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基于光纤传感器的菌菇房环境控制设计
来源:《计算机光盘与应用》2010年第5期供稿文/陈渊彬
[导读]本文首先简要介绍了光纤传感器的原理、分类和特点
（丹阳市农林局，江苏丹阳&&212300）
摘要：本文首先简要介绍了光纤传感器的原理、分类和特点，然后对菌菇房环境控制所需的光纤温度传感器、光纤湿度传感器以及光纤CO2传感器作了进一步的阐述。最后采用上述传感器作为传感单元构建了一个菌菇房环境控制系统。
关键词：光纤传感器；菌菇房；环境控制
中图分类号：&&&文献标识码：A&&文章编号：&(0-01
Environmental&Control&Design&of&Mushrooms&House&against&Optical&Fiber&Sensor&
Chen&Yuanbin
（Danyang&Agriculture&and&Forestry&Bureau,Danyang&&212300,China）
Abstract:This&article&briefly&introduces&the&principle&of&optical&fiber&sensors,classification&and&characteristics,and&environmental&control&of&the&mushroom&room&temperature&required&for&fiber-optic&sensors,&optical&fiber&humidity&sensors&and&fiber-optic&CO2&sensor&was&further&elaborated.Finally&construct&the&sensor&as&the&sensing&element&of&a&mushroom&house&environmental&control&system.
Keywords:Optical&fiber&Mushroom&Environmental&control
食用菌菇房的主要环境因子有温度、湿度、光照和CO2。其中，温度是决定食用真菌菌丝的生长和子实体发育最重要的因子，也是产量能否稳定的关键；另外，基质中的水份和空气相对湿度也是菌丝生长和子实体发育很重要的影响因子。本文采用光纤传感器作为传感单元来监测温湿度及CO2的指标，并通过数据采集系统将传感信息反馈到控制主机，由主机再通过执行单元来调节相应的环境指标，从而达到满足食用菌不同时间生长所需的最理想的环境条件。
二、&光纤传感器原理、分类及特点
通常，按照光纤在传感器中的作用，把光纤传感器分为两种类型：功能型和非功能型。功能型传感器中，光纤本身物理量受外界因素影响而产生变化，从而引起传导光的强度、偏振、相位、波长发生改变，通过探测传导光的物理量的改变就可获知外界环境物理量的改变。非功能型传感器本身不发生物理改变，外界的改变使得通过传感器光纤的传导光的物理性质发生改变从而获知环境物理量的改变。光纤传感器具有以下优点：1.无电探测，本质上抗电磁干扰，现场精度高。2.可长距离探测；由于信号损耗较小，因此不必像传统的传感器那样采用总线的方式，只要通过串联即可完成远处传感器的连接，安装方便。3.灵敏度高，响应快；4.耐腐防水，施工适应性好。以下介绍几种农业中常用光纤传感器。
（一）光纤温度传感器
采用不同的原理可以制成不同的光纤温度传感器。我们以光纤光栅温度传感器为例。如图1所示，在其内部安装一个光纤光栅，当外界温度改变传导到光纤光栅后，热膨胀效应使得光栅常数发生改变，从而引起通过光纤的传导光在特定的波长出现吸收或加强。这个波长值与原参考波长的差值就反应了温度值。
