蘑菇栽培環(huán)境智能監(jiān)測預(yù)警技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張福山　楊際偉　陳玉珍

摘要 根據(jù)蘑菇栽培管理的技術(shù)要求，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與云服務(wù)技術(shù)，經(jīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及硬件子系統(tǒng)的配置與優(yōu)化、軟件子系統(tǒng)開發(fā)，研制了一套蘑菇栽培環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警技術(shù)系統(tǒng)。技術(shù)測試結(jié)果表明，該技術(shù)系統(tǒng)對蘑菇栽培環(huán)境的空氣溫度、空氣濕度和栽培基質(zhì)溫度進(jìn)行智能化監(jiān)測預(yù)警，準(zhǔn)確、穩(wěn)定、實(shí)用，有助于菇農(nóng)對蘑菇栽培實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)管理，提高蘑菇生產(chǎn)效率，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 蘑菇；栽培環(huán)境；智能系統(tǒng)；監(jiān)測；預(yù)警

中圖分類號 TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號 1007-5739（2017）16-0270-02

Abstract According to the technical requirement of mushroom cultivation，combined with the internet of things technology and cloud services technology，a intelligent monitoring and warning system was designed after system design，configuration and optimization of hardware subsystem，development of software subsystem.Technical test showed that this system was accurate，stable and practical on the intelligent monitoring and warning for the air temperature，air humidity and substrate temperature of mushroom cultivation.The system can help farmers to achieve precise management of mushroom cultivation and improve the efficiency of mushroom production，so it has a good application prospect.

Key words mushroom；cultivation environment；intelligent system；monitoring；warning

雙孢蘑菇（Agaricus campestris）簡稱蘑菇，是我國栽培數(shù)量最多的菇類品種，加工出口量居世界首位。福建省漳州市是我國蘑菇的主要產(chǎn)區(qū)，全市年栽培面積穩(wěn)定在1 000萬m2，蘑菇產(chǎn)量、加工量、出口量均保持全國第一[1]。

蘑菇生長對溫濕度很敏感，溫濕度不適宜就會(huì)出現(xiàn)不出菇、菇蓋打開等異常情況，降低蘑菇的產(chǎn)量、產(chǎn)品等級及其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。近年來，我國的蘑菇工廠化栽培規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，自動(dòng)化技術(shù)得到普遍應(yīng)用、智能化技術(shù)也得到積極嘗試；但是，大部分菇農(nóng)的蘑菇生產(chǎn)，是菇農(nóng)憑經(jīng)驗(yàn)及菇房蹲守的方法進(jìn)行蘑菇栽培管理，缺乏實(shí)用的智能化技術(shù)予以支持，管理上難以精準(zhǔn)與及時(shí)，蘑菇產(chǎn)量及品質(zhì)不夠穩(wěn)定，而且管理耗時(shí)費(fèi)力，勞動(dòng)生產(chǎn)率不高，嚴(yán)重影響菇農(nóng)的生產(chǎn)收益。

根據(jù)菇農(nóng)蘑菇栽培管理的技術(shù)需求，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)等新技術(shù)，研究設(shè)計(jì)一套蘑菇栽培環(huán)境智能監(jiān)測預(yù)警技術(shù)系統(tǒng)，旨在提高蘑菇栽培的精準(zhǔn)管理水平、提升菇品的質(zhì)量等級、減輕菇農(nóng)勞動(dòng)強(qiáng)度、降低蘑菇生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。

1 蘑菇栽培環(huán)境因素

1.1 溫度

溫度是蘑菇生長發(fā)育過程中最主要的環(huán)境影響因子，菇房空氣溫度和栽培基質(zhì)溫度直接影響著菌絲的生長速度和子實(shí)體的數(shù)量與質(zhì)量。蘑菇在不同的生長階段對溫度的要求是不同的。菌絲生長的最適溫度為22～26 ℃；子實(shí)體發(fā)育的最適溫度為14～16 ℃；出菇期溫度應(yīng)控制在12～18 ℃[2-3]。監(jiān)測菇房空氣溫度、基質(zhì)溫度變化，并設(shè)置閾值對空氣溫度、基質(zhì)溫度超過閾值發(fā)出預(yù)警，有助于菇農(nóng)加強(qiáng)對蘑菇栽培的精準(zhǔn)管理。

1.2 濕度

水分是蘑菇的重要組成部分，蘑菇不同的生長階段對水分的要求也不同。栽培基質(zhì)含水量要求控制在60%～65%之間；菌絲生長階段，菇房內(nèi)空氣相對濕度保持在70%左右；出菇階段，特別是當(dāng)子實(shí)體長到黃豆大小時(shí)，空氣相對濕度提高到90%[2-3]。監(jiān)測菇房空氣濕度變化，并設(shè)置閾值，當(dāng)空氣濕度超過閾值時(shí)發(fā)出預(yù)警，同樣有助于菇農(nóng)加強(qiáng)對蘑菇栽培的精準(zhǔn)管理。

