具有状态检测功能的生长环境培育系统

1.本实用新型属于菌菇生长培育领域，尤其是涉及一种具有状态检测功能的生长环境培育系统。


背景技术：

2.环境因素是菌菇生长的关键要素，这其中包括了温度、湿度、二氧化碳浓度以及光照度，这些环境因素可以直接影响菌菇生长发育过程和化学物质积累。目前，如何提取菌菇的最有生长环境配方，进而提高菌菇的产量与生长质量，成为当下农业研究的热点之一。
3.led作为最近几年兴起的第三代照明光源，但是现有的led菌菇照明灯有一定的缺陷：不同的植物对红光和蓝光的要求不同，即不同植物对于红光蓝光光通量(r/b)的配比需求是不一样的，目前常见的植物补光灯多是红光/蓝光(r/b)固定配比，光质不可调节，只能针对某一种特定的植物进行补光，补光系统的适应性较差，此外，不同品种的菌菇所适应的外界温度、湿度、二氧化碳浓度值也是不同的，因此研究集多种环境因素智能调节于一体的菌菇培养箱、对菌菇生长过程进行智能化管理就显得很重要。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型旨在提出一种具有状态检测功能的生长环境培育系统，以解决上述问题中的不足之处。
5.为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：
6.具有状态检测功能的生长环境培育系统，包括操控模块、控制模块和光照模块；
7.所述光照模块包括多组led灯，所述led灯设置在待光照的菌菇培育箱上方；
8.所述控制模块包括plc控制器和调光器，调光器与plc控制器连接，所述调光器用于通过微控制器输入占空比和频率可调的pwm信号，控制led灯亮度；
9.所述操控模块用于控制plc控制器。
10.进一步的，还设有环境信息采集模块，包括温湿度传感器和二氧化碳传感器，所述环境信息采集模块与plc控制器连接，环境信息采集模块用于将采集到的温湿度以及二氧化碳信息回传至plc控制器。
11.进一步的，还设有温湿度调节模块，包括加热器、制冷器和加湿器，温湿度调节模块与plc控制器连接。
12.进一步的，还设有灯座，所述led灯设置在灯座上，灯座底面向上凹陷形成安装部，安装部还包括固定组件，led灯通过固定组件设置在安装部内。
13.进一步的，所述固定组件包括设置在安装部的磁吸单元，led灯通过磁吸单元设置在灯座上。
14.进一步的，所述灯座底面向上凹陷形成的安装部的内壁还安装有反光片。
15.进一步的，还包括菌菇培育架和培育箱，所述菌菇培育架设有多层，培育箱放置在培育架上，灯座设置在培育箱上方。
16.进一步的，所述灯座与培育箱相对设置，灯座通过调节组件安装在培育箱上方的培育架上，所述调节组件用于调节灯座与培育箱的距离。
17.进一步的，所述调节组件包括设置在培育架上的承接杆和设置在灯座上的插接杆，插接杆设置在承接杆内；
18.沿承接杆和插接杆长度方向自上向下依次设有多个定位孔，所述定位孔用于调节承接杆和插接杆的伸缩长度。
19.相对于现有技术，本实用新型所述的具有状态检测功能的生长环境培育系统具有以下优势：
20.(1)本实用新型所述的具有状态检测功能的生长环境培育系统对培养箱内的led阵列的光照分布进行了研究，采用led阵列分布，与现有补光设备采用的单色led灯相比，本实用新型应用红蓝二合一灯珠生成灯珠阵列具有任意改变两种光线配比而不改变光照分布均匀的特点，在培养箱内安装这样的补光装置可以满足植物在不同生长期的对光照的不同需求。
21.(2)本实用新型所述的具有状态检测功能的生长环境培育系统解决了单一光质对菌菇造成的影响，以往菌菇子实体期的光照强度的区间范围、光照时间和光配方方面研究甚少，人们大多凭借经验来调控，使用本系统可以给科研单位提供更精准的实验数据；
22.(3)本实用新型所述的具有状态检测功能的生长环境培育系统解决了对不同研究对象无法匹配最佳光配方的问题。应用系统可以提取到各类菌棒以及其他植物的最优光配方；