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&图1&&光纤光栅温度传感器
（二）光纤湿度传感器
光纤湿度传感器是基于光在光纤的传输中，当光纤芯表面涂有的物质因吸收周围空气中的水汽颜色发生改变时，将影响传感器的光谱吸收。例如用明胶膜把氯化钴固定在光纤纤芯的表面上。无水氯化钴为蓝色，当它吸收空气中的水汽后，氯化钴变成粉红色。当有光射入光纤时，大部分光传入膜中，与氯化钴分子相互作用，对大气中湿度的变化产生相应的效应。随着外界湿度大小的变化，敏感光波段的光吸收也随之变化，这样就可以检测湿度的变化了。图2为光纤湿度传感器示意图。
图2&光纤湿度传感器
（三）光纤CO2传感器
基于指示剂的CO2光纤传感器的工作原理为：大气或水体中的CO2气体作为样品进入外管，通过扩散作用再透过TeflonAF管壁进入指示剂溶液，经过水合、离解、显色等反应，最后利用分光光度法测定CO2分压。
图3&光纤CO2传感器
三、&菌菇房环境控制设计
如图4所示，光纤温度传感器、光纤湿度传感器、光纤CO2传感器分别串接后放置在需要监测的部位，各通道传感器信息由光纤传感信号处理器采集处理后上传至监控主机，主机判断后传指令至执行控制器，由执行控制器驱动加热设备、喷淋设备及排风设施进行调节，以保持适宜的温度、湿度及CO2浓度。
图4&菌菇房环境控制系统示意图
菌菇房环境控制的自动化对于提高食用菌的生产率，提高单位面积食用菌的产量有明显的积极意义。光纤传感器具有的高灵敏度、强抗干扰性，耐腐蚀以及施工方便等的优良性能使其在菌菇房环境控制中的应用具有广阔的前景。
参考文献：
[1]张云川,赵美华等.湿冷菇房设计与湿度控制研究.食用菌,2009（5）:76~77
[2]严洁,郑庆红.智能菇房温湿度调控系统研究.农机化研究,2006（10）:103~106
[3]尚丰丰.菇房环境参数控制系统的研究与开发.天津大学，硕士论文，2006（6）
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菌菇房/蘑菇房系列环境物联网电子监管系统设计方案
菌菇房/蘑菇房系列&环境物联网电子监管系统设计方案目&&&录第一章、前言&31.1定义&31.2生产所需的环境&31.3所能达到的功能&4第二章、概述&42.1概述&42.2环境对蘑菇行业的影响&4第三章、系统结构&73.1系统功能划分&73.2系统控制方式&7第四章、系统功能介绍&74.1温湿度监测&74.2光照度监测&74.3二氧化碳浓度监测&84.4二氧化碳排放控制&84.5加湿控制功能&84.6循环风控制&84.7报警控制&84.8备用冗余功能&9第五章、系统软件功能介绍&95.1登陆界面&105.2主界面&105.3历史曲线&115.4实时曲线图&125.5各个报警点信息&135.6参数设置（温湿度上下限）&135.7系统管理（权限设置等）&145.8帮助中心及Excel数据报表&14&&&第一章、前言1.1定义什么是菌菇房/蘑菇房？&&&随着经济的发展，人们慢慢懂得克服不利环境带来的影响。在蘑菇栽培技术上逐渐引进了大棚栽培技术，顾名思义菌菇房/蘑菇房系列就是人工栽培食用菌（食用菇、耳类大型真菌）可人工控制温度、湿度、通风、光线环境的出菇厂房；狭义专指进行工厂化食用菌生产的菇厂用于出菇的厂房，广义上还泛指栽培出菇用的温室大棚、山洞、简易塑料棚和空闲房屋等。1.2生产所需的环境&菌菇房/蘑菇房系列需要什么样的生产环境？ &&&&近年，蘑菇种植实现了科学化、标准化、现代化、数据化的管理。菌菇房/蘑菇房系列主要用来为食用菌的生长创造适宜的环境条件。