專利名稱：一種食用菌工廠化栽培環(huán)境計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種食用菌工廠化栽培環(huán)境計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，特別是涉及分布式遠(yuǎn)程集中監(jiān)控和數(shù)字化栽培管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對多達(dá)100個以上菇房進(jìn)行各自獨(dú)立的環(huán)境小氣候?qū)崟r監(jiān)控以及栽培生產(chǎn)管理，以滿足食用菌工廠化栽培對菇房環(huán)境自動調(diào)控和數(shù)字化栽培生產(chǎn)管理的要求。
背景技術(shù)：
食用菌工廠化栽培在單位土地面積內(nèi)，利用設(shè)施、設(shè)備人工調(diào)節(jié)食用菌的生長環(huán)境條件，創(chuàng)造出適宜不同菌類不同發(fā)育階段的環(huán)境小氣候，進(jìn)行立體、大規(guī)模、高效率、反季節(jié)周年栽培，同時保證食用菌的高產(chǎn)量和高質(zhì)量生產(chǎn)。然而，目前食用菌工廠化栽培中，環(huán)境智能監(jiān)控及栽培過程自動化和信息化水平偏低，因此食用菌的工廠化栽培仍然難以標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，也因此難以擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，產(chǎn)量和食用菌的質(zhì)量未能在工廠化栽培中得到明顯的提高，未能充分發(fā)揮食用菌工廠化栽培應(yīng)有的優(yōu)勢和效率。因此食用菌工廠化栽培環(huán)境計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與數(shù)字化栽培管理系統(tǒng)是食用菌工廠化栽培的核心關(guān)鍵技術(shù)。目前食用菌工廠化栽培環(huán)境計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)建仍然處在探索階段，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要不足在于系統(tǒng)架構(gòu)不合理和功能還偏于簡單。目前控制系統(tǒng)常見為兩極結(jié)構(gòu)模式:系統(tǒng)的中心上位機(jī)和多個下位機(jī)相連，監(jiān)控多個菇房，構(gòu)成兩級計(jì)算機(jī)分散控制結(jié)構(gòu)。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，下位機(jī)一般使用基于單片機(jī)的控制板，控制板連接傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，功能包含控制、信號采集、數(shù)據(jù)處理、存儲、通訊和用戶操作設(shè)置界面等，這使得下位機(jī)控制板電路復(fù)雜，從而可靠性降低；另一方面由于單片機(jī)本身資源限制，控制板的功能、存儲容量和性能被限制，不容易擴(kuò)展；還有，由于各傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)都必須使用星型布線集中到控制板，再由控制板連接到中心上位機(jī)，使得系統(tǒng)布線安裝也較為復(fù)雜，現(xiàn)場安裝、硬件端口設(shè)置和組態(tài)都不易靈活實(shí)現(xiàn)。控制系統(tǒng)還有一種常見結(jié)構(gòu)模式是基于工控機(jī)，工控機(jī)與傳感器和執(zhí)行器連接通過通用IO板卡相連，該種結(jié)構(gòu)主要缺點(diǎn)是成本偏高，布線也是星型布線集中連接到工控機(jī)；當(dāng)菇房數(shù)量增多時，IO板卡需求量相應(yīng)增大，端口接線也更復(fù)雜。這種結(jié)構(gòu)模式中，工控機(jī)及其IO板卡也常被PLC及其附屬IO模塊代替。單從軟件角度，現(xiàn)有食用菌工廠化栽培環(huán)境計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，上位機(jī)軟件系統(tǒng)主要是以本地獨(dú)立軟件的形式，難以遠(yuǎn)程、多用戶共享方式實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。部分系統(tǒng)添加Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問，但監(jiān)控系統(tǒng)仍然是獨(dú)立本地軟件，Web服務(wù)器主要是提供遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)表和數(shù)據(jù)顯示，難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時環(huán)境監(jiān)控。