CN115486328B - 智能食药用菌育种箱、其控制方法和计算机可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种智能食药用菌育种箱、其控制方法和计算机可读存储介质，涉及栽培装置领域。智能食药用菌育种箱，其包括箱体、育种环境控制装置以及菌包放置架，所述育种环境控制装置包括：控制模块，所述控制模块包括控制电路和工控电脑；感应模块，所述感应模块通过所述控制电路与所述工控电脑连接，所述感应模块包括温度湿度传感器、气体浓度传感器、光照传感器和相机；以及调节模块，所述调节模块通过所述控制电路与所述工控电脑连接，所述调节模块包括气流调节装置、温度调节装置、湿度调节装置和光源。所述控制模块配置成根据所述感应模块所感应的受控变量是否存在时滞性以及时滞性的强度对所述调节模块进行控制。

Description

智能食药用菌育种箱、其控制方法和计算机可读存储介质

技术领域

本发明涉及栽培装置领域，具体涉及一种智能食药用菌育种箱、其控制方法和计算机可读存储介质。

背景技术

随着社会经济发展，文明程度的提高，人们生活质量不断上升，食药用菌类已经成为目前食品和医药领域不可或缺的产品之一。对于食药用菌育种的基本目标，是高产、优质、抗逆性强等，这也是大多数作物育种的基本目标，人们对食药用菌的要求也不断提高，不仅包括营养价值和口味等方面，还包含了质地和口感等上升要求。这也成为了新时期食药用菌育种目标之一。

专利文件CN208095494U公开了一种食用菌育种用的培养箱，其设置有食用菌培养槽，并在箱体内设置控制器和温度、湿度传感器以及空气净化器和风机等装置，从而实现对培养箱内环境的智能控制。

专利文件CN109328883A公开了一种食用菌菌种的培养装置及其食用菌菌种的培育方法，通过设置多个培养室并在培养室内设置灭菌装置和空气净化装置以及高温通气结构从而实现箱中各个地方受热温度保持一致，避免了固体培养基受热不均匀导致的除菌不彻底。

专利文件CN107637397A公开了一种菌菇高效有机智能培育立体箱，通过模仿野生环境下的原生态环境，实现在一个培养箱中培育多个菌菇品种，并且通过智能控制装置控制箱内温度、湿度、光照强度等因素，并自动开启/关闭通风窗，从而实现智能通风控制，从而实现培育箱内菌菇培育的自动化控制和自动化管理。

发明内容

本发明提供了一种智能食药用菌育种箱、其控制方法和计算机可读存储介质，能够在实现育种箱内自动化控制管理的基础上，进一步对存在时滞性的影响因素进行控制，从而进一步平衡箱内各区域的环境避免受控变量变化的惯性对食药用菌的生长造成影响。

根据本发明的一方面提供了一种智能食药用菌育种箱，其包括箱体、育种环境控制装置以及菌包放置架，所述育种环境控制装置包括：控制模块，所述控制模块包括控制电路和工控电脑；感应模块，所述感应模块通过所述控制电路与所述工控电脑连接，所述感应模块包括温度湿度传感器、气体浓度传感器、光照传感器和相机；以及调节模块，所述调节模块通过所述控制电路与所述工控电脑连接，所述调节模块包括气流调节装置、温度调节装置、湿度调节装置和光源，其中，所述控制模块配置成根据所述感应模块所感应的受控变量是否存在时滞性以及时滞性的强度对所述调节模块进行控制。

进一步地，所述气流调节装置包括：换气装置，其包括进气管道、进气风扇、出气管道、出气风扇以及位所述进气管道和所述出气管道之间的鼓风机，所述鼓风机、所述进气风扇以及所述出气风扇分别与所述工控电脑电连接；以及均风导流板，其立设在所述箱体的内壁上，所述均风导流板包括三面挡板，所述三面挡板与所述箱体的内壁围成均风导流空间，所述均风导流板的与所述内壁相对的挡板上沿水平方向开设有多个开口，所述开口下部设置有朝向所述均风导流空间延伸的弯曲的导板，其中从上到下的所述导板的宽度逐渐增加，并且其中，所述进气管道、所述进气风扇、所述出气管道和所述出气风扇形成外循环风道；所述进气管道、所述鼓风机和所述出气管道形成内循环风道。

进一步地，所述温度调节装置包括：制冷装置，其包括压缩机、冷凝器和蒸发器，所述蒸发器位于所述进气管道的内部；以及制热装置，所述制热装置位于所述蒸发器的进风侧。

进一步地，所述湿度调节装置设置在所述均风导流空间中，所述湿度调节装置包括雾化箱和雾化管，所述雾化箱设置在所述均风导流空间的下方，所述雾化管的下端与所述雾化箱的上表面连接从而与所述雾化箱连通，所述雾化管从所述雾化箱的上表面向上延伸。

进一步地，所述雾化箱内设有水箱、雾化片、自动补水器和吹雾风扇，所述自动补水器设置在水箱的侧壁上并通过补水管连接所述育种箱外部的水源。

进一步地，所述箱体上开设有与所述箱体的侧壁铰接的箱门，且所述箱体的上方设置有用于限定一部分所述育种环境控制装置的框架，并在所述箱体的下方设有支架和/或万向轮。

根据本发明的另一方面，提供了一种根据前一方面任一项所述的智能食药用菌育种箱的控制方法，所述方法包括：

1）在控制模块中设置受控变量的目标值；

2）通过各感应模块感应所述育种箱内的受控变量情况，并将感应到的受控变量数据传送到所述控制模块；

3）所述控制模块根据所述受控变量数据控制所述调节模块执行调节操作。

进一步地，步骤3）还包括在所述控制模块根据所述受控变量数据控制所述调节模块执行调节操作之前，判断所述受控变量数据是否来自存在时滞性的受控变量，当控制模块判断感应模块感应到的受控变量数据来自不存在时滞性的受控变量时，所述控制模块控制所述调节模块执行分级调节，而当所述控制模块判断所述感应模块感应到的受控变量数据来自存在时滞性的受控变量时，所述控制模块控制所述调节模块执行比例积分微分法调节，并且其中所述比例积分微分法调节是基于以下公式进行的：