因此在建造菌菇房/蘑菇房系列时，必须根据食用菌对环境条件的要求，慎重考虑，周密设计：①要求通风换气良好，既能使菇房内的废气及时排出，又能使外界新鲜空气迅速进入；②保温、保湿性能好，一方面要防止热气外流（如培养料后发酵），另一方面则能阻止外面冷热空气侵入③密闭性好，室内不易受外界条件变化的影响，冬暖夏凉，风吹不到菌床上，有利于防治杂菌及病虫。菌菇房/蘑菇房系列内要有适宜的温度、湿度、二氧化碳含量及光照度等。此外，还要考虑菌菇房/蘑菇房系列的空间比例、屋顶斜度、单元面积、密闭性及安全性等。1.3所能达到的功能&&近年，蘑菇种植实现了科学化、标准化、现代化、数据化的管理。菌菇房/蘑菇房系列主要用来为食用菌的生长创造适宜的环境条件。因此在建造菌菇房/蘑菇房系列时，必须根据食用菌对环境条件的要求，慎重考虑，周密设计：①要求通风换气良好，既能使菇房内的废气及时排出，又能使外界新鲜空气迅速进入；②保温、保湿性能好，一方面要防止热气外流（如培养料后发酵），另一方面则能阻止外面冷热空气侵入③密闭性好，室内不易受外界条件变化的影响，冬暖夏凉，风吹不到菌床上，有利于防治杂菌及病虫。菌菇房/蘑菇房系列内要有适宜的温度、湿度、二氧化碳含量及光照度等。此外，还要考虑菌菇房/蘑菇房系列的空间比例、屋顶斜度、单元面积、密闭性及安全性等。第二章、概述2.1概述随着科技的发展，菌菇房/蘑菇房系列传统培养技术已跟不上现代化物联网行业的的脚步，为迎合广大菌菇房/蘑菇房系列客户的需求，我公司根据市场需求，适时推出了适用于广大菌菇房/蘑菇房系列领域通用的系统&&菌菇房/蘑菇房系列智能化环境电子监管系统。2.2环境对蘑菇行业的影响温度因素：温度是环境条件的诸多因素中最为活跃的因素，也是对食用菌菌种生产、生产和使用影响作用最大的因素。任何种类、任何品种菌丝生长都有其生长温度范围、适宜生长温度范围和最适生长温度，同时也有各自的高温致死温度和低温致死温度。菌种生产中都是将培养温度设定在适宜生长温度范围内。总的说来，食用菌对高温的耐受度远不及对低温的耐受度&更高。经验表明，在适宜温度范围内，相对较低的温度下培养的菌种栽培使用中活力、长势和抗性都高于较高温度下培养的菌种。菌种生产中常遇到的不是低温问题，而是高温问题。在菌种培养中，温度超过适宜生长温度高限后，菌丝生长显著减缓，甚至停滞生长。温度降至其可生长时，菌丝虽可继续生长，但是，停滞生长期形成浅黄色或浅褐色高温圈。另外，在高温条件下，菌种的污染发生较多。&温度不仅影响菌种生长期菌丝的生长，还影响菌种的栽培效果，有的种类菌种高温培养后，出菇受到显著的抑制或减产。所以有效的控制好温度对食用菌的生长效率和产量有很大提高！水分及湿度因素：水分不仅是食用菌细胞的重要成分，而且养料的吸收及运输、代谢废料排泄等离开水都无法进行。因此，食用菌在生长发育的各个阶段，都必须供给充足的水分。食用菌生长发育所需要的水分绝大多数来自培养料。培养料含有充足的水分，是菌丝体生长及子实体大量形成必不可少的因素。一般而言食用菌菌丝生长阶段，培养料的适宜含水量一般为60％~65％，子实体形成阶段需水量更大。培养料中的水分由于蒸发及子实体吸收而不断减少，因此，栽培时需经常喷水。此外，菇房中如能经常保持一定的空气相对湿度，也能防止培养料中水分的过度蒸发。除培养料应有充足的水分，食用菌还需要一定的空气相对湿度，适宜菌丝体生长的空气相对湿度，一般以80％~95％较为适宜。当空气相对湿度低于60％时，平菇等食用菌的子实体停止生长；当空气相对湿度低于45％时，子实体不再分化，已分化幼菇会干枯死亡。所以空气湿度对于食用菌的种植尤为重要！二氧化碳因素：二氧化碳也是影响食用菌丝生长发育的重要因素，二氧化碳过多，对食用菌生长发育不利，生产上为防止二氧化碳积存过多，菇房内经常需要通风换气，这是食用菌栽培中确保子实体正常发育的一项关键性措施。通风换气能补充菇房内的新鲜空气，排除过多的二氧化碳和其它代谢废气！