尹 魁

（湖南財(cái)經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421002）

黑木耳（Auricularia auricula）是一種常見的食用菌，在我國許多地方都有栽培[1]。因其質(zhì)地柔軟、口感嫩滑成為了人們餐桌上的一道美食。黑木耳在我國有上千年的栽培歷史，《禮記》中已有在帝王宴會上食用黑木耳的記載[2]。初期人工培養(yǎng)黑木耳多在室外進(jìn)行，近年來隨著人工栽培菌類技術(shù)的發(fā)展，黑木耳的大規(guī)模栽培已經(jīng)多采用專門調(diào)制的培養(yǎng)基，在室內(nèi)人工控制的環(huán)境下進(jìn)行養(yǎng)殖栽培[3]。室內(nèi)栽培的優(yōu)點(diǎn)是光照、水分、溫濕度、通風(fēng)等的管理和控制相對容易，采摘收獲也方便快捷。但在室內(nèi)栽培黑木耳的過程中，人工調(diào)節(jié)溫濕度等環(huán)境參數(shù)費(fèi)時費(fèi)力，調(diào)節(jié)精度也不高，人工調(diào)節(jié)出錯機(jī)率也較大，會嚴(yán)重影響室內(nèi)栽培黑木耳的出菇質(zhì)量。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)設(shè)計(jì)一套控制系統(tǒng)，對黑木耳室內(nèi)栽培的相關(guān)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行自動控制，以提高黑木耳室內(nèi)栽培的管理生產(chǎn)水平，提高黑木耳栽培質(zhì)量，為黑木耳大規(guī)模工廠化栽培提供技術(shù)支持。

1 黑木耳室內(nèi)栽培控制系統(tǒng)工作原理

物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things）是物物相連的網(wǎng)絡(luò)[4]。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對黑木耳室內(nèi)栽培的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的工作原理見圖1。

如圖1所示，物聯(lián)網(wǎng)的硬件“物品”主要有各種傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)等。其中傳感器是用來完成黑木耳室內(nèi)栽培環(huán)境參數(shù)和數(shù)據(jù)的采集，主要使用溫度傳感器來檢測溫度信號、濕度傳感器來檢測濕度信號，根據(jù)需要還可以為控制系統(tǒng)增加光敏傳感器來檢測光照強(qiáng)度、采用空氣質(zhì)量傳感器來檢測通風(fēng)等情況。作為一種檢測裝置，傳感器將黑木耳栽培室內(nèi)溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)的變化，按照控制系統(tǒng)的要求對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換調(diào)理，輸出成系統(tǒng)能夠識別形式進(jìn)行輸出。由于從傳感器傳出的電信號一般都很微弱，故需要對這些微弱的電信號進(jìn)行放大，以提高測量精度。

數(shù)據(jù)采集卡的作用是從傳感器中自動采集電量或非電量信號，送給上位機(jī)進(jìn)行分析處理。而計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，是整個控制系統(tǒng)的核心，它不但負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，而且還通過控制系統(tǒng)軟件對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析、顯示。因此，整個控制系統(tǒng)的工作原理就是通過由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、傳感器部分搭建的硬件平臺實(shí)現(xiàn)黑木耳室內(nèi)栽培數(shù)據(jù)的采集，再由控制系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，以及數(shù)據(jù)的分析處理，從而實(shí)現(xiàn)黑木耳室內(nèi)栽培環(huán)境參數(shù)的自動檢測和自動控制。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件平臺以計(jì)算機(jī)為核心，根據(jù)控制系統(tǒng)需求進(jìn)行硬件選型，出于成本的考慮，需要對控制系統(tǒng)的硬件主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行限定。

2.1 溫度、濕度傳感器

黑木耳室內(nèi)栽培環(huán)境最適溫度為20℃～30℃，因此選擇美信公司的MAX6610型溫度傳感器，其具體參數(shù)為工作電壓 3.0 V～5.5 V；測溫范圍-40℃～125℃；靈敏度16 mV/℃；非線性誤差1℃[5]。