23.(4)本实用新型所述的具有状态检测功能的生长环境培育系统可以同时调整光的波长、强度以及光照周期。这些条件对植物的生长都有重要的影响，不像温度，湿度等变量单一，而目前对光配方相关方面的研究比较少，大多数菌菇工厂采用白光做为光源，光能得不到充分的利用，使用该系统能充分利用光能；
24.(5)本实用新型所述的具有状态检测功能的生长环境培育系统结合试验菌菇品种以及菌菇房种植箱内获取到的实验数据，可有效验证响应面法(rsm)单因素最优取值点、单因素各水平之间的差值。
25.(6)本实用新型所述的具有状态检测功能的生长环境培育系统中的灯座与培育箱之间的距离可调节，根据使用需求调节led灯与培育箱的距离。
附图说明
26.构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
27.图1为本实用新型实施例所述的具有状态检测功能的生长环境培育系统系统框架示意图；
28.图2为本实用新型实施例所述的stm32f103vet6型微控制器硬件封装图示意图；
29.图3为本实用新型实施例所述的pt4115应用电路图示意图；
30.图4为本实用新型实施例所述的pt4115管脚分配图示意图；
31.图5为本实用新型实施例所述的培育架整体示意图；
32.图6为本实用新型实施例所述的培育架局部示意图；
33.图7为本实用新型实施例所述的培育架局部放大示意图。
34.附图标记说明：
35.1-培育架；2-培育箱；3-灯座；31-安装部；4-调节组件；41-承接杆；42-插接杆；43-定位孔；5-反光片。
具体实施方式
36.需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
37.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
38.如图1至图7具有状态检测功能的生长环境培育系统，包括操控模块、控制模块和光照模块；
39.所述光照模块包括多组led灯，所述led灯设置在待光照的菌菇培育箱2上方；
40.所述控制模块包括plc控制器和调光器，调光器与plc控制器连接，所述调光器用于通过微控制器输入占空比和频率可调的pwm信号，控制led灯亮度；
41.所述操控模块用于控制plc控制器。
42.还设有环境信息采集模块，包括温湿度传感器和二氧化碳传感器，所述环境信息采集模块与plc控制器连接，环境信息采集模块用于将采集到的温湿度以及二氧化碳信息回传至plc控制器。
43.还设有温湿度调节模块，包括加热器、制冷器和加湿器，温湿度调节模块与plc控制器连接。
44.还设有灯座3，所述led灯设置在灯座3上，灯座3底面向上凹陷形成安装部31，安装部31还包括固定组件，led灯通过固定组件设置在安装部31内。
45.所述固定组件包括设置在安装部31的磁吸单元，led灯通过磁吸单元设置在灯座3上。
46.所述灯座3底面向上凹陷形成的安装部31的内壁还安装有反光片5。
47.还包括菌菇培育架1和培育箱2，所述菌菇培育架1设有多层，培育箱2放置在培育架1上，灯座3设置在培育箱2上方。
48.所述灯座3与培育箱2相对设置，灯座3通过调节组件4安装在培育箱2上方的培育架1上，所述调节组件4用于调节灯座3与培育箱2的距离。
49.所述调节组件4包括设置在培育架1上的承接杆41和设置在灯座3上的插接杆42，插接杆42设置在承接杆41内；
50.沿承接杆41和插接杆42长度方向自上向下依次设有多个定位孔43，所述定位孔43用于调节承接杆41和插接杆42的伸缩长度,还设有安装在定位孔内的定位销，通过定位销固定灯座与培育箱的相对高度。
51.需要说明的是，图5至图7只体现单组培育架1、培育箱2、灯座3以及用于调节灯座3位置的调节组件4，本技术涉及的plc控制器、温湿度传感器、二氧化碳传感器、加热器、制冷器和加湿器均为画出，由于在使用过程中根据使用情况会出现多组培育架1使用同一组上述部件，因此在图中无法体现，上述部件大多采用现有部件，或者针对现有部件通过适应性
改进制成。
52.在具体实施过程中，本系统以“触摸屏