其中

为时刻

的误差项，即设定值与实际值的差值，

、

和

分别为比例 系数、积分系数和微分系数，

表示控制量。

进一步地，所述步骤3）的当所述控制模块判断所述感应模块感应到的受控变量数据来自存在时滞性的受控变量时，所述控制模块控制所述调节模块执行比例积分微分法调节还包括以下步骤：

当所述感应模块感应到多个存在时滞性的受控变量变化的情况下，所述控制模块将感应到的受控变量的时滞性强度进行比较，并基于比较结果控制所述调节模块执行调节操作。

根据本发明的又一方面，提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有一个或多个指令，以执行根据前一方面任一项所述的控制方法中的一个或多个步骤。

如上所述的各专利文件虽然能够实现智能控制，但是其很难实现培养箱内各个区域之间的环境差异、尤其是对于环境要求较为苛刻的菌菇生长环境。并且，在调节各因素（例如温度、湿度、气体浓度等）时，由于这些条件的变化是存在时滞性的，且还可能存在变化的惯性，因此很难对上述因素进行精准控制，这非常不利于菌菇的生长。

本发明提供的智能食药用菌育种箱通过设置育种环境控制装置能够实现箱内环境的自动化控制和管理，能够保证温度、湿度、气体浓度（尤其是CO₂的浓度）和光照强度等因素的控制，从而保证菌包放置架上各个区域的环境一致。通过设置均风导流板从而对箱内的空气供给环境进行了特定设置，保证了箱内上下送风强度均匀，从而保证各个位置处的环境因素稳定。本发明提供的智能食药用菌育种箱的控制方法是基于各个环境因素（即受控变量）的时滞性存在与否以及时滞性的强度大小而建立的，因此，能够避免对受控变量进行调节时，由于变化的时滞性（例如升温惯性）而造成的各区域受控变量不均一。

通过可以智能调控的食用菌育种箱，能消除人工控制育种环境的差异性，只需要把接种好的食药用菌菌包，放置到网架上，食用菌育种箱能够智能实时调控箱体内部环境，过程简单，标准化程度高，大幅度提高了食用菌育种的效率和成活率。

并且，通过本发明提供的智能食药用菌育种箱及其控制方法和计算机存储介质，可以实现多台设备同时工作，不同设备设定不同环境参数，可同时为食用菌提供不同生长环境，相同食用菌菌种在不同环境下生长结合育种实验箱拍照记录的生长记录有助于评估菌种在不同环境下的适应性，同时由于本发明相比传统食用菌出菇房占地空间更小，环境控制粒度更小，可取代传统菇房进行育种试验，大幅降低育种实验培养阶段成本。

附图说明

参考以下附图，以上和其他目的和特征将从以下说明中变得显而易见，其中，除非另有规定，否则贯穿各附图相同的附图标记指代相同的部分，并且其中：

图1为根据本发明的智能食药用菌育种箱的立体示意图；

图2为根据本发明的智能食药用菌育种箱打开时的正视图；

图3为根据本发明的智能食药用菌育种箱的一实施方式的后视图；

图4为从上方观察图3的智能食药用菌育种箱的视图；

图5为根据本发明的智能食药用菌育种箱的均风导流板及其内部的湿度调节装置的立体示意图；

图6为根据本发明的智能食药用菌育种箱的空气流动的示意图；

图7A为设置了均风导流板的本发明的智能食药用菌育种箱的风速示意图；

图7B为未设置均风导流板的传统食用菌育种箱的风速示意图；

图8为根据本发明的智能食药用菌育种箱的各个区域温度分布的示意图；

图9为根据本发明的智能食药用菌育种箱的控制方法的流程图；

图10为根据本发明的智能食药用菌育种箱的控制方法的另一实施方式的流程图；

图11为根据本发明的智能食药用菌育种箱的控制方法的又一实施方式的流程图；

图12为根据本发明的智能食药用菌育种箱的控制方法的再一实施方式的流程图。

应当理解的是，附图不必按比例绘制，其呈现了说明本公开的基本原理的各种特征稍微简化的表示。包括例如特定尺寸、定向、位置和形状的如本文中公开的本发明的特定设计特征将部分地由特别预定的应用和使用环境来确定。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的各种实施方式，其实施例在附图中说明并在下面描述。尽管将连同本发明的示例性实施方式来描述本发明，但应当理解的是，本说明书并不旨在将本发明限制于那些示例性实施方式。另一方面，本发明旨在不仅仅覆盖本发明的示例性实施方式，还旨在覆盖各种替代物、修饰物、等同无和其他实施方式，其可以包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内。

以下，将参照附图详细描述本本发明的示例性实施方式。本发明的示例性实施方式中描述的特定结构和功能仅仅是出于说明性的目的。根据本发明的构思的实施方式可以以各种形式实施，并且应当理解的是，它们不应当被解释为受示例性实施方式中描述的示例性实施方式的限制，但包括本发明的精神和范围中包括的全部修饰物、等同物或替代物。