光照因素：食用菌的生长发育需要适宜的散射光照射，强光有伤害和抑制作用。日光温室是靠日光增温的，一年中有阳光时光照强度最低也在２００００LUX以上，因此，在日光温室中种植食用菌就存在光照过强的问题。但是有关不同食用菌种类，同一种类在不同生育阶段适宜的光照强度也是有所不同的。菇蕾分化和子实体发育需要一定的光照，微弱的散射光即可满足子实体的生长，过强的光线对子实体生长有抑制作用，并且鳞片增多影响质量。综上可以得出，合理的控制种植食用菌的环境有效的提高了工作效率及食用菌质量和产量！第三章、系统结构3.1系统功能划分系统功能设计主要为两大部分，一是监控终端传感器：温湿度、二氧化碳、光照等传感器以及各类智能控制器；二是监控室总控产品主要包括：系统软件，服务器、短信报警器、声光报警器等。3.2系统控制方式系统控制方式主要分为三类：一是现场监测手动控制，二是全自动控制方式，三是半手动半自动的控制方式。第四章、系统功能介绍4.1温湿度监测&&通过温湿度传感器监测菌菇房/蘑菇房系列室外空气环境温湿度、室内空气环境温湿度、地表温湿度、土壤温湿度等，并能对数据进行采集、分析运算、控制、存储、发送等。 &&&&&&&&&&&&&&&&&4.2光照度监测&&通过光感和光敏传感器监测记录菌菇房/蘑菇房系列内光线的强度，可以直接与相关的补光系统、遮阳系统等设备相连，必要时自动打开相关设备。4.3二氧化碳浓度监测&&在菌菇房/蘑菇房系列内部署二氧化碳浓度传感器，实时监测房中二氧化碳的含量，当浓度超过系统设定的阙值范围时，通过有线或无线传输技术将相关数据传送到用户监控终端，由相关工作人员做出相应调整。 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&4.4二氧化碳排放控制&&当菌菇房/蘑菇房系列内的二氧化碳含量高于所设二氧化碳上限时，控制器自动打开排风机和换气扇，进行通风换气；当二氧化碳降到正常时，控制器自动关闭排风机和换气扇。4.5加湿控制功能&&当菌菇房/蘑菇房系列内的湿度低于所设湿度下限时，控制器自动打开加湿器，进行加湿；当湿度升到正常时，控制器自动关闭加湿器。4.6循环风控制&&根据用户所设定的循环风启动周期，自动启动循环风机，使菇房内的温湿度分布均匀。4.7报警控制&&用户可设定某些参数指标的上限和下限。比如菌菇房/蘑菇房系列内温度应在30-15摄氏度之间，高于或低于这个温度范围都会产生报警信息，并在上位机中控平台和现场控制节点显示出来。4.8备用冗余功能&&为了避免设备出现故障或异常带来不便，而影响菌菇的生长。开发设计的设备系统，可进行扩展冗余，当设备出现故障时，辅助设备进行0切换。从而实现连续无故障运行，增加系统稳定性和可靠性。第五章、系统软件功能介绍系统采用HB-V系列专业工业组态监测软件，软件方便操作，可同时对上千路的各种参数同时进行采集处理。期稳定的运行提供了保证，是一款功能丰富、性能稳定的温湿度监测软件。软件主要功能介绍：即装即用：软件安装方便，直接点击&Setup.exe&运行完成安装，无需其它设置，即可使用，真正的即装即用。多种界面：具有实时数显、实时曲线、历史曲线、数据报表、组态报表等多种数据显示方式。组态灵活：画面、文字及曲线根据测量需要，灵活组态，画面具体生动。数据存储：数据自动存储、数据导出（另存）Excel、TXT等格式。数据打印：支持报表打印、历史曲线打印及在Excel里打印。数据查询：通过输入查询时间，即可查询所需被测点对应时间内的数据记录和曲线记录。监测报警：当监测数值达到报警条件时，以改变相应数据颜色并闪烁方式发出警报。同时通过声卡音箱输出报警声音。稳定准确：软件运行稳定，抗干扰能力强，数据采集准确度高，满足高标准数据监测要求。
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更新时间： 17:30:06&信息编号：3355871
