基于PLC 的菇房光照控制系統開發

郭洪恩，劉陽，2，楊化偉，褚幼暉，張志勇，何青海

（1.250100 山東省 濟南市 山東省農業機械科學研究院；2.250357 山東省 濟南市 山東交通學院；3.030031 山西省 晉中市 山西農業大學）

0 引言

菇房是人工栽培食用菌，由人工控制溫度、濕度、通風、光線環境的出菇廠房。菇房通過自動控制系統對環境的高精度控制實現四季出菇，使菌菇生長不受或很少受外界自然環境的影響。這種培育方式大大縮短了菌菇的生長周期，提高了菌菇的質量和產量，解決了菇農靠天吃飯的難題，這種新型的種植方式是未來新型農業的新業態。

在國外，荷蘭[1]最早開始對菇房工廠化的研究，而美國將計算機最早應用于菇房，通過對CO2濃度、溫度、濕度等諸多環境因子進行自動化控制，實現作物全天性高效生產[2]。國內，福建農林大學的李海蕓[3]等分別對溫度、濕度這2 個環境因子進行獨立式控制，設計了基于西門子S7-200 PLC 的溫濕度控制系統。經試驗，該菇房溫濕度控制系統穩定，實現了菇房脫離計算機對現場環境實時控制；河南科技大學的朱學峰[4]等設計了雙孢菇工廠化生產環境因子調控系統，開發了控溫、調濕裝置，設計了多因素模糊控制策略,實現了環境溫濕度、培養料土溫濕度的綜合調控。

國內外對菇房的環境因子做了大量研究，但都缺乏對菇房光照的深入研究。基于此，本文開發了一種菇房光照管理系統。以西門子S7-200 Smart PLC 作為主要控制元件，通過程序調節光源位置、光照時間、光照度和光質，采用昆侖通態公司的觸摸屏進行人機交互。菇房光照控制系統能夠有效提高菇房的自動化程度，實現節省人工成本、提高企業經濟效益的目的。

2 控制系統結構與原理

2.1 控制系統組成

菇房光照控制系統包括區域劃分模塊、數據采集模塊、數據處理模塊、管理模塊、信息存儲模塊、用戶終端、控制模塊、位置調節器、LED 燈光模塊和電源模塊。控制系統結構如圖1 所示。電源模塊為數據采集模塊、數據處理模塊、管理模塊、控制模塊、位置調節器和LED 燈光模塊供電。采用遠程和本地2 種操作模式，有自動和手動2 種控制方式。

圖1 控制系統結構示意圖Fig.1 Structure diagram of control system

2.1.1 數據處理模塊

來自數據采集模塊的數據經圖像預處理、圖像分割、圖像特征提取和圖像分類，借助圖像識別技術[5]判斷該區域當前菌棒處于營養菌絲生長階段、菌絲轉色形成階段、原基形成階段以及子實體生長階段中的哪一階段或出現哪種病變，將不同區域的菌棒生長情況、病變情況上傳至信息存儲模塊，管理模塊和用戶終端。數據處理模塊流程如圖2 所示。

圖2 數據處理模塊流程圖Fig.2 Flow chart of data processing module

2.1.2 管理模塊

管理模塊將來自數據處理模塊的菌棒生長按照初始設定給控制模塊發出不同指令，調節燈光模塊位置、光照時間、光照度和光質。之后，將來自信息存儲系統的優質菌棒光照環境進行深度學習，多次迭代，找出菌棒最適宜的光照環境。在菌棒生長時不斷給控制模塊指令，讓其改變位置調節器和LED 燈光模塊運行，盡可能地讓菇房內所有菌棒生長在一樣的光照環境。控制模塊方面，首先，按照初始設定的不同指令，調節光源位置、光照時間、光照度和光質；然后，將菌棒光照環境進行深度學習，多次迭代，找出菌棒最適宜的光照環境。在菌棒生長時不斷更新指令，讓菇房內菌棒生長更優質。管理模塊流程如圖3 所示。

圖3 管理模塊流程圖Fig.3 Flow chart of management module

2.1.3 控制模塊

控制模塊接收管理模塊發出的指令控制位置調節器調節位置，通過亮度調節器控制燈光模塊光照時間、光照度和光質，還接收用戶終端發來的指令控制位置調節器和燈光模塊。

3 控制系統設計

3.1 硬件選擇

因需要進行圖像處理和深度學習，故選用電腦來實現。在工業平板電腦和商用電腦的選擇上，因工業平板電腦能適應復雜的工作環境，且本身的結構設計使其功耗低，具備良好的三防效果，且菇房光照管理需要電腦長時間運行。綜上，選擇工業平板電腦。選用研凌的iTPC-A113 工業平板電腦，處理器參數為i7-8565U，內存4 G，硬盤128 G，屏幕25.65 cm，支持RS485 串口通信。參見圖4。

圖4 研凌的iTPC-A113 工業平板電腦外觀圖Fig.4 Appearance of Yanling's iTPC-A113 industrial tablet

