0 引言
杏鮑菇\\(Pleurotus Eryngii\\)又名刺芹側耳,是一種集食用、藥用、食療于一體的珍稀食用菌品種,深受廣大消費者的喜愛[1].近年來,我國多個省區引進了大型杏鮑菇周年工廠化項目,如寧夏彭陽縣建立了以杏鮑菇、雙孢菇為主的食用菌生產基地,杏鮑菇產業已成為當地農民新的經濟增長點[2].杏鮑菇對栽培環境中的溫度、濕度、光照度以及 CO2濃度等環境因子的敏感性差異很大.目前,雖然有許多關于杏鮑菇栽培的研究,但其針對的目標各不相同,尤其針對西北地區群落式杏鮑菇栽培環境精準調控的研究仍屬空白,從而制約了西北地區食用菌工廠化、自動化、周年化生產的完整實現[3].
如今,現代無線通信技術被廣泛應用于溫室遠程監測與控制中,解決了傳統溫室監控系統中布線復雜、維護困難等問題,同時溫室的群控技術也得到廣泛研究和應用,擺脫了智能溫室單棚單控的局限性[4].分析總結先前學者的研究可知:現代無線遠程監控系統大多是基于 ZigBee、藍牙、WiFi 、GPRS 等技術,其工程應用優勢明顯.ZigBee、藍牙、WiFi 均屬短距離傳輸,但藍牙和 WiFi 的成本較高、功耗大、傳輸效率低[5 - 7].由于 ZigBee 具有節點規模大、功耗小、成本低等優點,因此基于 ZigBee 的無線傳感器網絡深受研究者的青睞;但其組網技術復雜,容易出現發送沖突、多跳、數據丟包、抗干擾能力差等問題,且對墻壁障礙的穿透力極低,使其應用有了局限性[8].因此,在綜合考慮西北冷涼地區的環境特點和杏鮑菇暗室培養的條件下,本文基于 GPRS 技術設計出了區域適用的群落式杏鮑菇生長環境遠程監控系統,從而滿足杏鮑菇子實體生長發育期對環境的苛刻要求,加快西北地區珍稀食用菌工廠化、周年化生產的實現,取得良好的經濟效益.
1 系統整體設計
杏鮑菇在食用菌中屬于環境敏感型菌類,由于中國南北方氣候的差異,不同地區栽培杏鮑菇所采取的調控策略也不相同[9].因此,在以前學者對杏鮑菇栽培環境的研究基礎之上,結合寧夏彭陽當地的氣候條件,探尋到杏鮑菇子實體生長發育期環境因子調控的最佳范圍:溫度最佳點 16℃,調節范圍 15 ~ 17℃;濕度的調節點 90% ,調節范圍 75% ~ 95% ;CO2濃度的最佳調節范圍 1 200 × 10- 6~ 2 500 × 10- 6;光照度的最佳理論值為 100 lux.
群落式杏鮑菇生長環境監控系統主要是在單個菇棚環境監控的基礎之上實現四區域環境監控,再以四區域監控為一個控制單元,逐漸拓展單元數量;由上位機接收匯總各個控制單元發送的數據,然后根據調控策略進行調控,達到寧夏彭陽食用菌標準化示范基地出菇區 112 間杏鮑菇菇棚群落式監控的目的.
群落式和單棟溫室監控系統構架如圖 1 所示.（圖1略）
系統底層利用溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光照度傳感器,將杏鮑菇菇棚內的溫度、濕度、CO2濃度、光照度等模擬量環境因子轉變為 0 ~ 5V 的標準電壓信號;通過 AL - 4AI4DO 數據采集模塊將電壓信號轉變為數字量,由 RS485 串口傳送到 GPRS 無線傳輸模塊\\(DTU\\);再通過 GPRS 網絡將實時采集到的現場數據傳遞給上位機,在上位機自主開發的組態監控界面中完成數據的動態顯示、歷史數據存儲、超限報警等功能.根據杏鮑菇子實體生長期間環境因子調控的上、下限值,由上位機經過 DTU 無線發送開關量信號給采集模塊的繼電器輸出接口,從而控制現場的 S7 -200 PLC,使其繼電器線圈輸出狀態改變來控制執行器工作,調控各個環境因子在需求范圍內.
