基于智能預測算法的平菇栽培室內溫濕度控制

陽明霞

（柳州職業技術學院，廣西 柳州 545000）

平菇（Pleurotus ostreatus） 是我國常見的食用菌，其口感細膩嫩滑、營養物質豐富，而且價格不高，深受人們的喜愛。平菇生長喜歡通風好、溫度濕度變化較小的外部環境，是我國主要的食用菌栽培品種[1]。溫度過高過低都會導致平菇的生長變緩，最適合的溫度一般控制在20℃~30℃左右；而濕度也十分重要，平菇喜濕，在潮濕環境中才能快速生長，一般濕度控制在60%~80%左右。溫度濕度要隨著平菇的不同生長時期進行動態調整，在發菌、生長、出菇等不同時期適時調整溫濕度，能夠有效提高平菇的產量和品質[2]。

溫度和濕度的控制一直是工業控制領域的重要研究內容，人工控制溫濕度比較困難。近年來，智能預測溫濕度已經成為了研究熱點[3]，通過一定的硬件軟件設計，智能預測溫濕度變化并加以控制已成為可能。

1 溫濕度控制系統的模塊選型

1.1 溫濕度傳感器選型

傳感器可以感知平菇栽培室內環境的溫濕度等信號，并轉化成電流或電壓信號供測量系統使用。由于溫度與濕度有一定的物理關系，濕度高則溫度低，而溫度高則濕度低，因此我們一般使用溫濕度一體式傳感器來同時傳送這2 種信號。根據平菇最適合的溫度在20℃~30℃左右，濕度在60%~80%左右的控制范圍，選用瑞士Sensiron 公司的SHT25 溫濕度傳感器模塊[4]。該傳感器具有極高的可靠性，能夠長期在潮濕環境中穩定工作，其主要特點是體積小、響應速度快，并且能耗較低，抗干擾能力強、溫濕一體，可以在平菇栽培室內潮濕的工作環境中進行露點測量。其濕度調節范圍在10%～90%，誤差僅有±2%；溫度在0～60℃之間，誤差僅有±0.4℃。

1.2 采集FPGA 芯片及模塊選型

溫濕度控制系統以FPGA 為核心，完成對平菇栽培室內環境溫度和濕度信息的采集。芯片和模塊選型時基本遵循體積小、功耗低、操作簡單、工作穩定等要求。

系統選用Xillinx 公司的XC3S200A 芯片是一種高速大規模數字電路芯片[5]。用于控制溫濕度傳感器完成A/D 采集、數據存儲和顯示等相關功能模塊。主要控制功能模塊有，電源模塊、顯示模塊、AD 轉換模塊、時鐘模塊、USB 控制模塊、存儲模塊及GPS 模塊等，各模塊的功能通過FPGA 編程算法來實現對溫濕度的智能預測控制。

由于系統所要采集的溫濕度均采用的是集成模塊，本身已集成有AD 轉換功能，因此，需要轉換的模擬量為經過電荷放大后的的加速度信號，綜合考慮選用ADS8364 六通道16 位AD 轉換芯片，該芯片具有采集精度高、轉換時間快、功耗低等優點。

數據存儲器選用SAMSUNG 公司的NAND 型Flash 內存；程序存儲器采用與XC3S200A 相匹配的PROM 芯片XCF01S[6]。

溫濕度控制系統采用USB2.0 接口，實現本地設備與PC 機數據的交流。通過USB2.0 接口將本地設備的數據存儲器中的數據上傳到計算機進行數據分析和處理。采用Cypress 公司的56-pin SSOP 封裝CY7C68013 芯片，實現主機與FPGA 之間的數據傳輸。

2 溫濕度傳感器數據采集模塊

溫濕度控制系統的傳感器模塊SHT25 的精度可達1.8%RH，數字輸出，I2C 接口，低功耗，具有長時間采集的穩定性。

2.1 SHT25 與FPGA 的鏈接

由于SHT25 已經將濾波，AD 轉換等電路封裝在了模塊內部。因此輸出的是FPGA 可以接受的數字量。故可以與FPGA 直接相連，由FPGA 來控制它對溫濕度的測量。SCL 為雙向時鐘信號，具體方向通過對SHT25 設置得到。SDA 為雙向數據位，具體傳輸方向與SCL 有關。NC 為未定義端。VDD 選擇與FPGA 相同的+3.3V 電源。

2.2 SHT25 模塊數據采集過程

SHT25 與FPGA 模塊的傳輸過程如下。

第一，啟動傳感器。將傳感器接到3.3V 電源，在傳感器得電后需要等待最多15 ms，SCL 進入高電平時，進入空閑狀態。主機也就是FPGA 發送命令。此過程的最大功耗是350 μA。

第二，啟動序列。首先SDA 由高電平變為低電平，之后SCL 由高電平跳變為低電平。這段時序過程我們定義為啟動序列S。SCL 由低電平跳變為高電平后，SDA 從低電平跳變為高電平。這段時序我們定義為停止序列P。當啟動序列完成后，認為總線處于忙碌狀態。

第三，發送地址及寫命令。在啟動序列S 后，是7 位地址數據1000000 和一位SDA 讀寫控制位。1 表示讀取，0 表示寫入。因此該段數據應該為10000000。發送完地址后傳感器將SDA 置低，該動作定義為ACK。