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種食用菌工廠化栽培環(huán)境計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，能夠保證計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算和存儲性能，又能提高系統(tǒng)可靠性和簡化系統(tǒng)安裝布線和遠(yuǎn)程多用戶實(shí)時訪問監(jiān)控。并且系統(tǒng)成本降低，設(shè)置、維護(hù)和擴(kuò)展升級方便。本發(fā)明采用以下方案實(shí)現(xiàn):一種食用菌工廠化栽培環(huán)境計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于包括:N個控制系統(tǒng)客戶端、控制系統(tǒng)服務(wù)器、Modbus總線集線器、室外氣象站以及設(shè)于菇房內(nèi)的M個Modbus總線接口傳感器和執(zhí)行器；
所述的控制系統(tǒng)客戶端經(jīng)計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)與所述控制系統(tǒng)服務(wù)器連接；
所述控制系統(tǒng)服務(wù)器經(jīng)Modbus總線集線器負(fù)責(zé)控制所述傳感器和室外氣象站的數(shù)據(jù)采集以及執(zhí)行器的動作，并負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)客戶端服務(wù)請求響應(yīng)；其中N、M為自然數(shù)。在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述控制系統(tǒng)服務(wù)器提供Web接口，客戶端軟件系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)能遠(yuǎn)程多用戶共享連接服務(wù)器的應(yīng)用模式。在本發(fā)明一實(shí)施例中，該系統(tǒng)能通過編輯設(shè)置Excel表格文件并導(dǎo)入控制系統(tǒng)服務(wù)器，即可完成系統(tǒng)組態(tài)設(shè)置。在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述控制系統(tǒng)服務(wù)器使用輕量級Web框架，無用戶交互圖形界面，控制系統(tǒng)客戶端程序通過Http協(xié)議連接控制系統(tǒng)服務(wù)器完成數(shù)據(jù)實(shí)時通信，客戶端軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)用戶遠(yuǎn)程集中監(jiān)控操作、數(shù)據(jù)曲線及報(bào)表生成及顯示。在本發(fā)明一實(shí)施例中，該系統(tǒng)能通過增刪改設(shè)置硬件端口和Modbus總線節(jié)點(diǎn)地址信息表格，并導(dǎo)入所述控制系統(tǒng)服務(wù)器，即可實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)硬件端口的設(shè)置。在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述控制系統(tǒng)服務(wù)器還負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)一控制策略與控制算法的實(shí)現(xiàn)以及組態(tài)數(shù)據(jù)的管理。在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述的控制策略是基于輸入和設(shè)置的食用菌栽培專家經(jīng)驗(yàn)知識，根據(jù)具體栽培食用菌，將食用菌整個栽培周期分樹形結(jié)構(gòu)食用菌生長階段，根據(jù)不同階段及一天不同時段，自動調(diào)整食用菌栽培環(huán)境因子設(shè)置；根據(jù)當(dāng)前各環(huán)境因子設(shè)置值，結(jié)合調(diào)控設(shè)備耗費(fèi)能量情況及食用菌栽培階段和時段，根據(jù)最大生產(chǎn)利潤優(yōu)化規(guī)則，調(diào)整各環(huán)境因子設(shè)置及其控制算法參數(shù)。在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述組態(tài)數(shù)據(jù)包括:I)菇房菇房溫區(qū)信息，包括編號及菇房描述信息；2) Modbus總線Master信息，包括編號、協(xié)議、地址或端口信息；3) Modbus請求信息，包括編號、描述信息、使用的Modbus總線Master及對應(yīng)的Modbus總線Slave、功能碼、地址和長度；4)執(zhí)行器及測量設(shè)備信息，包括編號、所在菇房號、描述信息、類型、Modbus請求號及偏移量、取值范圍、單位。本發(fā)明充分利用工控機(jī)的計(jì)算、存儲和數(shù)據(jù)通信能力，將大量的歷史數(shù)據(jù)存儲、復(fù)雜的智能控制算法和控制策略基于工控機(jī)實(shí)現(xiàn)，并能充分利用工控機(jī)上的便利軟件開發(fā)環(huán)境。