2 系統硬件組成
2. 1 傳感器模塊
系統需要采集菇棚內的溫度、濕度、CO2濃度、光照度這 4 個環境因子,所以選擇 JWSL - 3VB 型溫濕度傳感器工作量程分別為 0 ~ 50℃、0 ~ 100% RH,精度為 ± 0. 5℃、3% RH; LCO2- V1 型 CO2濃度傳感器工作量程為 0 ~ 5 000 × 10- 6,精度為 ± 30℃、10- 6±5%;GZD - V1 型光照度傳感器工作量程為 0 ~ 1000lux;傳感器的輸出均為 0 ~5V 電壓信號.
2. 2 數據采集模塊
系統選用 AL - 4AI4DO 經濟實用型數據采集模塊.其集成了 4 路 0 ~ 5 V/0 ~ 20mA 采集、4 路繼電器輸出功能.采集接口分辨率 12 位,精度為 ± 0.01V.繼電器接口為干接點輸出,觸點容量為 5A /30VDC、5A /250VAC.模塊采用工業級 STM32F10x 單片機作為控制核心,配備兩路 RS485 接口,采用標準Modbus RTU 通信協議,完成讀取 4 路采集數據、讀取或設置 4 路繼電器狀態等功能.
2. 3 無線通訊模塊
GPRS\\( 通用分組無線業務的簡稱 \\) 是一種以GSM 為基礎的無線數據傳輸技術,在基于電路交換方式的 GSM 網絡上增加了 SGSN 和 GGSN 等功能.
GPRS 通訊網絡具有通訊速度快、持久在線性強、不受地域限制、延時短、成本低等特點[10 - 11].系統選用COMWAY WG - 8010 GPRS DTU 內置工業級 GPRS 無線模塊,其提供標準的 RS485 數據接口,可以方便地連接 AL - 4AI4DO 采集模塊,即可與服務器端通過GPRS 無線網絡和 Internet 網絡建立連接,實現上位機與采集模塊間數據的全透明傳輸.通過 RS485 數據接口,可以控制和協調多臺終端數據采集模塊與上位機通信.同時,如果需要維持雙向通信,必須設置GPRS - DTU 定時發送的心跳數據包,從而保持 NAT端口映射.
2. 4 可編程控制器\\( PLC\\)
可編程控制器簡稱 PLC\\(Programmable Logic Con-troller\\),它是基于微處理器的通用工業控制裝置[12].系統選用西門子公司的 S7 - 200 系列 PLC,它具有極高的可靠性、強大的通信能力、較強的抗干擾能力和豐富的擴展模塊.CPU 選用的是 S7 -226 CN,它集成了 24 點輸入/16 點輸出共 40 個數字量 I/O 點,最大可擴展數字量 I/O 點為 128 點輸入/128 點輸出,充分滿足了杏鮑菇溫室內多點控制的需求.
2. 5 電源模塊
系統中的各個設備對供電電源的要求不同:采集器使用 12VDC 供電電源,傳感器使用 24VDC 供電電源,DTU 使用 5V 的供電電源.
2. 6 執行機構
執行機構接收上位機發出的控制命令,通過 S7 -200 PLC 輸出端繼電器輸出,控制執行器動作.每間菇棚內主要執行器包括空調機、噴淋裝置、換氣扇及散光燈.其中,空調機組具備制冷、制熱等功能,自動控制程度高,換氣扇分進氣和排氣兩種安裝方式,杏鮑菇屬暗箱培養只需兩展散光燈.
3 上位機監控軟件設計
上位機監控軟件處于監控層,完成對現場數據采集和執行機構控制.系統的上位機為組態王 King-View6. 55,具有操作簡單、功能齊全、豐富的圖形化設計資源、數據的動態顯示、報警設置以及報表顯示等功能,內部提供與多種類型硬件連接的接口[13].系統通過建立 DTU 和 AL -4AI4DO 采集模塊連接,組態王和 AL - 4AI4DO 采集模塊通訊,完成動態的數據交換,以實現對現場數據的實時采集、處理和對現場設備的實時控制.
