基于物聯網的食用菌全生命周期質量管理研究

摘要：物聯網是信息技術的第3次浪潮，是未來信息社會競爭優勢的關鍵之一。物聯網技術為食用菌企業提高生產效率和改善質量管理水平提供了機遇，是幫助食用菌行業實現技術革命和產業升級的重要手段。本文研究了基于物聯網的食用菌生長過程質量監控方法，建立了面向物聯網的食用菌全生命周期質量管理框架模型，分析了其中的創新商業模式和重要支撐技術，為食用菌企業制定質量體系和提升質量管理水平提供了決策參考和方案指導。并結合我國食用菌產業現狀，從政策扶持、試點建設、推廣宣傳、質量意識、實施成本、融資渠道、行業標準、方法研究和應用技術等多個角度，提出食用菌質量管理中推廣物聯網技術的一些對策建議。

關鍵詞：物聯網;質量管理;信息技術;食用菌

中圖分類號：S-03文獻標識碼：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20200815008

收稿日期：2020-05-13

作者簡介：陸建新（1962-），男，本科，高級講師。研究方向：食用菌栽培。

物聯網是在互聯網的基礎上，利用信息傳感和無線數據通信等技術，實現物品與物品的互聯和信息交互的一種新技術。物聯網概念自提出以來，受到世界各國的高度重視，將物聯網視為信息技術的第3次浪潮，并將物聯網確立為未來信息社會競爭優勢的關鍵之一。經過數年的飛速發展，物聯網產業日趨成熟，據美國獨立市場研究機構Forrester預測，物聯網所帶來的產業價值要比互聯網高30倍，到2020年，中國物聯網產業將成長為一個超過5萬億規模的巨大市場[1]。

對于食用菌生產企業來說，質量管理是一項至關重要的工作。食用菌生產企業只有不斷提高食用菌生產質量，才能贏得顧客和擴展市場份額，在競爭中立于不敗之地。傳統的食用菌生產質量管理一般都停留在質量檢驗階段，即企業在出產食用菌產品時按照自行制定的質量標準剔除掉不合格品，留下合格的食用菌產品，其實質仍是一種質量管理的事后檢驗方式[2]。

物聯網的出現，為食用菌企業的質量管理提供了新的發展契機和技術支撐條件。物聯網設備可以實時監控和了解食用菌栽培基地的環境變化與食用菌的生長情況，通過傳感器和傳輸網絡動態收集空氣、土壤、溫度、濕度、光線等可能影響食用菌生產過程狀況的數據，通過人工智能和概率統計方法實時調整食用菌栽培場地的各種控制參數，如環境加溫時間、通風時間和培養基補水量等，實現食用菌生產過程的閉環質量控制。

食用菌的質量不僅受到食用菌培養生產環節的影響，同時也受到與其生命周期相關環節的影響，如食用菌產品的原料供應、加工、包裝、倉儲、配送等。隨著物聯網設備的廣泛使用和逐步普及，食用菌的全生命周期都可在物聯網環境下得到有效地質量監控，實現全面的溯源管理和質量安全保證，并通過動態信息處理進行食用菌全生命周期的質量管理。

在新的信息環境下，需要研究基于物聯網的食用菌生長過程質量監控方法，建立面向物聯網的食用菌全生命周期質量管理框架模型，分析其中的創新商業模式和主要支撐技術，為食用菌企業制定質量體系和提升質量管理水平提供一些決策參考和方案指導。

1基于物聯網的食用菌生長過程質量控制

工業界和學術界有各種不同的物聯網定義。一般認為，物聯網是未來互聯網的一個組成部分，是一種動態的全球網絡基礎設施[3]。在物聯網中，物理和虛擬的“事物”都具有身份，可以無縫地集成到信息網絡中。物聯網作為一種在全球范圍內的基礎設施，其普及對于上層的各類擴展應用是十分必要的，但物聯網的建設也將耗費巨大的精力和資金。物聯網是實現依賴于各種接入設備以及各類通信和應用協議，如藍牙4.x和IEEE 802.15.4等。在物聯網系統中，物理和虛擬的東西都可以連接在一起，因此不同應用領域的運行模式和規則會發生很大的變化，可能催生新的商業模式。