第四，發送讀地址及命令。讀取溫度或濕度數據采集命令。命令與代碼的對照表如表1 所示。

表1 SHT25 命令代碼對照表Tab.1 SHT25 command code table

當主機傳送完地址后，檢測到ACK 后則開始傳輸溫度或濕度數據采集命令。本系統中對溫濕度的采集都采用鎖定主機模式。當發送完數據采集命令后，傳感器同樣會執行一個ACK。

第五，運行啟動序列S。發送讀取數據命令。當發送完傳感器溫濕度數據采集命令，檢測到ACK后主機開始發送讀取數據命令。傳感器開始溫度或濕度轉換，傳感器完成數據轉換后釋放SCL 信號線。

第六，接收數據。在發送完讀取數據命令后，主機等待最多85 ms 后開始讀取高8 數據。當讀完高8 位后，主機送一個ACK 到SDA 總線。傳感器檢測到ACK 后開始發送低6 位數據及兩位溫濕度標志數據。其中溫濕度標志數據第0 位未分配，第1位是“0”則為溫度數據；是“1”則為濕度數據。

第七，停止。主機接收完低6 位數據及兩位溫濕度標志數據后，向SDA 上送一個高電平后執行停止序列。

3 溫度數據的轉換與存儲

由于溫度模塊輸出的是16 位二進制原始數據，因此需要對該數據進行處理，溫度T（℃） 的計算公式為：

式中：T0為溫度模塊輸出的16 位二進制原始溫度。

由于采集溫度是字符串類型的數據，因此存儲這個字符串至少要用6 個字節，占用計算機存儲空間過大，因此對該字符串進行轉換以節省存儲空間。轉換公式為：

式中：T為采集溫度數據（℃），Td為轉換后的溫度存儲數據。

取3 位有效數字，取值范圍為 [-399≤Td≤499]。+499 的二進制數為：0111110100，最高位為符號位，共10 位二進制數。然而存儲器是以字節為單位進行存儲的，因此需要占用兩個字節，也就是16 位，因此相對于字符串存儲節省了4B 存儲空間。然而使用的16 位空間中的6 位存儲空間就會浪費掉。如果這6 位也能充分利用的話，相對字符串存儲方法就可節省38 位的存儲空間。

4 濕度數據的轉換與存儲

濕度模塊輸出的原始數據是16 位二進制數，假設該數值為RH0，則相對濕度RH（%） 計算公式為：

式中：RH0為濕度原始數據（%）。

由于相對濕度極限值為0 和100，而溫濕度一體式傳感器測定的精度值為1.8，因此只需要將濕度使用0 到100 之間的整數來表示即可。100 的二進制數值為1100100，沒有符號位。因此，直接存儲相對濕度的數據值則需要占用7 位的存儲空間。轉換公式為：

對取整，RHd的取值范圍為 [-50≤Td≤50]。-50 的二進制數位1110010，最高位為符號位，它也占用了7 位存儲空間，故這兩種存儲方式均可，本系統采用第一種存儲方式。然而存儲器是以字節為單位進行儲存的，因此它需要占用一個字節來存儲，浪費了1 位存儲空間。假如能將這一位也充分利用的話，8 個RH數據就可以節省1B 的存儲空間。

5 FPGA 溫濕度預測算法

由于平菇生長環境中溫濕度信息變化相對平緩，因此我們對溫濕度數據采集的頻率要求不是很高，可以在同一進程中先后采集溫濕度數據。具體FPGA算法程序流程為如下。

第一，首先發送啟動序列S，即將SDA 與SCL先后由高電平置為低電平。第二，發送地址及寫命令。該命令數據為“10000000”。第三，發送數據采集命令。FPGA 檢測到ACK 信號后，發送溫度數據采集命“11100011”。第四，發送地址及讀取命令。FPGA 檢測到ACK 信號后，首先進行一個啟動序列S，之后發送命令數據“10000001”。第五，讀取溫度數據。在等待約85ms 后，開始讀取溫度數據高8位。讀完數據后主機發送一個ACK。傳感器在接收到ACK 后，發送低8 位數據。接收完成后主機發送一個ACK。第六，溫度數據校驗。當傳感器接收到ACK 后，發送8 位校驗碼。在接收完成后執行NACK。之后進行停止序列。第七，讀取濕度數據。重復第1 步到第6 步。只是傳遞的命令數據依次為，第二步“10000000”，第三步“11100101”，第四步“10000001”，第5 步的中濕度數據讀取的等待時間約22 ms。

6 總結

平菇栽培室內的環境溫濕度控制是一個系統工程，涉及到多種硬件的選型和設計。目前針對溫濕度控制的采集設備比較多，但大部分功能都比較單一，而且笨重，無法滿足長時間、有限空間內的溫濕度數據采集記錄。本文中設計的溫濕度控制系統，以FPGA 為核心完成了溫濕度數據的采集、存儲等操作，并詳細討論了系統主要模塊的功能和數據存儲方式，基于FPGA 設計了溫濕度預測算法。后期還需要對溫濕度控制的通信、電壓轉換芯片和顯示器件等進行設計，形成完整的溫濕度數據采集、存儲、顯示和分析系統，實現平菇栽培室內的環境溫濕度的精準控制。