微生物培养箱温湿度控制的信息技术管理应用研究

杜春梅，郭普宇，薛春梅

[摘 要]微生物学在医学卫生、生物工程、工业发酵等领域都有广泛应用，在研究微生物结构、功能和生长环境时，都需要借助微生物培养箱。温度和湿度是影响微生物存活的两大关键因素，因此将信息技术应用在微生物培养箱的温度控制过程中，能够做到对温度、湿度进行灵敏调控，保证微生物实验研究工作顺利完成。本文首先介绍了微生物培养箱温湿度控制信息技术及其应用，并从技术层面对温湿度进行有效控制。

[关键词]微生物培养箱；温湿度；信息技术；控制技术

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2018.08.068

[中图分类号]Q93-335 [文献标识码]A [文章编号]1673-0194（2018）08-0-02

随着微生物培养箱对温度和湿度控制要求的不断提高，温湿度控制所采用的技术也在进行不断革新。近年来，随着我国信息技术及其应用的不断发展，为进行微生物培养箱温湿度控制提供了必要的技术支持，在原有控制算法的基础上，还新增加了远程监控、网络通讯等功能，这些都为实现微生物培养箱温湿度控制提供了帮助。

1 微生物培养箱温湿度控制信息管理系统的界面设计

1.1 系统登录界面

微生物培养箱温度主界面主要供用户查询，主要有用户管理、温度设置、温度传感器状态查询、数据查询以及TCP/IP传输界面。

1.2 用户管理

在用户管理界面可以新建用户、删除用户、修改密码、保存以及退出。这样的设置能够满足不同用户的使用要求。

1.3 温度设置

温度可以通过PID设置，在设置PID之前可以进行PID参数调整，通过比较温度曲线，找到适合的PID参数。

1.4 温度传感器状态查询

为了更加直观地知道温度传感器的状态，本文在远程操作中设置了温度传感器的状态查询界面。

2 微生物培养箱温湿度控制的查询界面设计

数据查询包括实时曲线、历史曲线以及历史数据。用户可以根据需要选择测温范围以及采集时间。

历史曲线：用户查询历史曲线时，需要设置时间轴（X轴），包括起始时间和查询跨度。跨度时间可以自行设置。

历史数据：用户查询实时曲线时可以以报表的形式查询该样本的所有历史温度值。

3 TCP/IP传输

TCP/IP传输能够利用教学交互系统进行远程操作，这样能解决因设备少、学生多而引起的一系列问题。TCP/IP主要是进行连接通信协议，在整个过程中需要通过三次传输来建立连接，待通信环节结束后方可拆除连接。该传输技术主要针对端到端通讯。在进行微生物培养箱温度控制系统设计时，TCP/IP传输能够提供一种可靠的数据流服务，而且能够运用“滑动窗口”的方式进行流量控制，从而限制发送方的数据传输速度。

4 微生物培养箱温湿度控制技术的信息化管理应用

在微生物培养箱研究早期，由于温度和湿度控制经常出现串扰，因此有技术人员提出了将温度和湿度单独进行控制的设想。该设想将微生物培养箱的整个控制系统改为双闭环控制，系统设定“温度”为优先级控制，当温度调控到目标值后，再调节培养箱内湿度值。由于双闭环控制避免了温度、湿度相互影响，可以保证温湿度都达到预期的控制要求。但是现阶段这种设想还处于试验阶段，具体的应用效果还有待进一步的验证和优化。

目前，比较成熟的微生物培养箱温湿度控制技术，是借助于设备内置的单片机（小型计算机），通过人为录入程序，根据程序算法对培养箱内的温湿度進行控制。同时，在培养箱内部安装多个传感装置，这些传感器可以分别收集温度信号、湿度信号，然后将其转化为二进制信号被单片机所识别。单片机根据程序指令，自动微调温度和湿度，精确值可以满足微生物培养的要求。这种基于程序算法的温湿度控制技术，虽然具有一定的应用优势，但是对硬件要求较高。

5 基于控制算法的温湿度信息化控制技术

5.1 传统PID控制算法在温湿度控制中的应用

PID控制器是一种典型的反馈回路控制装置，前端数据采集器将收集到的信号传递到控制单元中，与控制单元内部数据库的存储信息进行比较，然后将两者之间的差值作为新的输入值，完成参数的调整。就目前来看，市场上70%左右的微生物培养箱，都是采用这种传统PID控制算法。这种算法的应用优势在于具有较强的自适应能力，可以通过技术人员编写的调控指令，对不同型号、参数的微生物培养箱进行动态调整，从而提高了经济利用价值。但是随着新技术的应用，这种基于传统算法的控制技术，也逐渐暴露出一些问题，例如信息化程度不高，尤其是在一些温湿度要求精度较高的条件下，传统PID算法由于精度达不到要求，而难以满足微生物培养的需要。

5.2 智能PID控制算法在温湿度控制中的应用

微生物对于培养箱内环境变化的敏感程度较高，尤其是那些具有较高科研价值或经济价值的微生物，如果因为温湿度控制不当导致微生物大量死亡或科研工作失败，将会造成严重的损失。因此，在传统PID控制算法的基础上，近年来技术人员致力于进行技术改良，克服传统PID控制算法的缺陷。智能PID控制算法结合了近年来蓬勃发展的人工智能技术，其应用优势主要体现在三个方面：第一，融入了模糊算法，可以更加便捷、自动地调整控制变量，使温度、湿度值的精确性满足微生物培养要求；第二，对硬件设备的要求降低，无形中降低了技术成本；第三，可以利用智能控制实现外部硬件设备联动，除了可以应用于微生物培养外，还可以应用到其他控制环境中。

6 微生物培养箱温湿度控制信息技术的应用要点

6.1 合理选择控制器

控制器是微生物培养箱温湿度调控的核心设备，科学选用控制器也成为提高温湿度控制性能的一种有效方法。就目前来说，微生物培养箱所选用的温湿度控制器主要分为两大类：一种是单片机（单片微型控制器），另一种是PLC（可编程逻辑控制器）。这两种控制器的应用领域不同，且各有自己的优缺点。