蘑菇栽培環境智能監測預警技術系統的設計與實現

張福山　楊際偉　陳玉珍

摘要 根據蘑菇栽培管理的技術要求，應用物聯網技術與云服務技術，經系統設計及硬件子系統的配置與優化、軟件子系統開發，研制了一套蘑菇栽培環境遠程監測預警技術系統。技術測試結果表明，該技術系統對蘑菇栽培環境的空氣溫度、空氣濕度和栽培基質溫度進行智能化監測預警，準確、穩定、實用，有助于菇農對蘑菇栽培實現精準管理，提高蘑菇生產效率，具有良好的應用前景。

關鍵詞 蘑菇；栽培環境；智能系統；監測；預警

中圖分類號 TP277 文獻標識碼 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區，全市年栽培面積穩定在1 000萬m2，蘑菇產量、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，溫濕度不適宜就會出現不出菇、菇蓋打開等異常情況，降低蘑菇的產量、產品等級及其經濟價值。近年來，我國的蘑菇工廠化栽培規模持續擴大，自動化技術得到普遍應用、智能化技術也得到積極嘗試；但是，大部分菇農的蘑菇生產，是菇農憑經驗及菇房蹲守的方法進行蘑菇栽培管理，缺乏實用的智能化技術予以支持，管理上難以精準與及時，蘑菇產量及品質不夠穩定，而且管理耗時費力，勞動生產率不高，嚴重影響菇農的生產收益。

根據菇農蘑菇栽培管理的技術需求，應用物聯網、云服務等新技術，研究設計一套蘑菇栽培環境智能監測預警技術系統，旨在提高蘑菇栽培的精準管理水平、提升菇品的質量等級、減輕菇農勞動強度、降低蘑菇生產風險。

1 蘑菇栽培環境因素

1.1 溫度

溫度是蘑菇生長發育過程中最主要的環境影響因子，菇房空氣溫度和栽培基質溫度直接影響著菌絲的生長速度和子實體的數量與質量。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 ℃；子實體發育的最適溫度為14～16 ℃；出菇期溫度應控制在12～18 ℃[2-3]。監測菇房空氣溫度、基質溫度變化，并設置閾值對空氣溫度、基質溫度超過閾值發出預警，有助于菇農加強對蘑菇栽培的精準管理。

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。栽培基質含水量要求控制在60%～65%之間；菌絲生長階段，菇房內空氣相對濕度保持在70%左右；出菇階段，特別是當子實體長到黃豆大小時，空氣相對濕度提高到90%[2-3]。監測菇房空氣濕度變化，并設置閾值，當空氣濕度超過閾值時發出預警，同樣有助于菇農加強對蘑菇栽培的精準管理。

2 蘑菇栽培環境監測方法

2.1 監測對象

由以上分析可知，蘑菇栽培需著重監測3個環境參數：空氣溫度、空氣濕度、基質溫度。這3個環境參數是蘑菇生長過程的關鍵因素，監測這些參數的變化情況并及時發出預警信息，對蘑菇栽培精準管理具有直接的指導作用。

2.2 監測范圍和頻率

目前，漳州菇農栽培菇房為磚墻結構，房屋結構為長方形，屋頂高10 m左右、肩高8 m左右，每間菇房栽培面積300～500 m2。對于蘑菇的栽培環境監測來說，在菇房選擇適當的位置設立1個環境監測點即可反映整個菇房環境溫濕度變化情況。根據試驗結果，監測信息單次采集的數據量為12 Byte，溫濕度在20 min以內波動幅度較小（±5%以內）。

3 系統設計

根據菇農蘑菇栽培管理的技術需求，采用智能監測、預警與專家決策相結合的技術路線，通過物聯網技術在線實時監測蘑菇栽培菇房的空氣溫度、空氣濕度和栽培基質溫度，加上移動通信與云服務技術支持，為菇農提供及時準確的溫濕度監測與預警信息；同時，利用云平臺，食用菌技術專家可及時向菇農提供技術支持，農業部門也可及時了解蘑菇生產情況。蘑菇栽培環境智能監測預警技術系統結構見圖1。

4 硬件子系統的配置與優化endprint

根據蘑菇栽培環境智能監測預警技術系統功能實現的要求，硬件子系統的構建目標為研發配置出應用簡單、經濟實用的小型化農業物聯網技術產品，其要求：一是環境參數監測預警準確、穩定、可靠，適應菇房高溫高濕的環境；二是產品小巧輕便，易裝易拆。蘑菇栽培是季節性的，生產季節為每年9月至次年5月。蘑菇生產結束后，要對菇房、栽培架進行清理、整修，硬件技術產品不僅要易于安裝，也要易于拆除保存。為此，本技術系統在參考冷鏈管理物聯網系統的基礎上，構建了包含智能監測報警器、主機天線、移動通信卡、溫度傳感器、濕度傳感器、電源適配器、內置鋰電池組成的硬件子系統，并針對蘑菇栽培管理需求進行了技術優化。