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产品详细介绍菌菇房/蘑菇大棚生产环境智能综合监控系统&第一部分：概 述&（1）什么是菌菇房？&&&随着经济的发展，人们慢慢懂得克服不利环境带来的影响。在蘑菇栽培技术上逐渐引进了大棚栽培技术，顾名思义菌菇房就是人工栽培食用菌（食用菇、耳类大型真菌）可人工控制温度、湿度、通风、光线环境的出菇厂房；狭义专指进行工厂化食用菌生产的菇厂用于出菇的厂房，广义上还泛指栽培出菇用的温室大棚、山洞、简易塑料棚和空闲房屋等。&&（2）菌菇房需要什么样的生产环境？& &&&近年，蘑菇种植实现了科学化、标准化、现代化、数据化的管理。菌菇房主要用来为食用菌的生长创造适宜的环境条件。因此在建造菌菇房时，必须根据食用菌对环境条件的要求，慎重考虑，周密设计：①要求通风换气良好，既能使菇房内的废气及时排出，又能使外界新鲜空气迅速进入；②保温、保湿性能好，一方面要防止热气外流（如培养料后发酵），另一方面则能阻止外面冷热空气侵入③密闭性好，室内不易受外界条件变化的影响，冬暖夏凉，风吹不到菌床上，有利于防治杂菌及病虫。菌菇房内要有适宜的温度、湿度、二氧化碳含量及光照度等。此外，还要考虑菌菇房的空间比例、屋顶斜度、单元面积、密闭性及安全性等。（3）菌菇房智能综合监控系统&&&&菌菇房生产环境智能综合监控系统，采用了世界上先进的微电脑技术、传感器技术、自动控制技术，带有lcd显示和键盘操作，能够自动监测并调节温室内的二氧化碳含量、温度、湿度，具有二氧化碳排放控制功能、加湿、除湿控制功能和升温、降温控制功能，可以控制风机、加湿器等设备，通过键盘可以设置二氧化碳、温湿度的上下限以及控制回差，带有通讯接口，可以和计算机通讯，构成菇房环境自动监控系统。产品系统可应用于恒温菇房、农业温室、智能房、食品蔬菜保鲜库等。&&&&&&第二部分：系统结构及控制模式（1）系统两大组成部分&& sq-jg系统主要包括：上位机中心服务器控制平台和下位机现场控制节点：&&&&◇中心服务器控制平台可选用物联网感知应用平台或者是为客户专门定制的操作监测平台。能够实现监测、查询、运算、建模、统计、控制、存储、分析、报警等多项功能。&&◇现场控制节点由测控模块、电磁阀、配电控制柜及安装附件组成，与中心服务器控制平台可通过有线、无线、3g/2g方式连接到一起。根据菌菇房内温度、湿度、光照强度及二氧化碳浓度等参数，对环境调节设备进行控制。（2）控制方式包括：&&&&◇自动控制-----根据设定的参数，智能控制箱按照预先编制的程序自动运行。&&&&◇手动控制-----根据需要，可以选择现场手动控制方式，任意启动各种模式。&&&&◇集中监控------通过一根通讯线缆将每间菇房的控制箱串联起来，然后传送至监控中心的监控电脑，构成菇房环境集中监控系统。该监控系统能够实时显示并自动记录每间菇房的监测数据（湿度、温度、二氧化碳含量）以及外围设备的工作状态，远程设定对每台控制箱的工作参数，自动报警提示并记录报警发生的时间及报警原因。&&&& ◇3g互联网监控------通过安装配套的物联网监控软件，使得用户在家或者出差，都可以通过英特网实时了解菌菇房的各种温度、湿度、二氧化碳含量、设备的运行状态等信息，让菌菇的生产尽在我们的掌控之中。&第三部分：现场数据采集与控制功能&&&菌菇房内的各参数传感器，对温室环境进行多点实时动态采集，经过a/d转换送入单片机处理，驱动执行装置从而实现温室环境的自动智能调节。显示装置实时显示菌菇房内的温湿度、光照度等数值，能够更加一目了然地展示大棚内的数据全貌。（1）温湿度监测&&通过温监测菌菇房室外空气环境温湿度、室内空气环境温湿度、地表温湿度、土壤温湿度等，并能对数据进行采集、分析运算、控制、存储、发送等。