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plc控制器
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智能调光器
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led阵列”为主体框架，可在菌菇培养车间中实现光照度、温度、湿度、二氧化碳浓度智能化调节与菌棒养殖，系统框架及实验现场布控如图1所示；
53.其中智能调光器的输入电压为24vdc，支持rs485通讯方式，每块调光器控制板配备4路电流输出通道，每路通道最大输出电流1.2a。智能调光器的主控芯片采用意法半导体公司生产的stm32系列微控制器，通过微控制器输入占空比和频率可调的pwm信号，控制led亮度。调光器采用了恒流源方案，配合微控制器，实现稳定、恒定、高精度的电流输出(电流可实现0-1.2a之间的大范围连续调节，调节精度最大可达千分之一)，以实现对led灯亮度的高精度调节。根据设计要求，开发人员在控制模块上设计了电源防反接功能，进而搭建恒流驱动电路，确保恒流电路驱动准确、安全。选取了stm32微控制器中4个pwm信号输出端口外接4个光源驱动模块，即4路电流输出通道。恒流源芯片根据微控制器输出的pwm信号改变输出电流，实现光源可调功能，其中stm32微控制器芯片的硬件电路图如图2所示；
54.①
基于rs-485通讯的modbus协议
55.a.rs-485通讯
56.rs485由rs232和rs422发展而来，弥补了抗干扰能力差、通信距离短、速率低的缺点，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接在同一条主线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线通讯范围。
57.本系统采用rs485二线制通信方式。该方式可以实现真正的多点双向通信。其主要特点如下：
58.(a)rs485的接口信号电平比rs231-c低，不易损坏接口电路的芯片。
59.(b)rs485的数据最高传输速率为10mbps。
60.(c)rs485接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力强，即抗噪声干扰性好，因而通信距离远，最大传输距离大约为1200m。
61.(d)rs485接口在总线上允许连接多达128个收发器，既具有多站能力。同时需要两个终端电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。在短距离300m内传输时可不连接终端电阻。
62.b.modbus rtu协议
63.该协议已经成为通用工业标准，通过协议，控制器与控制器、控制器通过网络(以太网)与其他设备之间可以实现串行通信。rtu即远程终端单元，消息中每8位包含两个十六进制字符。
64.led控制系统采用的通讯数据的类型及格式为：数据长度8，停止位1，传输速率9600，检验为无校验。
65.②
恒流源功能
66.开发人员在led控制板上集成了pt4115模块。其应用电路图、管脚分配图如图3和图4所示；
67.pt4115是一种连续传导模式电感降压转换器，在本系统中用于驱动单个或多个串联led。该装置正常工作电压在6v至30v之间，可提供高达1.2a的外部可调输出电流。根据电源电压和外部组件，pt4115可提供30w以上的输出功率。pt4115包括电源开关和高压侧输出
电流传感电路，该电路使用外部电阻器来设置平均输出电流，并且专用的调光输入接受直流电压或宽范围的脉冲调光。通过向仪表集成模块引脚施加0.3v或更低的电压，从而关闭输出并将设备切换到低电流待机状态。pt4115接收到微控制器产生的pwm信号，输出对应的恒定电流，进而导通led灯，使其发光。微控制器端的上位指令可通过触摸屏、plc等上位机写入，从而实现控制板输出电流的连续可调。