黑木耳室內(nèi)栽培環(huán)境濕度范圍控制為空氣相對濕度90%～95%，選用Honeywell公司在HIH4000基礎(chǔ)上推出的新產(chǎn)品HIH4010，其具體參數(shù)為精度為±3.5%RH（0～100%RH非凝結(jié)）；溫度范圍為-40℃～85℃；物理特性為熱固性聚合物電容傳感器，帶集成信號處理電路；供電輸出為5.0 V（DC）恒壓供電，0.8 V（DC）～3.9 V（DC）放大線形電壓輸出；響應(yīng)時間為慢流動的空氣中15 s快速響應(yīng)；且具有低功耗設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性好、低溫飄與抗化學(xué)腐蝕性能強(qiáng)的特點(diǎn)。

2.2 數(shù)據(jù)采集卡

根據(jù)控制系統(tǒng)的需求，以及黑木耳室內(nèi)栽培環(huán)境的實(shí)際情況，選擇北京阿爾泰科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的USB 2010數(shù)據(jù)采集卡[6]。采用USB總線可以簡單、快速、直接的連接到上位機(jī)中?？刂葡到y(tǒng)中的上位機(jī)是計(jì)算機(jī)，一般都有USB 2.0接口，傳輸速度達(dá)480 Mbit，可以方便USB總線的數(shù)據(jù)采集卡的接入且傳輸速率高。

3 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集卡的連接通信

系統(tǒng)選用的數(shù)據(jù)采集卡為阿爾泰公司的USB 2010型數(shù)據(jù)采集卡。在連接建立通信的過程中，根據(jù)黑木耳室內(nèi)栽培環(huán)境數(shù)據(jù)的采集需求，通過5個函數(shù)來完成連接通信：1）CreateDevice函數(shù)用于創(chuàng)建采集設(shè)備對象；2）InitDeviceAD函數(shù)負(fù)責(zé)初始化設(shè)備對象中的AD部件；3）ReadDeviceAD函數(shù)讀取模擬信號，讀取USB設(shè)備AD部件上的批量數(shù)據(jù)；4）ReleaseDeviceAD函數(shù)用于釋放設(shè)備對象中的AD部件所占用的系統(tǒng)資源；5）ReleaseDevice函數(shù)關(guān)閉設(shè)備，釋放設(shè)備對象所占用的系統(tǒng)資源及設(shè)備對象自身。

根據(jù)上述函數(shù)，建立數(shù)據(jù)采集的流程：1）使用CreateDevice函數(shù)創(chuàng)建設(shè)備對象；2）使用InitDeviceAD函數(shù)初始化和啟動AD；3）使用ReleaseDeviceAD函數(shù)讀取AD數(shù)據(jù)；4）對連續(xù)采集進(jìn)行判斷，如果是連續(xù)采集數(shù)據(jù)，則返回上一步繼續(xù)讀取AD數(shù)據(jù)，否則使用ReleaseDevice函數(shù)釋放和停止AD設(shè)備；5）對釋放和停止的AD設(shè)備進(jìn)行二次判斷，看是否需要改變通道或頻率再次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如果是則返回第二步進(jìn)行初始化再次啟動，否則結(jié)束整個數(shù)據(jù)采集流程。

3.2 數(shù)據(jù)采集方式

黑木耳室內(nèi)栽培的環(huán)境參數(shù)主要就是溫度和濕度，由于溫濕度在一定時間范圍內(nèi)不會發(fā)生突然大范圍的變化，所以設(shè)采集頻率為30 min，即每30 min采集一次溫度、濕度數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集卡的創(chuàng)建與初始化工作在整個主程序開始前已完成，主要的數(shù)據(jù)采集程序由一個順序結(jié)構(gòu)作為主結(jié)構(gòu)。第一步輸入采集參數(shù)采集信號放大系數(shù)；第二步進(jìn)入數(shù)據(jù)采集的主循環(huán)，主循環(huán)采用了一個While循環(huán)以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的AD采集，2個時間計(jì)數(shù)器分別與移位寄存器連接，以實(shí)現(xiàn)分別給出每一次加速度與溫濕度采集的初始時間。

4 數(shù)據(jù)存儲與讀取模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集模塊后，就需要將采集的信號寫入上位機(jī)的存儲器中，將采集時臨時占用的內(nèi)存空間釋放，進(jìn)而為后面的數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)分析部分提供原始的采集數(shù)據(jù)。