基于物聯網上述特點，本研究構建了基于物聯網的食用菌生長過程質量控制系統，其基本結構如圖1所示。食用菌培養室中部署有各種傳感器，包括溫度傳感器、濕度傳感器、光線傳感器、二氧化碳傳感器等，這些傳感器采集食用菌培養基和培養室環境的各種實時數據。食用菌培養室從不同角度部署了視頻采集設備，用于采集食用菌生長過程的視頻數據。傳感數據和視頻數據通過通信網絡發送到互聯網上，最終保存在質量監控中心。在數據處理服務器中的規則和質量控制算法工具的支持下，用戶可以從移動PDA、便攜式終端和固定PC終端訪問這些數據和發送控制命令。質量監控中心在各種機器學習和過程質量統計方法的支撐下，分析食用菌生長狀態，實時調整食用菌栽培場地的各種控制量，如環境加溫時間、通風時間和培養基補水量等，這些控制指令通過通信網絡發送到食用菌培養室內的設備控制執行器（調溫器、泵、閥門、風扇等）上進行調節，從而根據用戶命令實現食用菌生產過程的監控、報警和閉環質量控制功能。通過調節食用菌培養基和培養室環境，用戶可以控制食用菌的生長，從而達到預期的產量和產品質量。

然而，在質量可控環境的食用菌栽培中應用物聯網技術的固定成本比較高。各類傳感器、視頻設備、網絡設備和服務器都需要大量資金的投入，同時外部網絡數據傳輸也需要付給電信公司一些費用。尤其對于經營規模比較小的食用菌企業而言，長期的提高食用菌產品的質量和短期的預算增加往往是左右為難的決策。因此，如何使物聯網系統對市場導向的企業具有吸引力是一項具有挑戰性的任務。

另外，物聯網系統在食用菌生產過程的實施中，還需要考慮能源問題。如果使用過多的傳感器，往往意味著更多的能源消耗，也需要用戶支付額外的電費。無論是從環境的可持續發展角度而言，還是從企業的經濟利益角度而言，都是不利的。因此，在農業物聯網系統的實施中需要考慮綠色規范。

2基于物聯網的食用菌全生命周期質量管理框架模型為了加強食用菌產品的標準化和優質化，從質量管理的可控性著手，需要對食用菌全生命周期的相關活動進行全程實時監測和管理，因此物聯網技術的引入是重要的前提之一。這項工作涉及食用菌產業鏈的上下游，是一項復雜的系統工程。其中，建立以物聯網大數據和智能計算為核心的信息管理和決策支持系統，是食用菌全生命周期質量管理的關鍵。

食用菌產業可持續發展的目的是以最小的資源消耗提供高質量的食用菌產品，因此不僅需要對食用菌的生長過程進行監控，還需要對食用菌產品的全生命周期進行監測。實踐中許多食用菌產品的質量問題并非來自栽培過程，而是來自培養料供應、深加工、包裝、運輸、儲藏等外部環節。構建食用菌產品全生命周期的物聯網系統，可以幫助菌農識別食用菌培養料的質量，生產出符合市場需求的食用菌產品，進一步吸引企業對物聯網技術的興趣。

基于這些考慮，本研究構建了一個基于物聯網的食用菌全生命周期質量管理框架模型，其中PDCA環中的執行階段涵蓋了食用菌原料供應、生長、加工和包裝、配送和儲存等多個環節，如圖2所示。這些環節中同樣部署大量的傳感器和視頻采集等感知設備，另外還包括二維碼識別和GPS定位設備等。這些設備通過傳統的有線網絡協議和Zigbee、WiFi、Bluetooth、GPRS、3G等無線通訊協議，將采集到的食用菌產品相關數據傳送到本地或遠程數據處理云計算服務器，使食用菌全生命周期都可在物聯網環境下得到監控。管理人員和用戶可以通過固定PC終端和移動PDA在任何接入互聯網的地方監控食用菌生長和產品流通狀態并發出控制命令。當發生質量問題時，可以藉由該信息管理系統找出不合格食用菌產品進行準確地質量追溯，發現質量問題的根源，幫助企業實現賠付和質量改進。通過云計算服務器的智能計算功能，決策支持系統還可進行智能分析并進行質量預警。如，同一批次的多個食用菌產品發生質量問題，則很有可能整個批次的食用菌產品都存在質量缺陷，有必要進行預警和進一步的服務補救措施。該食用菌全生命周期質量管理框架模型中利用物聯網技術的主要環節如下。