&&&&&&&&&&&&&&&&&&（2）光照度监测&&通过光感和光敏传感器监测记录菌菇房内光线的强度，可以直接与相关的补光系统、遮阳系统等设备相连，必要时自动打开相关设备。通过无线传输技术将相关数据传送到用户监控终端。（3）co2浓度监测&&在菌菇房内部署二氧化碳浓度传感器，实时监测房中二氧化碳的含量，当浓度超过系统设定的阙值范围时，通过有线或无线传输技术将相关数据传送到用户监控终端，由相关工作人员做出相应调整。&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&（4）二氧化碳排放控制&&当菌菇房内的二氧化碳含量高于所设二氧化碳上限时，控制器自动打开排风机和换气扇，进行通风换气；当二氧化碳降到正常时，控制器自动关闭排风机和换气扇。（5）加湿控制功能&&当菌菇房内的湿度低于所设湿度下限时，控制器自动打开加湿器，进行加湿；当湿度升到正常时，控制器自动关闭加湿器。（6）循环风控制&&根据用户所设定的循环风启动周期，自动启动循环风机，使菇房内的温湿度分布均匀。（7）报警控制&&用户可设定某些参数指标的上限和下限。比如菌菇房内温度应在30-15摄氏度之间，高于或低于这个温度范围都会产生报警信息，并在上位机中控平台和现场控制节点显示出来。（8）备用冗余功能&&为了避免设备出现故障或异常带来不便，而影响菌菇的生长。我公司开发设计的设备系统，可进行扩展冗余，当设备出现故障时，辅助设备进行0切换。从而实现连续无故障运行，增加系统稳定性和可靠性。&第四部分：监测软件数据平台&&我公司自主研发的菌菇房生产环境智能自动监控软件，采集菌菇房内现场数据，通过有线、无线、3g/2g网络传输到数据平台，按照相关设定进行分析展示并进一步完成相应控制。&&（1）友好的用户登陆管理界面&&&&&&&&&&&&规定用户使用权限，不同用户提供不同的操作权限，非用户不能登陆系统，保证系统安全，操作简单而富有人性化。（2）实时\\历史、曲线\\报表数据分析&&系统将采集到的数据信息以实时曲线的方式显示给用户，并根据需要按照日、月、季、年参数变化曲线生成历史报表。便于对菌菇房内的环境运转情况进行分析做出改进，提高大棚的生产效率。&&&（3）多种形式的报警功能，适合不同场合需要&&工作人员根据温室大棚内的具体情况设置温度、湿度等参数限值。在监测时，如发现有监测结果超出设定的阈值时，系统会自动发出报警提醒工作人员，报警形式包括：声光报警、电话报警、短信报警、e-mail报警等。&（4）远程控制&&现场采集设备将采集到的数据通过有线、无线、3g/2g无线网络传输到中控数据平台，用户从终端可以查看菌菇房现场的实时数据，并使用远程控制功能通过继电器或模拟输出模块对菌菇房自动化设备进行控制操作，如自动通风排放系统、自动加湿系统、自动换气系统。（5）监控终端&&监控终端通过可视化、多媒体的实现以下主要功能：①菌菇房内菌菇生长环境状况全面显示、查询，包括各种参数、光照强度以及历史数据等；②向菌菇房内监控系统发调度命令、调整设备运转状况，确保温室内为菌菇生长最适宜环境。本产品的加工定制是是，产品类型是全新，适用领域是林业,畜牧、养殖业,农业，品牌是圣启，型号是SQ-JG，产品别名是农业自动化控制系统，自动化程度是半自动，适用对象是食用菌,蘑菇、菌菇、喜阴植物、温室，用途是能够自动监测并调节温室内的二氧化碳含量、温度、湿度，售后服务是技术支持与售后服务，根据客户需求是专业设计控制方案，功能强大是可监测多个环境参数，与原有设备进行联动，控制方式是有线/无线3G/GPRS，手动自动远程
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