微生物培養(yǎng)箱溫濕度控制的信息技術(shù)管理應(yīng)用研究

杜春梅，郭普宇，薛春梅

[摘 要]微生物學(xué)在醫(yī)學(xué)衛(wèi)生、生物工程、工業(yè)發(fā)酵等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，在研究微生物結(jié)構(gòu)、功能和生長環(huán)境時(shí)，都需要借助微生物培養(yǎng)箱。溫度和濕度是影響微生物存活的兩大關(guān)鍵因素，因此將信息技術(shù)應(yīng)用在微生物培養(yǎng)箱的溫度控制過程中，能夠做到對溫度、濕度進(jìn)行靈敏調(diào)控，保證微生物實(shí)驗(yàn)研究工作順利完成。本文首先介紹了微生物培養(yǎng)箱溫濕度控制信息技術(shù)及其應(yīng)用，并從技術(shù)層面對溫濕度進(jìn)行有效控制。

[關(guān)鍵詞]微生物培養(yǎng)箱；溫濕度；信息技術(shù)；控制技術(shù)

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2018.08.068

[中圖分類號]Q93-335 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號]1673-0194（2018）08-0-02

隨著微生物培養(yǎng)箱對溫度和濕度控制要求的不斷提高，溫濕度控制所采用的技術(shù)也在進(jìn)行不斷革新。近年來，隨著我國信息技術(shù)及其應(yīng)用的不斷發(fā)展，為進(jìn)行微生物培養(yǎng)箱溫濕度控制提供了必要的技術(shù)支持，在原有控制算法的基礎(chǔ)上，還新增加了遠(yuǎn)程監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)通訊等功能，這些都為實(shí)現(xiàn)微生物培養(yǎng)箱溫濕度控制提供了幫助。

1 微生物培養(yǎng)箱溫濕度控制信息管理系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)登錄界面

微生物培養(yǎng)箱溫度主界面主要供用戶查詢，主要有用戶管理、溫度設(shè)置、溫度傳感器狀態(tài)查詢、數(shù)據(jù)查詢以及TCP/IP傳輸界面。

1.2 用戶管理

在用戶管理界面可以新建用戶、刪除用戶、修改密碼、保存以及退出。這樣的設(shè)置能夠滿足不同用戶的使用要求。

1.3 溫度設(shè)置

溫度可以通過PID設(shè)置，在設(shè)置PID之前可以進(jìn)行PID參數(shù)調(diào)整，通過比較溫度曲線，找到適合的PID參數(shù)。

1.4 溫度傳感器狀態(tài)查詢

為了更加直觀地知道溫度傳感器的狀態(tài)，本文在遠(yuǎn)程操作中設(shè)置了溫度傳感器的狀態(tài)查詢界面。

2 微生物培養(yǎng)箱溫濕度控制的查詢界面設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)查詢包括實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線以及歷史數(shù)據(jù)。用戶可以根據(jù)需要選擇測溫范圍以及采集時(shí)間。

歷史曲線：用戶查詢歷史曲線時(shí)，需要設(shè)置時(shí)間軸（X軸），包括起始時(shí)間和查詢跨度。跨度時(shí)間可以自行設(shè)置。

歷史數(shù)據(jù)：用戶查詢實(shí)時(shí)曲線時(shí)可以以報(bào)表的形式查詢該樣本的所有歷史溫度值。

3 TCP/IP傳輸

TCP/IP傳輸能夠利用教學(xué)交互系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，這樣能解決因設(shè)備少、學(xué)生多而引起的一系列問題。TCP/IP主要是進(jìn)行連接通信協(xié)議，在整個(gè)過程中需要通過三次傳輸來建立連接，待通信環(huán)節(jié)結(jié)束后方可拆除連接。該傳輸技術(shù)主要針對端到端通訊。在進(jìn)行微生物培養(yǎng)箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，TCP/IP傳輸能夠提供一種可靠的數(shù)據(jù)流服務(wù)，而且能夠運(yùn)用“滑動(dòng)窗口”的方式進(jìn)行流量控制，從而限制發(fā)送方的數(shù)據(jù)傳輸速度。