2 蘑菇栽培環(huán)境監(jiān)測方法

2.1 監(jiān)測對象

由以上分析可知，蘑菇栽培需著重監(jiān)測3個(gè)環(huán)境參數(shù)：空氣溫度、空氣濕度、基質(zhì)溫度。這3個(gè)環(huán)境參數(shù)是蘑菇生長過程的關(guān)鍵因素，監(jiān)測這些參數(shù)的變化情況并及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，對蘑菇栽培精準(zhǔn)管理具有直接的指導(dǎo)作用。

2.2 監(jiān)測范圍和頻率

目前，漳州菇農(nóng)栽培菇房為磚墻結(jié)構(gòu)，房屋結(jié)構(gòu)為長方形，屋頂高10 m左右、肩高8 m左右，每間菇房栽培面積300～500 m2。對于蘑菇的栽培環(huán)境監(jiān)測來說，在菇房選擇適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)立1個(gè)環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)即可反映整個(gè)菇房環(huán)境溫濕度變化情況。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，監(jiān)測信息單次采集的數(shù)據(jù)量為12 Byte，溫濕度在20 min以內(nèi)波動(dòng)幅度較小（±5%以內(nèi)）。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)菇農(nóng)蘑菇栽培管理的技術(shù)需求，采用智能監(jiān)測、預(yù)警與專家決策相結(jié)合的技術(shù)路線，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測蘑菇栽培菇房的空氣溫度、空氣濕度和栽培基質(zhì)溫度，加上移動(dòng)通信與云服務(wù)技術(shù)支持，為菇農(nóng)提供及時(shí)準(zhǔn)確的溫濕度監(jiān)測與預(yù)警信息；同時(shí)，利用云平臺(tái)，食用菌技術(shù)專家可及時(shí)向菇農(nóng)提供技術(shù)支持，農(nóng)業(yè)部門也可及時(shí)了解蘑菇生產(chǎn)情況。蘑菇栽培環(huán)境智能監(jiān)測預(yù)警技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

4 硬件子系統(tǒng)的配置與優(yōu)化endprint

根據(jù)蘑菇栽培環(huán)境智能監(jiān)測預(yù)警技術(shù)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的要求，硬件子系統(tǒng)的構(gòu)建目標(biāo)為研發(fā)配置出應(yīng)用簡單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的小型化農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)產(chǎn)品，其要求：一是環(huán)境參數(shù)監(jiān)測預(yù)警準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠，適應(yīng)菇房高溫高濕的環(huán)境；二是產(chǎn)品小巧輕便，易裝易拆。蘑菇栽培是季節(jié)性的，生產(chǎn)季節(jié)為每年9月至次年5月。蘑菇生產(chǎn)結(jié)束后，要對菇房、栽培架進(jìn)行清理、整修，硬件技術(shù)產(chǎn)品不僅要易于安裝，也要易于拆除保存。為此，本技術(shù)系統(tǒng)在參考冷鏈管理物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了包含智能監(jiān)測報(bào)警器、主機(jī)天線、移動(dòng)通信卡、溫度傳感器、濕度傳感器、電源適配器、內(nèi)置鋰電池組成的硬件子系統(tǒng)，并針對蘑菇栽培管理需求進(jìn)行了技術(shù)優(yōu)化。

4.1 優(yōu)選溫度傳感器和濕度傳感器

溫度傳感器選擇密封性、傳導(dǎo)性良好的不銹鋼封裝的進(jìn)口NTC熱敏電阻傳感器，既可以監(jiān)測菇房空氣溫度，也可插入栽培基質(zhì)中監(jiān)測基質(zhì)溫度。溫度傳感器用NTC熱敏電阻制作，溫度變化轉(zhuǎn)為電壓變化，經(jīng)儀用放大器放大后通過AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸給主機(jī)處理[4]。考慮空氣流動(dòng)性與準(zhǔn)確性的相關(guān)性，空氣濕度傳感器選擇圓柱形金屬網(wǎng)膜傳感器，利于空氣柔和通過傳感器濕敏元件，起到穩(wěn)定數(shù)據(jù)及保護(hù)內(nèi)部元件的作用。空氣濕度傳感器類型為霍尼韋爾型，采用激光微調(diào)設(shè)計(jì)，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、低漂移的特點(diǎn)。空氣濕度傳感器與溫度傳感器一樣，也是模擬量型，需經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后遠(yuǎn)程傳輸[5]。轉(zhuǎn)換算法經(jīng)過優(yōu)化，監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、精度高。監(jiān)測菇房空氣溫度傳感器和濕度傳感器內(nèi)置于百葉箱中，避免因菇農(nóng)噴霧加濕操作而受損。

4.2 配置與優(yōu)化智能監(jiān)測報(bào)警器主機(jī)