通過Modbus總線連接工控機(jī)和傳感器和執(zhí)行器，系統(tǒng)擴(kuò)展和硬件端口調(diào)整靈活便利，系統(tǒng)軟件通過組態(tài)設(shè)置即可滿足不同系統(tǒng)需求和硬件配置，利用Modbus總線型網(wǎng)絡(luò)通信，布線安裝簡單、節(jié)省線材；傳感器和執(zhí)行器通過Modbus總線與工控機(jī)相連，只負(fù)責(zé)信號轉(zhuǎn)換，功能簡化、單一，從而更易提高可靠性，并可選用標(biāo)準(zhǔn)通用器件產(chǎn)品；客戶端通過Http協(xié)議實(shí)現(xiàn)連接服務(wù)端，可在現(xiàn)有多種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時連接，客戶端應(yīng)用Http協(xié)議，但又不用通用瀏覽器訪問實(shí)現(xiàn)，自行開發(fā)客戶端用戶界面，可根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)特有監(jiān)控用戶交互界面和數(shù)據(jù)曲線報(bào)表等數(shù)據(jù)表示形式，并提高系統(tǒng)的安全性。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例食用菌工廠化栽培環(huán)境計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)集成框圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例食用菌工廠化栽培環(huán)境計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。如圖1本實(shí)施例的食用菌工廠化栽培環(huán)境計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)包括N個控制系統(tǒng)客戶端、計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)、控制系統(tǒng)服務(wù)器(工控機(jī))、Modbus總線集線器、室外氣象站、多個Modbus總線接口傳感器和執(zhí)行器和Modbus總線。這里N可以是多個，控制系統(tǒng)客戶端實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控用戶交互界面和數(shù)據(jù)曲線報(bào)表等數(shù)據(jù)表示形式，多個控制系統(tǒng)客戶端通過計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)可同時連接控制系統(tǒng)服務(wù)器；控制系統(tǒng)服務(wù)器負(fù)責(zé)連接傳感器和執(zhí)行器，負(fù)責(zé)室外氣象站、菇房中的傳感器數(shù)據(jù)采集及菇房中執(zhí)行器驅(qū)動控制，并同時負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)客戶端服務(wù)請求響應(yīng)；ModbuS總線集線器負(fù)責(zé)擴(kuò)展總線節(jié)點(diǎn)數(shù)量及分割不同Modbus總線網(wǎng)段；室外氣象站負(fù)責(zé)采集菇房室外氣象數(shù)據(jù)；各個菇房中的多個傳感器負(fù)責(zé)環(huán)境因子或設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，執(zhí)行器負(fù)責(zé)菇房環(huán)境調(diào)控設(shè)備驅(qū)動控制。上述控制系統(tǒng)服務(wù)器提供Web接口，客戶端軟件系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)能遠(yuǎn)程多用戶共享連接服務(wù)器的應(yīng)用模式。本實(shí)施例系統(tǒng)能通過編輯設(shè)置Excel表格文件并導(dǎo)入控制系統(tǒng)服務(wù)器，即可完成系統(tǒng)組態(tài)設(shè)置。上述述控制系統(tǒng)服務(wù)器使用輕量級Web框架，無用戶交互圖形界面，控制系統(tǒng)客戶端程序通過Http協(xié)議連接控制系統(tǒng)服務(wù)器完成數(shù)據(jù)實(shí)時通信，客戶端軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)用戶遠(yuǎn)程集中監(jiān)控操作、數(shù)據(jù)曲線及報(bào)表生成及顯示。該系統(tǒng)能通過增刪改設(shè)置硬件端口和Modbus總線節(jié)點(diǎn)地址信息表格，并導(dǎo)入所述控制系統(tǒng)服務(wù)器，即可實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)硬件端口的設(shè)置。本實(shí)施例中，所述控制系統(tǒng)服務(wù)器還負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)控制策略與控制算法的實(shí)現(xiàn)、組態(tài)數(shù)據(jù)管理，控制策略是基于輸入和設(shè)置的食用菌栽培專家經(jīng)驗(yàn)知識，根據(jù)具體栽培食用菌，將食用菌整個栽培周期分樹形結(jié)構(gòu)食用菌生長階段，根據(jù)不同階段及一天不同時段，自動調(diào)整食用菌栽培環(huán)境因子設(shè)置。