3. 1 DTU 與采集模塊的通訊
系統將 DTU 進行初始化配置后,在 DTU 標識的卡槽內插入一張開通 GPRS 流量的 SIM 卡,再通過 RS- 485 線將 DTU 的串口與采集器串口連接,即可實現采集數據向 DTU 的傳送.其中,系統采用全雙工方式傳輸模式的串行通訊,兩根數據線均可進行數據的發送和接收,發送和接收信息可以同時實現,互不沖突.
3. 2 組態王與采集模塊的通訊
組態王通過虛擬串口與遠程設備進行數據通訊.AL - 4AI4DO 采 集 模 塊 在 組 態 王 中 支 持 modbus\\(RTU\\)設備.首先,在組態王工程的 COM 口建立莫迪康 PLC 設備,設備地址必須與 AL - 4AI4DO 采集模塊設置的地址保持一致,并設定 COM 口通訊參數.
然后,在組態王軟件內部將 DTU 虛擬接入上位機的串口,配置運行 DTU 無線串口服務軟件,從而實現采集模塊與組態王之間的無線數據交換.
3. 3 數據采集功能設計
系統通過 DTU 無線通訊模塊經 GPRS 網絡實現菇棚內傳感器數據的無線遠傳,上位機接收、處理、儲存現場數據.系統處于運行狀態時,在上位機上必須事先運行無線串口服務軟件,確保 DTU 處于 online 狀態.當無線串口服務軟件的虛擬串口有數據收發時,軟件窗口中即能顯示數據收發的字節數.
系統在單個菇棚監控的基礎上將 4 個菇棚的數據采集模塊\\(AL - 4DI4DO\\)采取并聯的方式,通過地址的不同選擇實現多對一的傳輸模式,利用上位機監控軟件接收顯示所有的實時數據,從而實現四區域環境監控,并以拓撲的方式將其擴展到整棟溫室,達到群落式遠程監控的目的.每一個采集模塊對應每個菇棚內的 3 類傳感器,采集到的多路數據只用一個DTU 無線串口進行傳輸.4 個數據采集模塊并聯同一個無線串口,需要用軟件編程實現串口共享的方法,以 12s 為 1 個周期,將其劃分成 4 個時間段,每 3s 采集 1 次數據.采集模塊分時發送數據流程圖如圖 2所示.（圖2略）
3. 4 PLC 控制程序設計
結合寧夏南部山區的氣候特性和杏鮑菇子實體生長期的最佳調控策略,需要對菇棚內進行降溫、升溫、增加濕度、通風換氣、補充光照的調節.系統上位機的組態王軟件通過設定的程序對采集到的實時數據與環境因子的上下限值進行比較,然后發出控制命令經 DTU 無線傳給數據采集模塊的繼電器端口,控制現場的 S7 -200 PLC 工作,使相應的執行器動作.菇棚內的溫度過高時,控制空調制冷機工作;溫度過低時,控制空調加熱器工作;濕度過低時,控制噴淋裝置工作.由于杏鮑菇在生長過程中釋放 CO2,使 CO2濃度不斷升高,因此需控制 CO2不超過規定的上限值.
當 CO2超過上限時,通過控制換氣扇工作降低棚內CO2濃度.同時,通過控制散光燈的開關進行光照補充.控制程序流程圖如圖 3 所示.（圖3略）
3. 5 組態王的監控界面設計
基于組態王豐富的設備驅動程序、靈活的組態方式以及動態數據交換的功能,設計了群落式杏鮑菇生長環境遠程監控系統,滿足了多間菇棚的實時數據采集、動態顯示、參數調整、超限報警等設備調控的要求,提高了杏鮑菇生產過程的自動化程度.系統部分監控界面如圖 4、圖 5、圖 6 所示.（圖4、5、6略）
4 系統運行
系統在寧夏彭陽食用菌標準化生產示范基地進行示范性推廣應用.該示范基地占地 33. 3hm2,對其中生產杏鮑菇的 112 間菇棚進行群落式無線遠程監控系統的應用試驗.實踐證明,該系統是可行的,性能穩定可靠,監測精度高,能夠實時與上位機進行無線通訊,實現了菇棚內環境參數的實時監測,且設備調控平穩準確,達到了群落式無線遠程監控的目的.