应当理解的是，尽管术语“第一”、“第二”等可以在本文中用于描述各种元件，但这些元件不应当由这些术语限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。例如，下面讨论的第一元件可以被称为第二元件，而不会脱离本发明的教导。类似地，第二元件也可以被称为第一元件。

贯穿说明书，本文所使用的专业术语是仅是为了描述各种示例性实施方式，且并不旨在于限制。将进一步理解的是，术语“包括”、“包含”、“具有”等，当在示例性实施方式中使用时，特指所陈述的部件、步骤、操作或元件的存在，但不排除其一个或多个其他部件、步骤、操作或元件的存在或添加。

应当理解的是，本发明所使用的指向性词语，如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“内”、“外”等均是以附图为参照进行的描述，例如，附图中，将进线板的方向定义为前方，而相对的，出线板的方向定义为后方，当然，在一些实施方式中，该前方和后方也可以相互调换。

术语“受控变量”是指在本发明中对智能食药用菌育种箱进行控制的各个环境因素，例如，温度、湿度、气体浓度（特别是CO₂气体浓度）及光照等因素，当然其还可以包括其他因素，由于本发明对于上述环境因素进行了优选控制，因此，上述环境因素可以被成为“受控变量”。

参见图1至图5，本发明提供了一种智能食药用菌育种箱，该育种箱包括箱体1，育种环境控制装置以及菌包放置架2。具体参见图2，在本申请的一些实施方式中，菌包放置架2采用20×20的铝型材作为框架，φ5铁丝交错焊接成12×12的网孔，锁附于箱体内部的中间位置处，用于放置菌包。对于菌包放置架2的具体结构和网孔设置，本申请不进行特别限制，可以根据待培育的菌包的种类进行更换和设置。

参见图1至图3，在本发明的一些实施方式中，本发明提供的智能食药用菌育种箱的箱体1优选采用304不锈钢板构成，在不锈钢板的内部填充有隔热材料，构成隔热的箱体。隔热材料优选聚合物发泡材料，例如聚氨酯等，这样能够防止箱体1内部的食药用菌在培育过程中与外界发生不必要的热交换。隔热的不锈钢板之间通过螺丝拼接而成，不锈钢板可以防止生锈，并且易于清理，外观整洁，不易产生细菌。

箱体1上方可以用于放置下文将会详细描述的育种环境控制装置的一部分部件，箱体1内用于放置上述菌包放置架2和育种环境控制装置的剩下一部分部件，而箱体1的下方设置有支架和/或万向轮12，从而便于育种箱的移动和定位。进一步地，在箱体1的正面开设有与箱体的侧壁铰接的箱门11，从而能够打开箱门11对菌包21进行放置和对内部的设备进行更换和调整。箱门11的具体设置方法本发明不进行特别限制，只要能够方便开启和关闭，且在关闭时能够保证内部气体不从箱门11处泄露即可。

此外，在本发明的一些实施方式中，箱体1上方可以设置有用于限定上述一部分育种环境控制装置的框架13，该框架13的上表面和后表面优选为敞开的，这是因为当下面将详细描述的部分育种环境控制装置的部件在运行过程中会产生大量的热量，例如压缩机和冷凝器等，如果设置成完全封闭的箱体，则这些部件产生的热量可能会无法散出，这样会影响箱体中的温度，不利于菌包的生长，甚至导致菌包无法培育。其次，为了便于对下面将详细描述的工控电脑进行操作，框架13后表面也设置为敞开的。当然，当框架13内设置有良好的通风和散热装置的情况下，且工控电脑通过电路连接至内部装置的情况下，也可以将框架13的整体设置成全封闭的，对此，根据具体的设置情况可以对框架13的封闭程度进行对应设置，对此，本发明不进行具体限制。

再次参照附图1至5，将对育种环境控制装置进行详细描述。育种环境控制装置包括控制模块、感应模块和调节模块，控制模块用于对感应模块感应到并实时传送到控制模块的数据进行处理，并根据处理好的数据对调节模块进行控制从而对育种箱中的环境因素（受控变量）进行调控，从而保持育种箱中环境均一稳定。此外，控制模块配置成根据感应模块所感应的受控变量是否存在时滞性以及各受控变量的时滞性强度对调节模块进行控制，其具体控制方式将在下文进行详细描述。

上述控制模块包括控制电路和工控电脑3，工控电脑3用于接收感应模块传送的数据，实施智能调控，使得食药用菌处于最优的生长环境。工控电脑3通过电控柜14设置在上述框架13中，工控电脑3设置有操作面板和显示装置，操作人员可以通过操作面板对工控电脑3进行操作，包括参数设置和设备的开启和关闭，显示装置可以对设置的参数进行显示并对内部的菌包生长情况进行实时监控。

进一步地，本发明提供的智能食药用菌育种箱的育种环境控制装置还包括感应模块，感应模块通过控制电路与工控电脑连接，感应模块包括温度湿度传感器41、气体浓度传感器42和光照传感器43。本发明提供的感应模块均设置在箱体1内部的菌包放置架2的周围处，从而对菌包周围的环境进行感应。

为了对箱体内的温度和湿度进行实时监控，本发明设置有3-6个温度湿度传感器41，其具体的数量可以根据需要进行设置，例如大于3个或小于6个，对此本发明不进行特别限制。多个温度湿度传感器41测量箱体1内的温湿度均匀程度。该温度湿度传感器41分布在菌包放置架2的四周，从而对各个区域的菌包21的温度和湿度进行控制。在本发明的一些实施方式中，还可以单独设置温度传感器和湿度传感器，但单独设置的温度传感器和湿度传感器也应当分布在菌包放置架2的周围，从而对各个区域进行温度和湿度控制。