另外根據(jù)當(dāng)前各環(huán)境因子設(shè)置值，結(jié)合調(diào)控設(shè)備耗費(fèi)能量情況及食用菌栽培階段和時段，根據(jù)最大生產(chǎn)利潤優(yōu)化規(guī)則，適度調(diào)整各環(huán)境因子設(shè)置及其控制算法參數(shù)，以達(dá)到減少生產(chǎn)能量投入目的。在本發(fā)明一實(shí)施例中，在控制系統(tǒng)安裝調(diào)試時，通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)菇房環(huán)境因子過程模型辨識，基于具體環(huán)境因子過程模型，使用串級控制與基于過程模型的內(nèi)模控制算法實(shí)現(xiàn)環(huán)境因子回路控制。所述組態(tài)數(shù)據(jù)包括:1)菇房菇房(溫區(qū))信息，包括編號及菇房描述信息；2)ModbuS總線Master信息，包括編號，協(xié)議，地址或端口信息；3) Modbus請求信息，包括編號、描述信息、使用的Modbus總線Master及對應(yīng)的Modbus總線Slave、功能碼、地址和長度等；4)執(zhí)行器及測量設(shè)備信息，包括編號、所在菇房號、描述信息、類型、Modbus請求號及偏移量、取值范圍、單位等。為了讓一般技術(shù)人員更好的理解本發(fā)明，下面結(jié)合系統(tǒng)中的軟件模塊做進(jìn)一步說明，請參見圖2，本發(fā)明食用菌工廠化栽培環(huán)境計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由硬件電路模塊與軟件模塊組成，其中，部分模塊組合一起以整體出現(xiàn)，軟件I是控制系統(tǒng)客戶端程序，包含A-環(huán)境監(jiān)控操作界面、B-栽培管理操作界面、C-系統(tǒng)組態(tài)與設(shè)置界面、D-數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析界面、E-數(shù)據(jù)曲線與報(bào)表界面和F-用戶管理操作界面軟件模塊，控制系統(tǒng)中可以同時多個客戶端程序運(yùn)行；軟件2是控制系統(tǒng)服務(wù)器程序，包含G- Web微框架模塊、H-控制算法與控制策略模塊、1-實(shí)時數(shù)據(jù)處理模塊，J-組態(tài)與設(shè)置數(shù)據(jù)處理模塊、K-數(shù)據(jù)采集處理模塊、L—設(shè)備驅(qū)動處理模塊和M—Modbus Master模塊組成；模塊3是基于RS485的Modbus總線；模塊4是菇房數(shù)據(jù)采集及設(shè)備驅(qū)動模塊，包含N-數(shù)據(jù)采集硬件模塊和O-設(shè)備驅(qū)動硬件模塊，控制系統(tǒng)中一個菇房或室外氣象站對應(yīng)一個模塊4，控制系統(tǒng)包含多個模塊4，模塊4中包含多個模塊O和模塊N。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種食用菌工廠化栽培環(huán)境計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于包括:N個控制系統(tǒng)客戶端、控制系統(tǒng)服務(wù)器、Modbus總線集線器、室外氣象站以及設(shè)于菇房內(nèi)的M個Modbus總線接口傳感器和執(zhí)行器； 所述的控制系統(tǒng)客戶端經(jīng)計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)與所述控制系統(tǒng)服務(wù)器連接； 所述控制系統(tǒng)服務(wù)器經(jīng)Modbus總線集線器負(fù)責(zé)控制所述傳感器和室外氣象站的數(shù)據(jù)采集以及執(zhí)行器的動作，并負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)客戶端服務(wù)請求響應(yīng)；其中N、M為自然數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的食用菌工廠化栽培環(huán)境計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于:所述控制系統(tǒng)服務(wù)器提供Web接口，客戶端軟件系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)能遠(yuǎn)程多用戶共享連接服務(wù)器的應(yīng)用模式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的食用菌工廠化栽培環(huán)境計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)能通過編輯設(shè)置Excel表格文件并導(dǎo)入控制系統(tǒng)服務(wù)器，即可完成系統(tǒng)組態(tài)設(shè)置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的食用菌工廠化栽培環(huán)境計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于:所述控制系統(tǒng)服務(wù)器使用輕量級Web框架，無用戶交互圖形界面，控制系統(tǒng)客戶端程序通過Http協(xié)議連接控制系統(tǒng)服務(wù)器完成數(shù)據(jù)實(shí)時通信，客戶端軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)用戶遠(yuǎn)程集中監(jiān)控操作、數(shù)據(jù)曲線及報(bào)表生成及顯示。