终端。数据处理模块流程如图2 所示。

图2 数据处理模块流程图Fig.2 Flow chart of data processing module

2.1.2 管理模块

管理模块将来自数据处理模块的菌棒生长按照初始设定给控制模块发出不同指令，调节灯光模块位置、光照时间、光照度和光质。之后，将来自信息存储系统的优质菌棒光照环境进行深度学习，多次迭代，找出菌棒最适宜的光照环境。在菌棒生长时不断给控制模块指令，让其改变位置调节器和LED 灯光模块运行，尽可能地让菇房内所有菌棒生长在一样的光照环境。控制模块方面，首先，按照初始设定的不同指令，调节光源位置、光照时间、光照度和光质；然后，将菌棒光照环境进行深度学习，多次迭代，找出菌棒最适宜的光照环境。在菌棒生长时不断更新指令，让菇房内菌棒生长更优质。管理模块流程如图3 所示。

图3 管理模块流程图Fig.3 Flow chart of management module

2.1.3 控制模块

控制模块接收管理模块发出的指令控制位置调节器调节位置，通过亮度调节器控制灯光模块光照时间、光照度和光质，还接收用户终端发来的指令控制位置调节器和灯光模块。

3 控制系统设计

3.1 硬件选择

因需要进行图像处理和深度学习，故选用电脑来实现。在工业平板电脑和商用电脑的选择上，因工业平板电脑能适应复杂的工作环境，且本身的结构设计使其功耗低，具备良好的三防效果，且菇房光照管理需要电脑长时间运行。综上，选择工业平板电脑。选用研凌的iTPC-A113 工业平板电脑，处理器参数为i7-8565U，内存4 G，硬盘128 G，屏幕25.65 cm，支持RS485 串口通信。参见图4。

图4 研凌的iTPC-A113 工业平板电脑外观图Fig.4 Appearance of Yanling's iTPC-A113 industrial tablet

触摸屏采用昆仑通态公司TPC1061Ti。该触摸屏采用25.9 cm 高亮度TFT 液晶显示屏（分辨率1 024×600），四线电阻式触摸屏（分辨率4 096×4 096），预装MCGS 嵌入式组态软件（运行版），具备强大的图像显示和数据处理功能。昆仑通态TPC1061Ti 触摸屏如图5 所示。

图5 昆仑通态TPC1061Ti 触摸屏外观图Fig.5 Appearance of Kunlun on state TPC1061Ti touch screen

下位机采用西门子公司的 S7-200 Smart PLC作为核心控制器，通过模拟量输入接口对菇房现场数据进行采集，根据 PLC 程序所设定的控制逻辑，控制各个执行机构的输出。现场传感器包括光照传感器、计时器。为了获得更准确的环境信息，在菇房布置了9 个光强传感器，9 组LED 灯和位置调节器。CPU 使用的是晶体管输出的ST40，并扩展了1 个模拟量输入输出模块AM06、1 个模拟量输入模块AE08、3 个模拟量输出模块AQ04，共有12 个模拟量输入接口和18 个模拟量输出接口。PLC 型号及外接模块型号如表1 所示。

表1 PLC 型号及外接模块型号图Tab.1 Model diagram of PLC and external module

3.2 触摸屏界面设计

触摸屏是人机交互窗口，设计的菇房光照控制系统主要界面包括实时显示、参数设置、报警等功能[6]。系统启动后直接进入主界面，其中包含食用菌实时生长界面、操作界面和报警记录界面。食用菌实时生长界面将整个菇房产区的菇房编号，把菇房内部划分成9 个区域，通过点击能够选择查看不同菇房、不同区域的食用菌生长监控视频。界面的右侧就是选定的菇房区域实时监控视频。实时生长界面如图6 所示。

图6 食用菌实时生长界面示意图Fig.6 Schematic diagram of real-time growth interface of edible fungi

操作界面如图7 所示。菇房光照控制系统操作界面上部设置有远程控制和本地控制2 种模式；中部是对调节光照时间、光照度、光质和位置传感器的控制方式选择。手动选择是操作下部的手动调节区，使用者旋转旋钮可将光照时间在0～24 h 之间调整，光照度和光照时间的调节亦然。光质选择需要点击圆形，圆形内部有众多光质可供设置。位置调节器有前后左右可供设置，点击上箭头分别是前和左，下箭头分别是后和右。

图7 操作界面示意图Fig.7 Schematic diagram of operation interface

报警记录界面如图8 所示。当食用菌出现病变或设备出现异常，报警界面会记录报警日期、报警时间、报警位置、报警原因和处理结果；报警通过报警灯和蜂鸣器提示，帮助人们及时排除报警原因，保证设备正常运行和食用菌健康生长。

图8 报警记录界面示意图Fig.8 Schematic diagram of alarm recording interface

3.3 控制系统程序设计

编写程序实现传感器参数的采集，由工业平板电脑处理，向PLC[7]发出指令控制光照环境参数。系统整体程序流程图如图9 所示。

图9 系统整体程序流程图Fig.9 Overall program flow chart of the system

首先通过摄像头对菇房进行图像采集，然后将采集的数据传给工业平板电脑进行图像处理，处理后的图像与标准图像进行比较，判定菇房内食用菌处于营养菌丝生长阶段、菌丝转色形成阶段、原基形成阶段以及子实体生长阶段的哪一生长阶段，再判断是否有优质食用菌生长的环境信息。没有通过初始设定的，让PLC 改变光源位置、光照时间，光照度和光质。有优质食用菌生长的环境信息就给PLC 信号，让PLC 控制光源位置、光照时间，光照度和光质。将生长出的优质食用菌生长环境传给工业平板电脑进行深度学习，多次迭代，找出优质食用菌最适宜的光照环境。

4 结论

本文研发的菇房光照控制系统，通过摄像头采集菇房信息，由工业平板电脑进行图像处理，以此判断菇房内食用菌所处的生长阶段，再将预设的不同生长阶段的光照指令给PLC 调节光照时间、光照度和光质，记录优质食用菌的光照信息，再经工业平板电脑深度学习，多次迭代，将最适合食用菌生长的光照信息指令给PLC 控制光照时间、光照度和光质，不断循环控制，达到能够规模生产优质食用菌的目的。

该菇房光照控制系统有远程和本地2 种控制模式。使用手机等终端设备可远程控制光照时间、光照度和光质；通过触摸屏实现控制光照信息的本地控制。不需要人为操作时，系统内部的程序能正常运行，这样能降低人力成本，显著提高菇房光照控制的自动化程度。