由于在菌类生长的过程中会不断产生CO₂，所以，在本发明的一些实施方式中，上述气体浓度传感器42设置为CO₂浓度传感器，其优选设置在箱体内部的上方，这是因为食药用菌在培养过程中会放出大量的CO₂，CO₂的密度较大，因此最初可能会沉积到箱体内部的下方，此时对食药用菌的培育不会产生太大的影响，当位于箱体内部上方的CO₂传感器感应到CO₂浓度变化较大时，说明箱体中的CO₂浓度已经会对菌菇的培育造成较大影响，这时就应当对箱体内的CO₂浓度进行调节。

进一步地，光照传感器43可以对箱体内部的光的强度进行实时感应，其可以设置在上述气体浓度传感器42旁边，对于光照传感器43的具体设置位置本发明不进行特别限定，只要设置在面向光源的方向即可，从而对光照强度进行感应。

此外，为了实时监控食药用菌的生长情况，本发明的感应模块还设置有相机C，相机C优选高清防水相机，从而避免箱体内部的高湿度环境对相机C内部件造成损伤。本发明提供的高清防水相机优选设置有6-9个，最优选为6个，高清防水相机优选采用螺丝固定在箱体1的箱门11的内框上，从而在关闭箱门11时，直接面向菌包放置架2从而对上面的菌包进行照摄。由此，安装后的高清防水相机能够使得所有菌包都落入监控视野的范围内。

上述感应模块中的温度湿度传感器41、气体浓度传感器42和光照传感器43可以将箱体内部的受控变量进行感应，从而将数据实时传送到工控电脑3，在工控电脑3内进行储存并进一步分析，随后工控电脑3根据分析结果对调节模块进行控制，从而使得箱体内部的受控变量在各个区域都均一稳定。

具体地，调节模块通过控制电路与工控电脑3连接，调节模块包括气流调节装置5、温度调节装置6、湿度调节装置7和光源8。其中，气流调节装置包括换气装置和均风导流板51，换气装置位于箱体1的上部，优选通过螺丝固定。具体地，换气装置包括进气管道52、进气风扇53、出气管道54、出气风扇55以及位于进气管道和出气管道之间的鼓风机56，鼓风机56、进气风扇53和出气风扇55分别与工控电脑电连接，这样工控电脑3可以对这三个部件进行单独控制。其中进气管道52、出气管道54和鼓风机56通过螺丝和密封圈固定在箱体上部，并且进气管道52和出气管道54与箱体内部钣金通风口相联通，并且进气管道52和出气管道54的外部优选用隔热棉包裹，从而避免与外界环境进行热交换，从而造成热量损失。

上述进气管道52、进气风扇53、出气管道54和出气风扇55形成外循环风道，进气管道52、鼓风机56和出气管道54形成内循环风道。通过设置内循环风道和外循环风道，可以对于育种箱的箱体1内的环境进行调控，具体调控方式将在下面详细描述。

如图4所示，进气风扇53和出气风扇55分别位于进气管道52和出气管道54的侧部并且其下部通过螺丝固定于箱体1的上部，并且进气风扇53的出风口位于进气管道52的侧壁上，即出风口镶嵌到进气管道52的内部，类似地，出气风扇55的出风口位于出气管道54的侧壁上，即出气风扇55的出风口镶嵌到出气管道54的内部。由此，如上所述的，进气管道52、进气风扇53、出气管道54和出气风扇55形成外循环风道，该外循环风道用于调节箱体1内的的CO₂浓度。

当箱体内CO₂浓度达到设定浓度时，工控电脑3控制进气风扇53和出气风扇55启动，进气风扇53将箱体1内CO₂浓度较高的气体排出到外部，即箱体1内CO₂浓度较高的气体从箱体1内进入到进气通道52中并通过进气风扇53排出箱体1。同时，出气风扇55启动，将外界空气（即CO₂浓度较低的气体）吹入到箱体1中，即CO₂浓度较低的气体经过出气风扇55吸入而通过出气管道54向箱体1输入CO₂浓度较低的气体，从而对箱体内的CO₂浓度进行调节。

由此，通过外循环风道，可以在气体浓度感应器42感应到箱体1内部的气体浓度增加到设定值时，对箱体1内的气体浓度进行调控。如上所述的内循环风道，将结合下面的温度调节装置进行详细描述。

除了上述换气装置，气流调节装置还可以包括位于箱体1内的均风导流板51，其立设在箱体1的内壁上，均风导流板51的上部开口位于上述出气管道54的出风口处，使得从出气管道54排出的气体可以直接经由均风导流板51进入箱体1内。如图5所示，均风导流板51包括三面挡板，该三面挡板与箱体1的内壁围成均风导流空间57，均风导流板51的与内壁相对的挡板上沿水平方向开设有多个开口58，开口58下部设置有朝向均风导流空间57延伸的弯曲的导板59，并且其中从上到下的导板59的宽度逐渐增加。

在本发明的一些实施方式中，在均风导流板51的上方的导板59的宽度小于均风导流板的下方的导板59的宽度，例如，上方的导板宽度可以为60mm，而下方的挡板宽度可以为180mm，从上到下可以开设12-21个开口58，即可以对应设置12-21个导板59，导板59与开口58一一对应。对于开口58和导板59的具体数量以及导板59的宽度的尺寸，本发明不进行具体限制，只要能够使得导板59在不同位置的宽度不同即可。