每一臺(tái)智能監(jiān)測報(bào)警器主機(jī)設(shè)有唯一的ID識(shí)別號碼，方便追蹤管理與GPS定位，便于專家、農(nóng)業(yè)部門應(yīng)用。主機(jī)具有SIM卡槽，通訊SIM卡支持無線2G/3G/4G數(shù)據(jù)傳輸方式與GSM短信通訊方式，配置有通訊天線，加強(qiáng)信號傳輸，方便農(nóng)村移動(dòng)通信。主機(jī)可連接4路溫濕度傳感器，支持3溫1濕傳感器組合或2溫2濕傳感器組合，并可根據(jù)需求擴(kuò)展至8路傳感器，便于不同菇農(nóng)不同階段靈活使用。主機(jī)自身具備20 000組數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，當(dāng)通訊信號異常時(shí)，數(shù)據(jù)先在主機(jī)存儲(chǔ)，等恢復(fù)通訊后集中上報(bào)服務(wù)器，避免監(jiān)測數(shù)據(jù)丟失。主機(jī)具有蜂鳴器報(bào)警功能，可以在菇房現(xiàn)場蜂鳴報(bào)警，符合菇農(nóng)的生產(chǎn)管理習(xí)慣。主機(jī)內(nèi)置2 200 mA鋰電池作為斷電應(yīng)急電源，最長可續(xù)航6 h以上，提高系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性。主機(jī)配段式液晶屏8.0 cm×6.5 cm，可同時(shí)顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)、系統(tǒng)時(shí)鐘、工作狀態(tài)、記錄容量、電池電量、信號強(qiáng)弱等，主機(jī)整機(jī)大小13 cm×13 cm×3 cm，小巧輕便，上線速度快，開機(jī)后5 min即可在線查看數(shù)據(jù)。

5 軟件子系統(tǒng)的開發(fā)

根據(jù)蘑菇栽培環(huán)境智能監(jiān)測預(yù)警技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)云服務(wù)功能的要求，軟件子系統(tǒng)即蘑菇栽培環(huán)境智能監(jiān)測預(yù)警云平臺(tái)信息管理系統(tǒng)（簡稱云平臺(tái)），包括電腦客戶端web版軟件與手機(jī)客戶端APP軟件。電腦客戶端為管理員應(yīng)用平臺(tái)，手機(jī)客戶端為菇農(nóng)、技術(shù)專家、農(nóng)業(yè)管理人員等共享應(yīng)用平臺(tái)。

菇農(nóng)等通過手機(jī)客戶端實(shí)現(xiàn)蘑菇栽培環(huán)境智能監(jiān)測預(yù)警。菇農(nóng)可以查看系統(tǒng)運(yùn)行情況，系統(tǒng)在線時(shí)APP產(chǎn)品圖標(biāo)顯示綠色，不在線時(shí)顯示灰色；查看環(huán)境溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)、及時(shí)獲得報(bào)警信息，根據(jù)監(jiān)測與預(yù)警信息進(jìn)行蘑菇栽培管理；查看歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢圖，通過數(shù)據(jù)分析，提升蘑菇栽培的精準(zhǔn)管理水平；根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用場景及蘑菇栽培階段，修改智能監(jiān)測報(bào)警器設(shè)備與傳感器名稱，設(shè)置環(huán)境溫濕度傳感器報(bào)警閾值。

電腦客戶端由管理員使用，完成對云平臺(tái)及菇農(nóng)賬號的管理。電腦客戶端除了具有手機(jī)客戶端所有功能，還具有以下功能：管理菇農(nóng)賬號，添加、刪除、轉(zhuǎn)移產(chǎn)品，管理項(xiàng)目，導(dǎo)出監(jiān)測數(shù)據(jù)，添加或刪除菇農(nóng)聯(lián)系用手機(jī)號碼，設(shè)置數(shù)據(jù)推送頻率、記錄頻率等。

云平臺(tái)通過多種監(jiān)測預(yù)警方式確保監(jiān)測預(yù)警信息有效送達(dá)。云平臺(tái)的蘑菇栽培環(huán)境監(jiān)測預(yù)警方式有手機(jī)客戶端、電腦客戶端、短信、電話等。其中，電話鈴聲提醒的方式最多可設(shè)置5個(gè)菇農(nóng)手機(jī)號碼，用于報(bào)警呼叫。

電腦客戶端的信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)有傳感器校正功能。在傳感器穩(wěn)定性較好的前提下，傳感器監(jiān)測值可以根據(jù)實(shí)際值設(shè)置“+”“-”參數(shù)，對監(jiān)測數(shù)值進(jìn)行校正。這是提高傳感器準(zhǔn)確性與延長使用壽命的有效手段。

6 技術(shù)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

經(jīng)技術(shù)測試，蘑菇栽培環(huán)境智能監(jiān)測預(yù)警技術(shù)系統(tǒng)具有

準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性與實(shí)用性。系統(tǒng)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

7 結(jié)語

應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云服務(wù)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套先進(jìn)實(shí)用的蘑菇栽培環(huán)境智能監(jiān)測預(yù)警技術(shù)系統(tǒng)，對降低生產(chǎn)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、提高蘑菇生產(chǎn)效率、增加菇農(nóng)收入有直接的促進(jìn)作用，具有良好的推廣應(yīng)用前景[6]。

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