4.1 優選溫度傳感器和濕度傳感器

溫度傳感器選擇密封性、傳導性良好的不銹鋼封裝的進口NTC熱敏電阻傳感器，既可以監測菇房空氣溫度，也可插入栽培基質中監測基質溫度。溫度傳感器用NTC熱敏電阻制作，溫度變化轉為電壓變化，經儀用放大器放大后通過AD轉換為數字信號傳輸給主機處理[4]。考慮空氣流動性與準確性的相關性，空氣濕度傳感器選擇圓柱形金屬網膜傳感器，利于空氣柔和通過傳感器濕敏元件，起到穩定數據及保護內部元件的作用。空氣濕度傳感器類型為霍尼韋爾型，采用激光微調設計，具有穩定性強、低漂移的特點。空氣濕度傳感器與溫度傳感器一樣，也是模擬量型，需經AD轉換后遠程傳輸[5]。轉換算法經過優化，監測數據準確、精度高。監測菇房空氣溫度傳感器和濕度傳感器內置于百葉箱中，避免因菇農噴霧加濕操作而受損。

4.2 配置與優化智能監測報警器主機

每一臺智能監測報警器主機設有唯一的ID識別號碼，方便追蹤管理與GPS定位，便于專家、農業部門應用。主機具有SIM卡槽，通訊SIM卡支持無線2G/3G/4G數據傳輸方式與GSM短信通訊方式，配置有通訊天線，加強信號傳輸，方便農村移動通信。主機可連接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，并可根據需求擴展至8路傳感器，便于不同菇農不同階段靈活使用。主機自身具備20 000組數據存儲功能，當通訊信號異常時，數據先在主機存儲，等恢復通訊后集中上報服務器，避免監測數據丟失。主機具有蜂鳴器報警功能，可以在菇房現場蜂鳴報警，符合菇農的生產管理習慣。主機內置2 200 mA鋰電池作為斷電應急電源，最長可續航6 h以上，提高系統應用的可靠性。主機配段式液晶屏8.0 cm×6.5 cm，可同時顯示監測數據、系統時鐘、工作狀態、記錄容量、電池電量、信號強弱等，主機整機大小13 cm×13 cm×3 cm，小巧輕便，上線速度快，開機后5 min即可在線查看數據。

5 軟件子系統的開發

根據蘑菇栽培環境智能監測預警技術系統實現云服務功能的要求，軟件子系統即蘑菇栽培環境智能監測預警云平臺信息管理系統（簡稱云平臺），包括電腦客戶端web版軟件與手機客戶端APP軟件。電腦客戶端為管理員應用平臺，手機客戶端為菇農、技術專家、農業管理人員等共享應用平臺。

菇農等通過手機客戶端實現蘑菇栽培環境智能監測預警。菇農可以查看系統運行情況，系統在線時APP產品圖標顯示綠色，不在線時顯示灰色；查看環境溫濕度實時監測數據、及時獲得報警信息，根據監測與預警信息進行蘑菇栽培管理；查看歷史監測數據、監測數據趨勢圖，通過數據分析，提升蘑菇栽培的精準管理水平；根據產品應用場景及蘑菇栽培階段，修改智能監測報警器設備與傳感器名稱，設置環境溫濕度傳感器報警閾值。

電腦客戶端由管理員使用，完成對云平臺及菇農賬號的管理。電腦客戶端除了具有手機客戶端所有功能，還具有以下功能：管理菇農賬號，添加、刪除、轉移產品，管理項目，導出監測數據，添加或刪除菇農聯系用手機號碼，設置數據推送頻率、記錄頻率等。

云平臺通過多種監測預警方式確保監測預警信息有效送達。云平臺的蘑菇栽培環境監測預警方式有手機客戶端、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置5個菇農手機號碼，用于報警呼叫。

電腦客戶端的信息管理系統設計有傳感器校正功能。在傳感器穩定性較好的前提下，傳感器監測值可以根據實際值設置“+”“-”參數，對監測數值進行校正。這是提高傳感器準確性與延長使用壽命的有效手段。

6 技術系統的功能實現

經技術測試，蘑菇栽培環境智能監測預警技術系統具有

準確性、穩定性與實用性。系統運行的網絡拓撲結構示意圖見圖2。

7 結語

應用物聯網技術和云服務技術，設計了一套先進實用的蘑菇栽培環境智能監測預警技術系統，對降低生產技術風險、提高蘑菇生產效率、增加菇農收入有直接的促進作用，具有良好的推廣應用前景[6]。

8 參考文獻

[1] 林斌榕，蘭清秀，盧政輝，等.福建省雙孢蘑菇栽培技術的變革與發展[J].食藥用菌，2017，25（1）：12-19.

[2] 葉小興.蘑菇栽培技術[J].東南園藝，2013（3）：79-80.

[3] 盧政輝，李洪榮，郭仲杰，等.無公害雙孢蘑菇高產優質栽培的控制要求[J].菌物學報，2005，24（增刊1）：263-265.

[4] 汪亮，劉洋，彭庶修.熱敏溫度傳感器基本特性與應用[J].教育教學論壇，2017（2）：194-195.

[5] 烏海榮.濕度傳感器特性分類及發展趨勢的分析研究[J].機械與電子，2012（23）：143.

[6] 董靜.食用菌規模化生產監控云服務方法研究[D].北京：中國農業大學，2017.endprint