导板59设置成不同宽度，从而能够将来自出气管道54的风以不同的送风量送入箱体1内部。这样，从出气管道54排出的气体经过均风导流板后可以均匀的对箱体内部环境进行调节，空气流动如图6所示，来自上方的气流在进入均风导流空间57时在上方的气体流速快流量大，因此将上方的导板59宽度设置成较小，从而导入较少量的气体，而下方的气流速度小流量少，这样导板59宽度大可以向箱体1内的菌包21周围释放更多的气体，从而均衡整个箱体内各个区域中的气体量。

通过设置进气管道52、进气风扇53、鼓风机56、出气管道54、和出气风扇55，结合箱体1的内部（即放置菌包放置架2的部分）整体形成了内循环风道（如图6所示的气流循环体系），再结合均风导流板51可以有效提高箱体内风速的均匀度，减少风速不均匀对菌包生长造成的影响。

也就是说，通过设置均风导流板可以有效提高箱体1内风速均匀度，减少风速不均匀对内部食药用菌的实体生长造成的影响。参见图7A-图7B，图7A-图7B为设置均风导流板和未设置均风导流板的育种箱的空气流速示意图；图7A为设置了均风导流板的本发明的智能食药用菌育种箱的风速示意图，图7B为未设置均风导流板的传统食用菌育种箱的风速示意图。从图7A-图7B中可以看出，通过设置均风导流板，箱体内各个区域的风速基本上是均匀统一的，不会出现局部风速过大的情况。而这一点，对于下面将要描述的温度调节装置更为有利。

根据本发明的一些实施方式，温度调节装置6包括用于对上述循环的气体进行制热的制热装置和用于对上述循环的气体进行制冷的制冷装置。具体地，作为对循环的气体进行制冷的制冷装置包括压缩机63和冷凝器64和蒸发器62，蒸发器位于进气管道52的内部。制热装置61可以设置成加热片，其优选PET加热片，制热装置61位于蒸发器62的进风侧。由此，温度调节装置的制冷装置和制热装置结合上述内循环风道，能够形成温度预混系统，从而对箱体1内的温度进行调控管理，其具体调控方式如下所述。

当温度湿度感应器41感应到箱体1内的温度升高到预设温度时，工控电脑3控制鼓风机56开启，同时控制制冷装置的各个部件启动，此时，箱体1内的气体由于鼓风机56的负压而被吸入到进气通道52中，随后压缩机63、冷凝器64和蒸发器62组合而成的制冷装置，使得气体温度下降，随后经由出气管道54排入到均风导流空间57中，由均风导流板51排放到箱体1内，从而降低箱体1内的温度。

与之对应地，当温度湿度感应器41感应到箱体1内的温度降低到预设温度时，鼓风机56将箱体1内的气体吸入到进气管道52中，通过进气管道52的气体经过制热装置61加热温度升高，随后将温度较高的气体排放到出气管道54中，从而升高箱体1内的温度。。

至此，由于设置了外循环风道，当箱体1内的温度趋于稳定而需要改变气体浓度时，则可以仅通过外循环风道进行上述箱内气体与外界气体的置换。而当温度发生变化而偏离标准值时，此时可能无需对内部气体进行置换，则可以根据需要启动制热装置和制冷装置，对循环的气体进行温度控制，进而对箱体1内的温度进行调控。而当箱体1内的温度和气体浓度都需要调整的情况下，可以根据如下所述的智能食药用菌育种箱的控制方法（将在下文详细描述），根据温度和气体浓度的时滞性大小，分别对温度和气体浓度进行上述调控。

此外，结合上述均风导流板51能够均衡箱体1内各个区域的温度和气体浓度。由此，包括压缩机和冷凝器的制冷装置、以及包括蒸发器和加热片的制热装置，结合上述进气管道、鼓风机和出气管道能够形成温度预混系统，能够智能调控食药用菌育种箱内的温度环境。

参考图8，图8为根据本发明的智能食药用菌育种箱的各个区域温度分布的示意图，可以看出，通过上述温度调节装置和均风导流板的配合，使得箱体1内的各个区域的温度区域稳定切均匀，不会产生局部温度过高的情况，避免对食药用菌的生长造成不必要的影响。

除了上述对温度和气体浓度的控制，由于食药用菌生长还需要特定的湿度环境，因此，本发明提供的智能食药用菌育种箱的育种环境控制装置的调节模块还包括湿度调节装置7。湿度调节装置7设置在均风导流空间57中，湿度调节装置7包括用于将水形成水雾的雾化箱71和用于引导水雾的雾化管72，雾化箱71设置在均风导流空间57的下方，雾化管72的下端与雾化箱71的上表面连接从而与雾化箱71连通，雾化管72从雾化箱71的上表面向上延伸。雾化管72的上端延伸至出气管道54的出气口处，使得循环的气体带动水雾通过均风引流板均匀分散到箱体1内，当然雾化管72上端延伸的位置并不是本申请特别限定的，只要位于箱体的上部能够使得循环气体带动水雾通过均风引流板分散到箱体1内即可，也就是说，整个湿度调节装置7包裹在均风导流空间57中。

具体地，雾化箱71内设有水箱、雾化片、自动补水器和吹雾风扇，水箱中存有用于形成水雾的纯净水或去离子水或包含其他有利于食药用菌生长的物质的溶液（具体成分本发明不进行特别限制，可以根据具体情况进行设置）。水箱中的水经过雾化片进行雾化形成水雾，经过吹雾风扇吹送到雾化管72中，从而向箱体1内提供水雾。其中雾化片优选设置有4头雾化片，且优选采用超声雾化片，从而对水箱中的水进行充分雾化。