4 微生物培養(yǎng)箱溫濕度控制技術(shù)的信息化管理應(yīng)用

在微生物培養(yǎng)箱研究早期，由于溫度和濕度控制經(jīng)常出現(xiàn)串?dāng)_，因此有技術(shù)人員提出了將溫度和濕度單獨(dú)進(jìn)行控制的設(shè)想。該設(shè)想將微生物培養(yǎng)箱的整個(gè)控制系統(tǒng)改為雙閉環(huán)控制，系統(tǒng)設(shè)定“溫度”為優(yōu)先級控制，當(dāng)溫度調(diào)控到目標(biāo)值后，再調(diào)節(jié)培養(yǎng)箱內(nèi)濕度值。由于雙閉環(huán)控制避免了溫度、濕度相互影響，可以保證溫濕度都達(dá)到預(yù)期的控制要求。但是現(xiàn)階段這種設(shè)想還處于試驗(yàn)階段，具體的應(yīng)用效果還有待進(jìn)一步的驗(yàn)證和優(yōu)化。

目前，比較成熟的微生物培養(yǎng)箱溫濕度控制技術(shù)，是借助于設(shè)備內(nèi)置的單片機(jī)（小型計(jì)算機(jī)），通過人為錄入程序，根據(jù)程序算法對培養(yǎng)箱內(nèi)的溫濕度進(jìn)行控制。同時(shí)，在培養(yǎng)箱內(nèi)部安裝多個(gè)傳感裝置，這些傳感器可以分別收集溫度信號、濕度信號，然后將其轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制信號被單片機(jī)所識(shí)別。單片機(jī)根據(jù)程序指令，自動(dòng)微調(diào)溫度和濕度，精確值可以滿足微生物培養(yǎng)的要求。這種基于程序算法的溫濕度控制技術(shù)，雖然具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢，但是對硬件要求較高。

5 基于控制算法的溫濕度信息化控制技術(shù)

5.1 傳統(tǒng)PID控制算法在溫濕度控制中的應(yīng)用

PID控制器是一種典型的反饋回路控制裝置，前端數(shù)據(jù)采集器將收集到的信號傳遞到控制單元中，與控制單元內(nèi)部數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)信息進(jìn)行比較，然后將兩者之間的差值作為新的輸入值，完成參數(shù)的調(diào)整。就目前來看，市場上70%左右的微生物培養(yǎng)箱，都是采用這種傳統(tǒng)PID控制算法。這種算法的應(yīng)用優(yōu)勢在于具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，可以通過技術(shù)人員編寫的調(diào)控指令，對不同型號、參數(shù)的微生物培養(yǎng)箱進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而提高了經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值。但是隨著新技術(shù)的應(yīng)用，這種基于傳統(tǒng)算法的控制技術(shù)，也逐漸暴露出一些問題，例如信息化程度不高，尤其是在一些溫濕度要求精度較高的條件下，傳統(tǒng)PID算法由于精度達(dá)不到要求，而難以滿足微生物培養(yǎng)的需要。

5.2 智能PID控制算法在溫濕度控制中的應(yīng)用

微生物對于培養(yǎng)箱內(nèi)環(huán)境變化的敏感程度較高，尤其是那些具有較高科研價(jià)值或經(jīng)濟(jì)價(jià)值的微生物，如果因?yàn)闇貪穸瓤刂撇划?dāng)導(dǎo)致微生物大量死亡或科研工作失敗，將會(huì)造成嚴(yán)重的損失。因此，在傳統(tǒng)PID控制算法的基礎(chǔ)上，近年來技術(shù)人員致力于進(jìn)行技術(shù)改良，克服傳統(tǒng)PID控制算法的缺陷。智能PID控制算法結(jié)合了近年來蓬勃發(fā)展的人工智能技術(shù)，其應(yīng)用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：第一，融入了模糊算法，可以更加便捷、自動(dòng)地調(diào)整控制變量，使溫度、濕度值的精確性滿足微生物培養(yǎng)要求；第二，對硬件設(shè)備的要求降低，無形中降低了技術(shù)成本；第三，可以利用智能控制實(shí)現(xiàn)外部硬件設(shè)備聯(lián)動(dòng)，除了可以應(yīng)用于微生物培養(yǎng)外，還可以應(yīng)用到其他控制環(huán)境中。

6 微生物培養(yǎng)箱溫濕度控制信息技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)

6.1 合理選擇控制器

控制器是微生物培養(yǎng)箱溫濕度調(diào)控的核心設(shè)備，科學(xué)選用控制器也成為提高溫濕度控制性能的一種有效方法。就目前來說，微生物培養(yǎng)箱所選用的溫濕度控制器主要分為兩大類：一種是單片機(jī)（單片微型控制器），另一種是PLC（可編程邏輯控制器）。這兩種控制器的應(yīng)用領(lǐng)域不同，且各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。