如圖7 所示,選取2013 年9 月正處在出菇期的某間杏鮑菇菇棚 8:00 - 16:00 的監測數據,采集頻率30min.從數據曲線可以直觀地看到,系統運行正常且穩定,能夠依據調控策略調節環境參數保持在杏鮑菇子實體發育期需求的范圍內,綜合應用效果良好.（圖7略）
5 結論
在充分考慮寧夏南部山區資源承載力和氣候變化特征的基礎上,結合寧夏彭陽縣杏鮑菇產業的生產規模,集成應用多傳感器技術、GPRS 傳輸技術、PLC及軟件組態技術,設計完成群落式杏鮑菇生長環境遠程監控系統.現場的試驗驗證表明,該系統運行穩定、安全可靠、可操作性高,能夠對菇棚環境中的溫度、濕度、CO2濃度、光照度等環境因子進行實時、精準監測及相關調節設備的遠程自動控制.群落式杏鮑菇生長環境遠程監控的實現,不僅為當地食用菌工廠化、周年化生產提供了良好的條件,也為后續研究環境參數對杏鮑菇性狀的影響以及建立杏鮑菇出菇生育期的控制模型提供了必要條件.
參考文獻:
[1] 田景花,李明,李守勉. 我國杏鮑菇生產研究進展[J]. 北方園藝,2013\\(4\\):179 -181.
[2] 楊葉,張曉磊,朱學軍. 寧夏南部山區杏鮑菇生產過程監控系統設計[J]. 農業科技與裝備,2010\\(8\\):35 -38.
[3] 韓清華,李樹君,張云川. 食用菌工廠化栽培環境的遠程監測系統[J]. 農業機械學報,2008,39\\(8\\):123 -127.
[4] 李芳,張孟杰,紀建偉,等. 北方日光溫室群智能化環境控制系統的研究[J]. 農機化研究,2013,35\\(8\\):76 -79.
[5] 韓華峰,杜克明,孫忠富,等. 基于 ZigBee 網絡的溫室環境遠程監控系統設計與應用[J]. 農業工程學報,2009,25\\(7\\):158 -163.
[6] 馬增煒,馬錦儒,李亞敏. 基于 WIFI 的智能溫室監控系統設計[J]. 農機化研究,2011,33\\(2\\):154 -162.
[7] 張猛,房俊龍,韓雨. 基于 ZigBee 和 Internet 的溫室群環境遠程監控系統設計[J]. 農業工 程學報,2013,29\\(25\\):171- 176.
[8] 李莉,李海霞,劉卉. 基于無線傳感器網絡的溫室環境監測系統[J]. 農業機械學報,2009,40\\(S1\\):228 -231.
[9] 李輝平,宋金俤,林金盛,等. 主要環境因子對杏鮑菇工廠化生產影響的研究[J]. 江西農業學報,2011,23\\(11\\):28- 30.
[10] 孫忠富,曹洪太,李洪亮,等. 基于 GPRS 和 WEB 的溫室環境信息采集系統的實現[J]. 農業工程學報,2006,22\\(6\\):131 - 134.
[11] 林永君,楊春來,常喜茂,等. 基于 GPRS 的遠程監控系統的研究與實現[J]. 化工自動化及儀表,2011,38\\(11\\):1367 - 1370.
[12] 姜茂仁,劉國棟,楊國為,等. 基于 PLC 和組態王的電源控制系統的設計與實現[J]. 計算機與現代化,2013\\(1\\):130 - 133.
[13] 張曉磊,薛永風,蘇杰,等. 基于組態王的杏鮑菇菇棚物候監控系統設計[J]. 中國農機化,2012\\(1\\):176 -179.
