Temperature/Humidity Control and Remote Monitoring of a Small Indoor Mushroom Incubator

本研究之目的在於機電控制與遠端環境感測裝置的整合，建立無人自動化的環境管理裝置。在裝置之中利用各類設施的整合，控管裝置中每一項環境數據。經由各類參數的訊號回授，再調整設施控制，建立理想生長環境。並透過網際網路將自動化控制與手持裝置做結合，使裝置中的設施不僅能自動化調節控制，同時俱備遠端監控、資料收集與各項資訊回傳的能力。無論身在何處都可使用網際網路隨時控管裝置中的設施，整合每一項控制。 本研究使用研華科技所生產的人機介面( Human Machine Interface, HMI )做為連接網際網路與資料收集的核心平台。並利用人機介面內含的通訊功能，經由網際網路操控可程式控制器( Programmable logic controller, PLC )與類比模組。在溫、濕度的控制中分別控制排風扇、熱風加熱器、水霧加熱器、超音波噴霧器與加壓馬達，以閉迴路方式來控制裝置的變化。使用電流訊號與電壓訊號的溫、濕度計與水位計來監測實際環境之中的變化。藉由人機介面的圖控程式、網際網路與可程式控制器的運用，以達到恆溫恆濕的環境控制為目的。 最後本菌菇類培養箱以設定以椴木的方式培養牛樟芝為主要研究，使用各種感測器與可程式控制器對環境進行監視與控制。再使用人機介面的程式設計，結合Excel與網際網路建立起資料收集的任務，利於最後的控制分析，使用者經由遠端觀測大數據的累積經驗。隨時對環境進行參數調整，打造一套完整的遠端監控環境系統，達到有效率的提升產能與品質。將來可輕易的導入應用於各形各色的作物環境之中。The purpose of this study is to integrate remote monitoring facilities with local temperature and humidity sensors for management and automatic control of a small indoor mushroom incubator. This study uses a Human Machine Interface (HMI) to connect Internet for monitoring and collecting the control environmental information. A Programmable Logic Controller (PLC) is employed as the local control platform, through which the exhaust fans, hot air heater, ultrasonic atomizers, pressurized motor, as well as the thermometer and hygrometer sensors are orchestrated to achieve both temperature and humidity control in the incubator environment. Finally, the mushroom incubator is utilized to cultivation of Antrodia cinnamomea for demonstration of the experimental results.誌謝 i 中文摘要 ii ABSTRACT iii 目錄 iv 圖目錄 vii 第1章 緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2 研究目的 2 1.3 本文貢獻 3 1.4 論文架構 4 第2章 菌菇類培養箱之控制結構 5 2.1 菌菇類培養箱之設計結構 5 2.1.1 菌菇類培養箱之結構描述 5 2.1.2 菌菇類培養箱之組織架構 7 2.1.3 菌菇類培養箱之控制描述 8 2.2 菌菇類培養箱之硬體結構 9 2.2.1 可程式控制器FATEK PLC FBs-24MAT 9 2.2.2 人機介面ADVANTECH WOP-2040T 12 2.2.3 溫、濕度感測器 14 2.2.4 超音波噴霧裝置 15 2.2.5 水霧加熱裝置 17 2.2.6 散熱調節裝置 18 2.3 菌菇類培養箱之電路結構 20 2.3.1 菌菇類培養箱之電力結構 20 2.3.2 PLC輸出與輸入接點 21 2.3.3 繼電器與負載的接線架構 23 2.3.4 感測器與ADC的接線架構 23 2.4 感測器與控制動作原理 25 2.4.1 溫度感測與控制 25 2.4.2 濕度感測與控制 26 2.4.3 系統的整合控制 27 2.5 控制系統軟體介紹 29 2.5.1 PLC程式編輯設計 29 2.5.2 HMI程式編輯設計 31 2.5.3 Data Transfer Helper程式 34 2.5.4 VNC Viewer程式 35 第3章 菌菇類培養箱之架構與整合 36 3.1 菌菇類培養箱之架構 36 3.2 近端監控系統與菌菇類培養箱整合 37 3.2.1 PLC與負載設施的硬體接線 37 3.2.2 類比訊號感測器的設定與資料擷取 44 3.2.3 PLC與HMI的程式執行 47 3.2.4 HMI的資料存取與連線設定 53 3.3 遠端監控系統 56 3.3.1 PLC的遠端通訊 57 3.3.2 HMI的遠端通訊 60 3.3.3 電腦與行動裝置的遠端通訊 65 3.4 監控系統之整合 66 第4章 環境系統之實驗與成果 67 4.1 架構設計與實驗流程 67 4.2 近端監控之結果 68 4.2.1 熱風加熱溫度系統實驗 68 4.2.2 超音波噴霧濕度系統實驗 80 4.2.3 散熱系統原理 84 4.3 遠端監控之結果 85 4.3.1 自動遠端控制 85 4.3.2 資料存取與實驗成果 90 第5章 結論與未來方向 93 5.1 結論 93 5.2 未來方向 93 參考文獻 9