[发明专利]一种采用物联网的生物化工的发酵环境调节装置

权利要求书

1.一种采用物联网的生物化工的发酵环境调节装置，包括控制端、命令端、执行端；其特征在于，所述控制端对应数据采集模块和摄取、处理微生物图片，所述命令端包括单片机与控制终端进行无线连接，所述执行端由控制模块连接驱动电路完成通风控制、温度控制、湿度控制；

所述控制端与命令端进行无线通信，控制端包括至少两个温湿度检测器和至少两个二氧化碳检测器，至少两个温湿度检测器和至少两个二氧化碳检测器通过设置的Wifi收发转换器与PC端或移动端连接；

所述控制端对应物联网的感应层，是整个环境调节系统的源头，实时采集发酵环境的多种环境信息；所述命令端对应物联网的传输层，传输层将感应层获取的数据经过控制模块经过分析处理之后传递至命令端；所述控制端对应物联网的应用层，命令端将传输层发送的数据信息接受，经过控制模块分析处理之后存入数据库，且命令端发布执行操作命令回传至控制模块，控制模块通过驱动电路完成通风控制、温度控制、湿度控制；

所述感应层的传感器包括温湿度传感器、二氧化碳传感器，温湿度传感器、二氧化碳传感器节点将采集到的环境数据通过Zigbee网络传输到Zigbee网关，转换成符合TCP/IP协议的数据和信息通过Wifi链式通信传输至移动端或者PC端，通过移动端或者PC端对控制模块发布命令，通过控制模块控制加热、降温设备，加湿、除湿设备，通风设备的开合对发酵环境进行调整；同时微生物图像经过单片机分析处理之后，将分析数据通过Zigbee网络传输到Zigbee网关，转换成符合TCP/IP协议的数据和信息通过因特网传输至移动端或者PC端，工作人员能够直观的观测发酵环境菌群数量和浓度，根据菌群的数量和浓度调控发酵环境，提高发酵质量；

所述感应层、传输层、应用层数据流程步骤包括：a，数据采集模块通过传感器采集发酵环境数据，并通过控制模块分析处理，并且对微生物图片进行分析处理；b，处理之后的数据通过Wifi链式通信的方式发送至PC端或者移动端，PC端或者移动端发布命令；c，Wifi收发模块将接收的环境数据命令进行打包处理，包括数据采集传感器的ID号，后台控制中心的IP地址和端口号；d，打包形成数据包后通过Internet各网关和路由器传输到控制模块；e，控制模块将传输来的数据包进行解压之后进行数据还原，根据命令数据内容进行环境调控执行处理，最后将数据存储数据库中，备后期使用；

控制模块在对数据采集模块采集数据进行分析时，先进行数据分段，之后对于每段数据进行特征提取，根据发酵环境内菌群的数量和发酵周期对采集的数据特征信号进行分层逐步处理，对每一层利用聚类算法找出每一层的聚类中心，得出少部分发酵环境数据集合，在对每一小部分发酵环境数据集合进行分类器训练，提取比较好的训练结果；然后对新数据集进行重新分层，对于新的数据层集先通过聚类计算出其每一簇数据的中心，然后再之前建立的数据库的每一层聚类中心求取真实距离，再把新生成的数据集的聚类中心的距离相加；距离和最小的重新分类，对最新数据完成分层；重复上述方法一直求取最底层集合进行分类，得到综合的发酵环境信息，便与改善和调控发酵环境，进一步促进调控发酵环境温湿度、二氧化碳浓度的精确性；

数据采集模块还包括通过照相显微镜摄取发酵液微生物图片，通过显微镜相机采集微生物图像，将其传输至单片机，得到彩色图像，对彩色图像进行预处理，预处理的过程为，将图像进行灰度处理，使图像的RGB分量数值相同，此过程中分别使用不同的权值对R、G、B三个分量进行加权平均，得到相同的RGB分量数值，则图像的灰度值M满足M＝x·R+y·G+z·B，则上述公式中x为R的权值，取值范围0.268-0.299；上述公式中y为G的权值，取值范围0.521-0.586；上述公式中z为B的权值，取值范围0.092-0.124；灰度值M表示像素点的明暗程度；对数据进行灰度处理，减小数据量，提高检测效率；灰度处理之后进行降噪处理，降噪处理的过称为，将目标像素点及周围像素的值根据大小依次排序将位于该序列中间的像素值用来表示目标像素点的值，对像素点周围选取奇数点进行计算，将3·3邻域内所有像素点按照大小排列，经过计算用中点作为该像素点，将图像中的每个像素点做此计算，完成噪音处理，增加图像数据的精确性；之后对图像进行边缘检测，首先对微生物图像进行图像滤波，消除噪声干扰，其次对微生物图像增强处理，定位后选边缘点，再次进行图像检测，筛选边缘点，最后对图像进行定位，估算边缘位置；

预处理之后对图像进行迭代阈值分割，在微生物图像中，菌落会发生粘连现象，为了提升菌落群技术的准确性，需要对粘连记性分割，分割前对粘连判断的过程采用凹性度S进行判别，则C满足C＝S1/S2；S1表示菌落总面积，S2表示菌落的最小凸多边形面积；当C较大时，菌落边缘比较光滑，C较小时，菌落边缘不规则，比较凹陷；当C小于D时，图像存在粘连，D为小于1的值，若粘连菌落呈圆形，凹陷相对明显，提升D值，若粘连菌落呈椭圆形，凹陷相对平缓，降低D的值，当粘连满足以上条件时，需要进行粘连分割，增加菌落计数的准确性；

对于微生物图像的菌落识别检测，具体方法为，对图像进行二值化处理，处理之后将图像进行整个扫描处理，寻找非零像素点，并找出该像素点的同一连通域，处在同一连通域的像素记为同一菌落，不同连通域的菌落记为不同菌落，当扫描到第一个白色非零像素点时，该点记为A，A作为种子点，将其连通域所有白色像素点标记值记为1，直到该连通域没有白色像素点出现，则此连通域为一个菌落，且该菌落的面积是保色像素点的点数；按照此种方式，统计整个图像中不同连通域内的像素点数，即为所有菌落的总面积，总菌落的个数即是全部不同连通域内像素点个数的总和；以上述方法记录菌落总个数，推算出整个发酵液环境的菌落浓度，将此信息通过单片机发送至移动端或PC端，通过移动端或PC端发布发酵环境的调控命令，结合传感器对发酵环境的实时监测，增加发酵环境调控的精确性，保证发酵环境的菌落数量和菌落浓度，从而提升发酵质量。