68.本系统触摸屏采用威纶通mt8071ip型7寸tft lcd人机界面。该人机界面配备32位cortex a8 600mhz cpu处理器，分辨率为800*480，尺寸小巧，数据传输速率高，适合搭载到各类工控系统中。触摸屏在通信方式上支持以太网、rs-232/rs-485串行接口方式，支持外接u盘存储海量数据，此外，功耗仅为12w，在温度-20℃～60℃，湿度10％～90％之间可正常连续工作30000小时以上，以上功能特点可以适应菌菇智能栽培系统的外在环境。
69.本系统的具体控制对象包括了传感器、led智能调光器等485通讯设备，以及加热器、风冷机、加湿器、干燥器等执行器件。本系统所采用的是西门子s7-200 smart系列plc控制器。其特点是“高性能、高集成、高性价比”。它配备了西门子专用高速处理器芯片，基本指令执行时间可达0.15μs。此外s7-200 smart cpu标配了profinet接口，rs-232/rs-485串口，还包括诸多扩展模块、信号板和通信模块；
70.作为一款可编程控制器，s7-200 smart提供的编程软件是step 7-micro/win smart(以下简称step 7smart)。本系统充分利用了step 7smart内部功能，完成了整套菌菇养殖系统控制逻辑的自主编程，只需要一台plc和触摸屏即可实现全系统的工作，节约了系统成本，其主要功能包括以下几个方面：
71.(1)plc控制器作为系统主站，通过modbus rtu协议，对整个系统进行初始化复位；
72.(2)通过轮询方式，由plc控制器作为主站向led控制模块、传感器、光照度采集模块、电机及服务器等各类从站发出调用指令；
73.(3)plc控制器中加入了温度、湿度、二氧化碳的智能调节控制逻辑，通过设定菌菇生长的环境区间，与实时环境参数比对，plc控制器对控制装置发出控制指令；
74.(4)plc控制器集成了20组菌棒实验箱的控制逻辑设计及地址分配，可实现多组实验箱之间串行全双工的通信模式；
75.(5)通过调用内部定时器、计数器等指令并进行组合运算，实现了任意光照周期的时间设置，为菌菇菌棒的实时光照需求提供了必备条件。
76.数据采集：系统采集的主要数据为温湿度、二氧化碳、光照度，采用了国产sm3390b型二氧化碳、光照度、温湿度一体传感器。传感器的二氧化碳测定范围在0～5000ppm，光照度测定范围在0～65535lux，温度测定范围在-30℃～80℃，湿度测定范围在0～100％rh。内部使用了较高精度的传感内核及相关器件，能在温度-40-80℃、湿度5％-90％的环境下保证可靠和稳定地采集数据。
77.本方案的学术价值及创新性主要体现在以下几个方面：
78.1.解决了单一光质对菌菇造成的影响。以往菌菇子实体期的光照强度的区间范围、光照时间和光配方方面研究甚少，人们大多凭借经验来调控，解决了对不同研究对象无法匹配最佳光配方的问题；
79.2.使用本系统可以给科研单位提供更精准的实验数据。本系统提供了光照调整的数据库功能，从而便于实验人员查询所有的操作记录及其对应时间，再结合各不同实验箱
内菌菇的生长情况，由菌菇生长记录员进行评估选择出最优生长实验箱，将该实验箱的光照生长记录进行提取，从而作为该类菌菇的最优生长光配方；
80.3.可以同时调整光的波长、强度以及光照周期。这些条件对植物的生长都有重要的影响，不像温度，湿度等变量单一，而目前对光配方相关方面的研究比较少，大多数菌菇工厂采用白光做为光源，光能得不到充分的利用。使用该系统能充分利用光能；
81.4.通过监测和提取环境中温湿度和光照强度，调节红蓝光的强度、周期等数值的方法，能为给类菌菇提供最优的生长环境，甚至可以普及到更多敏感光照的植物，提高植物的产量和品质，为种植企业带来实际效益。
82.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求和说明书的范围当中。
83.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。