此外，雾化箱71中还设有用于给水箱自动补水的自动补水器，该自动补水器可以设置在水箱的侧壁上，当水箱中的水位下降到预定刻度时，自动补水器启动，从而为水箱中补水。由此，该自动补水器通过补水管连接育种箱外部的水源。该水源可以为大型储水器，也可以是普通的进水管线，对此本发明不进行特别限制。补水管穿过箱体1侧壁上的补水管孔15连接到外部水源，该补水管孔15优选设置在箱体1的箱门11上，当然根据需要，也可以设置在箱体1的其他侧壁上，只要能够方便连接即可。

由此，上述进气管道52、鼓风机56、出气管道54、制冷装置、制热装置、均风导流板51以及湿度调节装置总体形成了环境预混循环体系，从而使得箱体1内部每一个菌包所处的环境的湿度、温度、气体（CO₂气体）浓度都相同。

需要注意的是，上述对于进气管道、进气风扇、出气管道和出气风扇的命名仅仅是为了描述气体的流动过程，即气体从箱体进入换气装置的管道被成为进气管道，与之相配合的风扇则称为进气风扇，与之相对应地，气体从换气装置离开进入箱体的管道被称为出气管道，与之相配合的风扇则成为出气风扇。该名称需要结合上述气体流动过程及附图进行理解，而不应当作为对于换气装置的各个部件的限定。

进一步地，在本发明的一些实施方式中，除了对于上述温度、湿度和气体浓度的控制，本发明还需要对食药用菌生长的光照环境进行控制。因此，调节装置还设置有光源8，该光用优选LED光源，这样不会导致由于光源8发热而对箱体1内部环境中的温度造成较大影响。此外，如图2所示，光源可以采用两种，即LED日光灯81和LED彩光82等，从而对菌包实现不同的光照控制。

在本发明的一些实施方式中，该光源8直接连接至工控电脑3，从而通过工控电脑对光源8的强度进行控制。在本发明的另外一些实施方式中，光源中配置有亮度控制器，工控电脑3可以通过该亮度控制器对光源8的亮度进行控制。对此，本发明优选采用PWM频率调节的方式对光源8的亮度进行调节，上述亮度控制器优选电阻式调节器，当然这并非本发明所特别限制的，只要是能够实现对光源亮度的分级调节的装置即可。

基于上述结构，本发明提供的智能食药用菌育种箱通过工控电脑连接各感应装置和调控装置，可以实时收集箱体1内部的环境数据，并能够智能控制制冷装置、制热装置、湿度调节装置、光照调节装置、鼓风机、自动补水器等一系列的装置，从而达到控制箱体内部环境的效果。

相应地，工控电脑通过控制电路与上述装置进行连接，该控制电路包括空气开关、交流接触器、继电器、控制器、直流开关电源等部件，通过信号线与上述各装置连接，持续稳定的安全供电、传递信号。

由此，根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种智能食药用菌育种箱的控制方法。该方法包括如下步骤：

参见图9，在控制模块中设置受控变量的目标值S1，该受控变量具体为如上所述的温度、湿度、CO₂浓度和光照强度的目标数值。该目标数值根据培育的菌菇种类进行设定，即在工控电脑中，通过上述控制面板输入上述目标数值，该数值可以是一个区间范围，也可以是固定的数值，对此本发明不进行特别限制。

通过各感应模块感应育种箱内的受控变量情况，并将感应到的受控变量数据传送到所述控制模块S2，分布在箱体内部的感应模块感应到箱体内部菌包周围的温度、湿度、CO₂浓度和光照强度发生了变化，从而将变化的数据传送到工控电脑中，工控电脑根据针对各个感应模块的数据进行具体分析。

控制模块根据所述受控变量数据控制调节模块执行调节操作S3，通过上述感应模块传送的数据，控制模块相应的发送指令，从而对调剂模块发出调节指令，从而通过控制电路启动上述温度调节装置、湿度调节装置、鼓风机等装置，从而实现对上述各受控变量的调节。

进一步地，参见图10，本发明提供的控制方法的步骤S3还包括在所述控制模块根据所述受控变量数据控制所述调节模块执行调节操作之前，判断所述受控变量数据是否来自存在时滞性的受控变量S31。具体地，工控电脑可以识别受控变量来自哪个感应装置，即可以分析是那种受控变量发生变化，例如温度、湿度、CO₂浓度或光照强度。

对此，参见图11当控制模块判断感应模块感应到的受控变量数据来自不存在时滞性的受控变量时，所述控制模块控制所述调节模块执行分级调节S31a。在本发明的一些实施方式中，该不存在时滞性的受控变量例如是指光照强度，这是因为光照强度是可以直接如上所述对光源进行分级调节的，没有时间的延迟性，也不存在任何的变化惯性。只要通过上文详述的手段进行调节即可。

而当所述控制模块判断感应模块感应到的受控变量数据来自存在时滞性的受控变量时，所述控制模块控制所述调节模块执行比例积分微分法调节S31b。例如，在本发明的一些实施方式中，该存在时滞性的受控变量通常是指温度、湿度和CO₂浓度，这几个受控变量是需要通过在一定时间段内进行调节，并随时间而进行改变的，且例如温度可能会存在很大的变化惯性，而现有技术中的各类育种箱并未考虑到这种时滞性因素和变化惯性。对此，本申请对于上述存在时滞性的控制变量采用比例积分微分（PID）法进行调节。