觸摸屏采用昆侖通態公司TPC1061Ti。該觸摸屏采用25.9 cm 高亮度TFT 液晶顯示屏（分辨率1 024×600），四線電阻式觸摸屏（分辨率4 096×4 096），預裝MCGS 嵌入式組態軟件（運行版），具備強大的圖像顯示和數據處理功能。昆侖通態TPC1061Ti 觸摸屏如圖5 所示。

圖5 昆侖通態TPC1061Ti 觸摸屏外觀圖Fig.5 Appearance of Kunlun on state TPC1061Ti touch screen

下位機采用西門子公司的 S7-200 Smart PLC作為核心控制器，通過模擬量輸入接口對菇房現場數據進行采集，根據 PLC 程序所設定的控制邏輯，控制各個執行機構的輸出。現場傳感器包括光照傳感器、計時器。為了獲得更準確的環境信息，在菇房布置了9 個光強傳感器，9 組LED 燈和位置調節器。CPU 使用的是晶體管輸出的ST40，并擴展了1 個模擬量輸入輸出模塊AM06、1 個模擬量輸入模塊AE08、3 個模擬量輸出模塊AQ04，共有12 個模擬量輸入接口和18 個模擬量輸出接口。PLC 型號及外接模塊型號如表1 所示。

表1 PLC 型號及外接模塊型號圖Tab.1 Model diagram of PLC and external module

3.2 觸摸屏界面設計

觸摸屏是人機交互窗口，設計的菇房光照控制系統主要界面包括實時顯示、參數設置、報警等功能[6]。系統啟動后直接進入主界面，其中包含食用菌實時生長界面、操作界面和報警記錄界面。食用菌實時生長界面將整個菇房產區的菇房編號，把菇房內部劃分成9 個區域，通過點擊能夠選擇查看不同菇房、不同區域的食用菌生長監控視頻。界面的右側就是選定的菇房區域實時監控視頻。實時生長界面如圖6 所示。

圖6 食用菌實時生長界面示意圖Fig.6 Schematic diagram of real-time growth interface of edible fungi

操作界面如圖7 所示。菇房光照控制系統操作界面上部設置有遠程控制和本地控制2 種模式；中部是對調節光照時間、光照度、光質和位置傳感器的控制方式選擇。手動選擇是操作下部的手動調節區，使用者旋轉旋鈕可將光照時間在0～24 h 之間調整，光照度和光照時間的調節亦然。光質選擇需要點擊圓形，圓形內部有眾多光質可供設置。位置調節器有前后左右可供設置，點擊上箭頭分別是前和左，下箭頭分別是后和右。

圖7 操作界面示意圖Fig.7 Schematic diagram of operation interface

報警記錄界面如圖8 所示。當食用菌出現病變或設備出現異常，報警界面會記錄報警日期、報警時間、報警位置、報警原因和處理結果；報警通過報警燈和蜂鳴器提示，幫助人們及時排除報警原因，保證設備正常運行和食用菌健康生長。

圖8 報警記錄界面示意圖Fig.8 Schematic diagram of alarm recording interface

3.3 控制系統程序設計

編寫程序實現傳感器參數的采集，由工業平板電腦處理，向PLC[7]發出指令控制光照環境參數。系統整體程序流程圖如圖9 所示。

圖9 系統整體程序流程圖Fig.9 Overall program flow chart of the system

首先通過攝像頭對菇房進行圖像采集，然后將采集的數據傳給工業平板電腦進行圖像處理，處理后的圖像與標準圖像進行比較，判定菇房內食用菌處于營養菌絲生長階段、菌絲轉色形成階段、原基形成階段以及子實體生長階段的哪一生長階段，再判斷是否有優質食用菌生長的環境信息。沒有通過初始設定的，讓PLC 改變光源位置、光照時間，光照度和光質。有優質食用菌生長的環境信息就給PLC 信號，讓PLC 控制光源位置、光照時間，光照度和光質。將生長出的優質食用菌生長環境傳給工業平板電腦進行深度學習，多次迭代，找出優質食用菌最適宜的光照環境。

4 結論

本文研發的菇房光照控制系統，通過攝像頭采集菇房信息，由工業平板電腦進行圖像處理，以此判斷菇房內食用菌所處的生長階段，再將預設的不同生長階段的光照指令給PLC 調節光照時間、光照度和光質，記錄優質食用菌的光照信息，再經工業平板電腦深度學習，多次迭代，將最適合食用菌生長的光照信息指令給PLC 控制光照時間、光照度和光質，不斷循環控制，達到能夠規模生產優質食用菌的目的。

該菇房光照控制系統有遠程和本地2 種控制模式。使用手機等終端設備可遠程控制光照時間、光照度和光質；通過觸摸屏實現控制光照信息的本地控制。不需要人為操作時，系統內部的程序能正常運行，這樣能降低人力成本，顯著提高菇房光照控制的自動化程度。