4.1 數(shù)據(jù)存儲分析

在對數(shù)據(jù)存儲與讀取模塊程序設(shè)計(jì)之前，首先應(yīng)該對數(shù)據(jù)的存儲量大小，數(shù)據(jù)存儲格式，數(shù)據(jù)存儲類型進(jìn)行詳細(xì)的研究分析。

4.1.1 數(shù)據(jù)存儲量

由于采用的是計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，其存儲硬盤的大小是有限的，所以對于數(shù)據(jù)存儲量的估計(jì)是必須的。以連續(xù)采集溫濕度數(shù)據(jù)48 h為例進(jìn)行存儲量大小估計(jì)。其中數(shù)據(jù)類型為單精度浮點(diǎn)數(shù)，采樣率為10 KHz，采集方式按周期采集。即上位機(jī)需提供約1 M（1 024 kb）的存儲空間。

4.1.2 高速數(shù)據(jù)流文件

二進(jìn)制文件對輸入數(shù)據(jù)無條件的限制，包括數(shù)值、數(shù)組、簇等復(fù)雜的數(shù)據(jù)，只要在寫入或讀取時給定數(shù)據(jù)參考類型，即可完成對文件的操作。在數(shù)據(jù)采集部分，所有的采集信號都被按順序的寫入數(shù)據(jù)組中，并且每一組采集數(shù)據(jù)都有相應(yīng)的特征屬性，所以為了有效地區(qū)分各個數(shù)據(jù)組，可采用TDM文件進(jìn)行文件的存儲。TDM文件可以對每一組信號添加一些附加屬性信息，其中附加的信息以XML的格式存儲在擴(kuò)展名為.tdm的文件中，而采集數(shù)據(jù)則存儲在擴(kuò)展名為.tdx的文件中，這兩個文件可以通過引用的方式聯(lián)系起來。所以，在數(shù)據(jù)存儲與讀取模塊的設(shè)計(jì)中可以用TDMS文件來實(shí)現(xiàn)調(diào)整數(shù)據(jù)流的存儲。

4.2 數(shù)據(jù)存儲和讀取

由數(shù)據(jù)采集部分的程序設(shè)計(jì)可知，數(shù)據(jù)存儲部分的程序設(shè)計(jì)要求能夠在每一次樣本采集完成之后就將采集的數(shù)據(jù)存儲到相應(yīng)的文件中。數(shù)據(jù)讀取部分程序設(shè)計(jì)主要是為后面的數(shù)據(jù)分析程序提供分析處理的原始記錄數(shù)據(jù)，由于被讀取的原始數(shù)據(jù)量會比較大，如何準(zhǔn)確、高效、方便的提供原始記錄數(shù)據(jù)，以備數(shù)據(jù)分析程序或用戶進(jìn)行分析、查看，就是這部分程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

4.3 數(shù)據(jù)的預(yù)處理

黑木耳室內(nèi)栽培控制系統(tǒng)涉及對各種采集到的數(shù)據(jù)管理和控制的問題，這是控制系統(tǒng)的重要任務(wù)之一。數(shù)據(jù)管理所包含的內(nèi)容很多，如數(shù)據(jù)的存儲、讀取、判別、整理、顯示等，這些可以統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)的預(yù)處理分析。數(shù)據(jù)預(yù)處理通過分析采集的數(shù)據(jù)信號特征屬性，從中獲取有用的信息。一般有時域分析和頻域分析2種分析方法。由于溫濕度數(shù)據(jù)量不大，因此對其僅進(jìn)行時域上的簡單分析，所以對于溫濕度數(shù)據(jù)的預(yù)處理，在數(shù)據(jù)讀取時就可以完成。

5 結(jié)論

從長遠(yuǎn)來看，黑木耳等食用菌產(chǎn)品的生產(chǎn)都要走向現(xiàn)代化的工廠化栽培，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來提高栽培的工作效率和精細(xì)管理，能夠降低栽培成本、增加收益。利益于國家對農(nóng)業(yè)特別是食用菌產(chǎn)業(yè)的大力扶持、現(xiàn)代化物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，食用菌產(chǎn)業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)也會在這一歷史機(jī)遇中得到更為廣泛的應(yīng)用。