在本发明的一些实施方式中，该比例积分微分法是基于以下公式进行的：

其中，

为时刻

的误差项，即设定值与实际值的差值，

、

和

分别为比例 系数、积分系数和微分系数。

比例项

驱动控制器的输出向稳态趋势的方向变化；积分项

驱 动控制器的输出向稳态误差减小的方向变化，直到稳态误差等于零；微分项

具 有超前调节作用，用于纠正稳态偏差，

表示控制量，即经由上述参数变化而最后需要调 控的量。

示例1：

以对箱体内的温度进行调节为例，目标温度和环境温度的变化及趋势决定了加热功率，利用MCU（微控制单元）的输出比较模块（OCM）产生PWM波驱动H桥电路；PID返回值和上次的的定时器计数值决定本次的占空比，从而实时调整加热功率，使加热功率和箱内温度快速收敛，最终趋于稳定。

当箱内温度高于目标值，使用90%恒定功率启动压缩机制冷；当箱内温度与目标值相差小于3℃，开始使用PID方法控制，具体方法同升温阶段。

在本发明的一些实施方式中，对于启动PID方法控制的时机可以根据不同的受控变量分别进行设置。

在实际应用的情况下，通常受控变量并不可能单独进行变化，当受控变量不存在时滞性的情况下，直接通过分级调节对多个变量进行调节即可。然而，当多个受控变量均存在时滞性的情况下，如上所述，由于本发明对于存在时滞性的受控变量（温度、湿度、CO₂浓度）的调节都需要基于内部循环气流来进行，因此，必须根据受控变量的时滞性强弱依序对受控变量进行调节，这样才能够保证各个区域的上述受控变量的稳定和均匀。

为此，参见图12，本发明提供的控制方法的上述步骤S31b的当控制模块判断感应模块感应到的受控变量数据来自存在时滞性的受控变量时，所述控制模块控制调节模块执行比例积分微分法调节还包括：当感应模块感应到多个存在时滞性的受控变量变化的情况下，控制模块将感应到的受控变量的时滞性强度进行比较，并基于比较结果控制调节模块执行调节操作S31b’。

具体地，例如，如上对智能食药用菌育种箱的换气装置所描述的，CO₂浓度控制采用外循环风道进行控制，而外循环换气对于湿度调节会产生副作用，即降低CO₂浓度的同时会使得湿度也随之下降。并且由于外循环风道的调控，较大的风速还可能会导致箱体内环境温度的变化，进而导致制冷装置和制热装置的开启，这样对于气流的调节可能会造成一定的紊乱。

因此，通过上述步骤S31b’则可以对与温度、湿度和CO₂浓度的时滞性强弱关系进行比较，在本发明的一些实施方式中，上述三个受控变量的时滞性强弱关系为温度>CO₂浓度>湿度，遵循受控变量时滞性强弱来确定控制优先级，时滞性越弱，控制优先级越高（达到稳态消耗的时间短）。在本发明的一些实施方式中，由于温度的时滞性远大于CO₂浓度和湿度的时滞性，因此，温度可以作为单独调控的体系，即在上述三者都发生变化时，可以优先对于浓度和湿度进行调控，随后再单独对温度进行调控。

示例2：

下面提供了采用本发明提供的智能食药用菌育种箱和智能食药用菌育种箱的控制方法进行的实际控制。

(1)环境值

温度：25℃，湿度：40%RH，CO₂浓度：800ppm，光照强度：0lx。

(2)目标值

温度：3℃，湿度：90%RH，CO₂浓度：700ppm，光照强度：3000lx。

根据时滞性强弱首先满足湿度要求，一般出菇环境湿度达90%RH（相对湿度），设备运转时启动加湿器和鼓风机，使湿度快速接近预设值，达到湿度的初步稳态；然后启动进、排风系统，使用PID控制方法调节风扇转速，使CO₂浓度接近预设值，达到稳态；进一步使用PID控制方法调节加湿器和鼓风机功率，使湿度达到最终稳态；在湿度和CO₂达到稳态前，削弱PID控制中的积分项，增强微分项，在湿度和CO₂浓度接近稳态时，增强PID控制中的积分项，削弱微分项，直到系统的湿度和CO₂浓度均达到稳态。温度调节由制冷和制热装置的功率调节独立控制，由于温度调节时滞性较高，达到稳态后保持目标温度也会不容易受进排风系统影响，因此可独立调节。而对于光照的调节，系统会直接对光源的光照强度进行调节即可。

由此，本发明提供的智能食药用菌育种箱的控制方法可以智能调控食药用菌育种箱，消除了人工育种环境的差异性。并解决了受控变量调节的时滞性问题，消除了变化惯性对箱体内菌包生长造成的影响，从而大幅度地提高了食药用菌育种的效率和成活率。

此外，为了实现上述控制方法，根据发明的又一方面，还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有一个或多个指令，以执行如上所述的控制方法中的一个或多个步骤。

具体地，本发明提供的工控电脑可以为一般计算机电子设备，也可以为专用计算机，当电子设备运行时，计算机的处理器与上述存储介质通过总线通信，处理器执行计算机可读指令。此时，上述电控柜14中还可以放置有Modbus集线器、电源开关、接触器、Modbus继电器、PWD频率发生器，当然如上文所述的亮度调节器也可以直接集成在电控柜14中。

电源经过开关与一路接触器相连，一路接触器控制端口与继电器一路负载端口相连，用电设备与一路接触器负载端相连，使用中接通电源，打开开关，继电器和接触器通电工作，联动控制通过工控电脑向继电器发送开或关指令，与之相连的继电器吸合或断开，从而控制用点设备开关。