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的食用菌工廠化栽培環(huán)境計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)能通過增刪改設(shè)置硬件端口和Modbus總線節(jié)點(diǎn)地址信息表格，并導(dǎo)入所述控制系統(tǒng)服務(wù)器，即可實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)硬件端口的設(shè)置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的食用菌工廠化栽培環(huán)境計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于:所述控制系統(tǒng)服務(wù)器還負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)一控制策略與控制算法的實(shí)現(xiàn)以及組態(tài)數(shù)據(jù)的管理。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的食用菌工廠化栽培環(huán)境計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的控制策略是基于輸入和設(shè)置的食用菌栽培專家經(jīng)驗(yàn)知識，根據(jù)具體栽培食用菌，將食用菌整個栽培周期分樹形結(jié)構(gòu)食用菌生長階段，根據(jù)不同階段及一天不同時段，自動調(diào)整食用菌栽培環(huán)境因子設(shè)置；根據(jù)當(dāng)前各環(huán)境因子設(shè)置值，結(jié)合調(diào)控設(shè)備耗費(fèi)能量情況及食用菌栽培階段和時段，根據(jù)最大生產(chǎn)利潤優(yōu)化規(guī)則，調(diào)整各環(huán)境因子設(shè)置及其控制算法參數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的食用菌工廠化栽培環(huán)境計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于:所述組態(tài)數(shù)據(jù)包括:1)菇房菇房溫區(qū)信息，包括編號及菇房描述信息；2) Modbus總線Master信息，包括編號、協(xié)議、地址或端口信息；3)Modbus請求信息，包括編號、描述信息、使用的Modbus總線Master及對應(yīng)的Modbus總線Slave、功能碼、地址和長度；4)執(zhí)行器及測量設(shè)備信息，包括編號、所在菇房號、描述信息、類型、Modbus請求號及偏移量、取值范圍、單位。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種食用菌工廠化栽培環(huán)境計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于包括N個控制系統(tǒng)客戶端、控制系統(tǒng)服務(wù)器、Modbus總線集線器、室外氣象站以及設(shè)于菇房內(nèi)的M個Modbus總線接口傳感器和執(zhí)行器；所述的控制系統(tǒng)客戶端經(jīng)計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)與所述控制系統(tǒng)服務(wù)器連接；所述控制系統(tǒng)服務(wù)器經(jīng)Modbus總線集線器負(fù)責(zé)控制所述傳感器和室外氣象站的數(shù)據(jù)采集以及執(zhí)行器的動作，并同時負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)客戶端服務(wù)請求響應(yīng)；其中N、M為自然數(shù)。本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)對多達(dá)100個以上菇房進(jìn)行各自獨(dú)立的環(huán)境小氣候?qū)崟r監(jiān)控以及栽培生產(chǎn)管理，以滿足食用菌工廠化栽培對菇房環(huán)境自動調(diào)控和數(shù)字化栽培生產(chǎn)管理的要求。
文檔編號G05B19/418GK103197639SQ20131009911
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月26日
發(fā)明者林東亮, 許志紅 申請人:福州大學(xué)