食用菌栽培环境控制系统服务器设计

在食用菌产业化栽培中，利用设施设备人工调节食用菌生长环境条件，营造适合不同菌类不同发育阶段的环境小气候，是保证食用菌高产优质生产的关键。食用菌栽培环境控制系统根据食用菌生长需要，自动智能调节栽培环境，提高食用菌立体化、规模化、高效化、淡季化全年栽培。因此，食用菌产业化栽培环境控制系统是食用菌产业化栽培的核心关键技术。所设计的食用菌栽培环境计算机控制系统采用Modbus总线、WEB服务等工业控制技术，在控制系统服务器中实现关键控制功能。控制系统服务器实现集中的数据采集和处理、控制策略和控制算法，可配置、使用WEB服务响应客户端用户监控操作、数据报表统计分析等用户界面数据请求，实现集中控制多空间一定距离分布的食用菌房自动精准控制。一、控制系统结构食用菌工业化栽培的菇房内安装了各种暖通空调设备及相关电子、机械设备。控制系统主要对菇房温度、湿度、CO2浓度、光照度、食用菌栽培基地温度等环境因素进行精确调控。加热器、加湿器、换气扇、灯、CO2浓度施加器等的控制。

图1 控制系统组成示意图

食用菌产业化栽培具有规模化、分布式生产的特点，各种传感器和执行器硬件数量多。根据食用菌栽培环境控制系统的需求特点，设计的控制系统的组成和结构如图1所示。Modbus总线采用RTU通讯方式。为了扩展RS485总线上的物理节点数量，采用Modbus总线集线器来扩展物理节点数量。控制系统服务器作为控制系统的中心，一方面采集菇房和室外气象站传感器的数据，进行数据处理和存储，执行控制策略和算法，通过执行器驱动控制指令；另一方面，作为WEB服务器，多个用户界面客户端可以使用http协议同时通过网络远程连接到控制系统服务器，获取数据并提交控制系统控制动作指令。 2.控制系统硬件设计(1)Modbus总线协议Modbus总线上各通信节点控制器的通信采用主从通信方式。主节点可以单独与一个从节点通信，也可以通过广播方式与所有从节点通信。 Modbus协议通讯以报文帧为单位，报文帧格式为：地址域+功能码域+数据域+错误检测域。其中（1）地址字段，内容为从节点编号的地址； (2)功能码字段，在modbus协议中，一个特定的交易请求可以用一个特殊的数字代码来表示； (3)数据字段，包括特定的查询或响应数据； (4)错误检测域，CRC校验是modbus中最常用的错误校验方法。 （2）基于Modbus总线的控制系统硬件系统食用菌产业化养殖的菇房数量众多，所有控制系统硬件设备空间也需要分立分布安装。多个菇房的集中监控，要求控制系统服务器具有较高的计算和存储能力。选用工控机作为控制系统的服务器硬件，安装在食用菌栽培生产现场。该系统充分利用工控机的计算、存储和数据通信能力，存储了大量的历史数据、复杂的智能控制算法和基于工控机的控制策略。工控机的选型保证了安装在生产现场的控制服务器在不断电长期运行的情况下的可靠性和抗干扰能力。通过RS485总线连接工控机、传感器和执行器，系统扩展和硬件端口调整灵活，系统软件可以通过组态设置满足不同的系统需求和硬件配置；采用RS485总线网络通讯，接线安装简单，节省电线；传感器和执行器通过RS485总线与工控机相连，只负责信号转换。功能简化单一，更容易提高可靠性，可选择标准的通用器件产品。 3 控制系统服务器设计控制系统服务器的主要功能模块及其关系如图2所示。

图2 控制系统服务器主要模块控制系统服务器通过实现Modbus Master模块连接传感器和执行器硬件模块。通过Modbus总线通讯，实现了室外气象站和菇房内传感器数据的采集以及菇房内执行器的驱动控制。传感器和执行器的硬件封装是通过测量和执行层实现的。控制系统服务器基于测量和执行层，实现多种环境因素控制回路控制算法、控制策略和优化算法，同时实现对控制系统配置数据的管理；定量Web服务器，实时响应控制系统客户端程序的WEB数据请求，通过C/S软件方式实现控制系统的各种用户操作界面。 (1)控制策略和控制算法的实现在控制系统安装调试时，通过实验实现了菇房环境因素的过程模型辨识。基于菇房温湿度环境因素的过程模型，采用基于过程模型的串级控制和内模控制。该算法实现了温湿度环境因素的闭环控制，基于PID控制算法实现了CO2浓度控制。控制策略是根据食用菌栽培专家的经验和知识的输入和设定，结合栽培食用菌的生长特性，将食用菌的整个栽培周期划分为树状结构的食用菌生长阶段，并根据一天中的不同阶段、不同时间段，自动调节食用菌的生长。培养环境因素设置。另外，根据当前各种环境因素的设定值，结合控制设备的能耗和食用菌的栽培阶段、时间段，按照生产利润最大的优化规律，适度调整设定值各种环境因素及其控制算法参数，以达到降低生产能量输入的目的。 2）控制系统配置设置食用菌栽培环境控制系统必须能够适应不同的生产条件和生产规模。控制系统的配置设置可以实现控制系统适应不同的生产需要。

图3 系统配置数据库ER图配置设置通过配置配置数据库实现，控制系统服务器读取配置数据库获取系统配置并初始化系统。结合控制系统架构和Modbus总线协议的特点，设计的组态数据库ER图如图3所示。通过Excel编辑

　　图4 控制系统主要功能菜单 　　控制系统中操作界面可操作的主要功能包括：（1）系统管理维护功能，实现系统用户管理及系统组态数据维护功能；（2）食用菌日常栽培管理功能，用户分阶段设定食用菌栽培环境因子设定值曲线，还可以通过操作界面手动控制食用菌栽培相关仪器设备；（3）数据显示功能，用户可以选择将控制系统中实时数据以各种表达形式显示，主要有列表和实时数据曲线两种类型形式；（4）数据查询分析功能，对存储的历史数据输入条件查询分析和统计，并生成各种报表，可将历史数据导出为Excel表格以便进一步分析使用。用户还可通过对暖通空调及其他食用菌栽培生产设备的执行情况记录数据进行查询，与对应的环境因子数据进行统计分析，以便优化环境因子控制目标，提高设备效率以达到节能的目的。 　　四、结束语 　　在食用菌栽培环境计算机控制系统研发中，采用基于RS485总线的Modbus总线技术及WEB技术，软件体系结构上采用C/S架构，系统按功能和结构分三层结构，控制系统主要模块控制系统服务器负责数据处理、智能控制与组态配置功能。控制系统硬件上实现分布式控制结构，各子系统相对独立，易于扩展，同时保证各系统可靠性。（福建闽江学院 林东亮 林文忠）