如上所述的压缩机的电源与一路接触器负载端相连，通过上述方法控制开关，变频控制电路与PWM发生器相连，当需要控制压缩机频率时通过工控电脑向PWM发生器发送信号，PWM发生器将频率信号转化为电信号从而控制压缩机。

上述LED光源与变频控制器相连，调节亮度通过工控电脑向变频控制器发送频率值，变频控制器将信号转化为频率信号，通过高频电路的开闭控制LED灯亮度，从而达到控制亮度效果。

如上所述的加热片与一路接触器负载端相连，通过上述方法控制开关，工控电脑判断环境温度与设定温度差值，当环境温度相比用户设定温度低时，向加热片对应继电器发送闭合指令，使加热片工作对箱体加热，当箱体内温度达到设定温度时向继电器发送断开指令，使加热片停止加热。

以上控制方法仅仅是对本发明的控制方法的一个举例说明，并非是对上述控制方法的具体限制，对此，本发明只要能够实现上述控制方法即可。

已经出于说明和描述的目的而呈现了本发明特定示例性实施方式的前述描述。并不旨在将其排除或将本发明限制于所公开的精确形式，并且显然地，鉴于以上教导，许多修饰和改变是可行的。选择并描述示例性实施方式以解释本发明的某些原理和它们的实际应用，以便使得本领域的其他技术人员能够制作或利用本发明各种示例性实施方式，及其各种替代物和修饰物。其目的是本发明的范围将由本发明所附的权利要求书及其等同物来定义。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种智能食药用菌育种箱，其包括箱体、育种环境控制装置以及菌包放置架，其特征在于，所述育种环境控制装置包括：

控制模块，所述控制模块包括控制电路和工控电脑；

感应模块，所述感应模块通过所述控制电路与所述工控电脑连接，所述感应模块包括温度湿度传感器、气体浓度传感器、光照传感器和相机；以及

调节模块，所述调节模块通过所述控制电路与所述工控电脑连接，所述调节模块包括气流调节装置、温度调节装置、湿度调节装置和光源，

其中，所述控制模块配置成根据所述感应模块所感应的受控变量是否存在时滞性以及时滞性的强度对所述调节模块进行控制；其中

所述气流调节装置包括：

换气装置，其包括进气管道、进气风扇、出气管道、出气风扇以及位于所述进气管道和所述出气管道之间的鼓风机，所述鼓风机、所述进气风扇以及所述出气风扇分别与所述工控电脑电连接；以及

均风导流板，其立设在所述箱体的内壁上，所述均风导流板包括三面挡板，所述三面挡板与所述箱体的内壁围成均风导流空间，所述均风导流板的与所述内壁相对的挡板上沿水平方向开设有多个开口，所述开口下部设置有朝向所述均风导流空间延伸的弯曲的导板，其中

从上到下的所述导板的宽度逐渐增加，并且

其中，所述进气管道、所述进气风扇、所述出气管道和所述出气风扇形成外循环风道；所述进气管道、所述鼓风机和所述出气管道形成内循环风道；其中

所述湿度调节装置设置在所述均风导流空间中，其中

所述智能食药用菌育种箱通过以下控制方法进行控制，所述方法包括：

1）在所述控制模块中设置受控变量的目标值；

2）通过各感应模块感应所述育种箱内的受控变量情况，并将感应到的受控变量数据传送到所述控制模块；以及

3）所述控制模块根据所述受控变量数据控制所述调节模块执行调节操作；并且

所述步骤3）还包括在所述控制模块根据所述受控变量数据控制所述调节模块执行调节操作之前，判断所述受控变量数据是否来自存在时滞性的受控变量，当控制模块判断感应模块感应到的受控变量数据来自不存在时滞性的受控变量时，所述控制模块控制所述调节模块执行分级调节，而当所述控制模块判断所述感应模块感应到的受控变量数据来自存在时滞性的受控变量时，所述控制模块控制所述调节模块执行比例积分微分法调节，并且其中

所述比例积分微分法调节是基于以下公式进行的：

其中

为时刻

的误差项，即设定值与实际值的差值，

、

和

分别为比例系数、积分系数和微分系数，

表示控制量；其中

所述步骤3）还包括以下步骤：

当所述感应模块感应到多个存在时滞性的受控变量变化的情况下，所述控制模块将感应到的受控变量的时滞性强度进行比较，并基于比较结果控制所述调节模块执行调节操作。

2.根据权利要求1所述的智能食药用菌育种箱，其特征在于，所述温度调节装置包括：

制冷装置，其包括压缩机、冷凝器和蒸发器，所述蒸发器位于所述进气管道的内部；以及

制热装置，所述制热装置位于所述蒸发器的进风侧。

3.根据权利要求1所述的智能食药用菌育种箱，其特征在于，所述湿度调节装置包括雾化箱和雾化管，所述雾化箱设置在所述均风导流空间的下方，所述雾化管的下端与所述雾化箱的上表面连接从而与所述雾化箱连通，所述雾化管从所述雾化箱的上表面向上延伸。

4.根据权利要求3所述的智能食药用菌育种箱，其特征在于，所述雾化箱内设有水箱、雾化片、自动补水器和吹雾风扇，所述自动补水器设置在水箱的侧壁上并通过补水管连接所述育种箱外部的水源。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的智能食药用菌育种箱，其特征在于，所述箱体上开设有与所述箱体的侧壁铰接的箱门，且所述箱体的上方设置有用于限定一部分所述育种环境控制装置的框架，并在所述箱体的下方设有支架和/或万向轮。

6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有一个或多个指令，以执行如权利要求1所述的控制方法中的一个或多个步骤。

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