2.1原料供應

食用菌栽培利用的主要原料一般為不含有毒有害物質的農林副產品，如稻草、麥秸、棉籽殼、木屑、玉米軸、麩皮等[4]。除此以外，栽培食用菌還需要添加一些輔助原料，如蔗糖、石灰、石膏、磷酸二氫鉀等，以滿足食用菌對營養或環境條件的要求，而這些原料一般都通過第三方供應商進行供給，并在實際生產中可能保持一定的庫存[5]。物聯網技術在原料供應中的應用可以提高原料供應管理的效率和效果。在給定庫存控制政策的情況下，通過物聯網技術裝備原料庫存可以實時監控各種原料的水平和狀態，并自動進行精確訂貨。當采購的原料到達時，通過讀取RFID智能標簽和質量追溯系統，很容易檢測出原料的數量和來源。

2.2加工包裝

食用菌產品主要包括普通食品類、保健產品類、食用原料類、觀賞制品等。目前已普遍進入精深加工的產業化階段，主要的加工形式有機械熱風干燥、冷藏保鮮、浸漬和制罐加工等[6]。將食用菌進行質量分類并面向不同的顧客群體進行營銷是一種提高企業收益的有效策略。傳統的分類是人工進行分揀的，工作效率低下且分類效果不佳。在農業物聯網系統中，近紅外光譜分析、氣味傳感器、計算機視覺等無損檢測技術已被應用于新鮮水果的自動分類，將來也會在食用菌行業進行廣泛推廣和使用。另外，物聯網技術有助于對食用菌產品的加工環境進行監測和質量控制。另一項相關的物聯網技術是利用來自原料供應和培養環節的數據制定智能標簽，并將這些標簽貼到包裝的食用菌產品上，方便顧客進行質量追溯。

2.3流通儲存

經過深加工的食用菌產品一般具有很好耐貯性，但新鮮食用菌由于采收后仍在較快地進行著呼吸和蒸騰作用，容易出現表面褐變、菇柄伸長、菌蓋開傘、軟化、腐敗等現象，使食用菌的鮮度急劇下降，以致失去食用價值和商品價值[7]。在食用菌的冷鏈運輸和倉儲過程中，物聯網技術的廣泛使用可以有效減少質量損失。通過車載傳感器網絡和全球定位系統，管理人員可以監測在途食用菌產品的狀況和冷藏車的位置。當冷藏車內環境和冷庫對食用菌質量不利時，可發出警告信息并通過遠程指令改善儲存環境的溫度和濕度等。同時，下游的零售商和顧客可以實時跟蹤其訂購的新鮮食用菌產品，掌握其質量變化情況，便于及時制定收貨計劃。

2.4產品零售

商場零售貨架上或者電子商務零售平臺上的食用菌產品，如果帶有RFID標簽或二維碼，則可以幫助顧客識別品種和產地，自我評估購買產品的質量，同時避免顧客買到假冒偽劣商品。而且，顧客可以從質量追溯系統中訪問到食用菌全生命周期中的細節，如培養基成分和流通過程等。超市內提供的物聯網設備也有助于消費者快速檢測食用菌的品種和產地等相關信息。即使發現一些食用菌產品存在食品安全問題，在物聯網技術的幫助下，也很容易做到由質量管理系統進行精確召回。

在食用菌質量管理中推廣使用物聯網技術，需要重點關注以下幾點。物聯網的引入需要一定投資，無論是大型企業還是小型企業，需要有較強的質量意識和長遠眼光;食用菌產品質量管理應從其整個生命周期來看待，而不僅是一個培養過程，培養基原料的供給和食用菌產品的流通環節等都會對食用菌產品質量產生重要影響;物聯網系統在食用菌企業中的成功實施不僅是一個技術問題，還涉及到一些財務、運營和管理等問題，需要一些創新的商業模式和先進的支撐技術。

3物聯網環境下食用菌質量管理中的創新模式和支撐技術傳統的質量管理由事后抽樣檢驗的思想發展而來，又歷經了統計過程控制和全面質量管理階段，但仍是基于小樣本進行的質量管理。在物聯網環境下，各類傳感器和圖像采集設備的數據具有明顯的海量異構等大數據特征，質量管理也逐步轉向基于大數據的實時質量控制和改進。對于食用菌質量管理而言，引入物聯網系統需要一些先進的支撐技術，同時也為食用菌產業的發展提供了新的思路，有利于催生創新的商業模式，如新的融資方式和合作模式等。

3.1創新模式

在食用菌質量管理過程中全面應用物聯網技術將推動食用菌產業升級，下面列舉一些比較典型的創新商業模式。

3.1.1食用菌栽培過程的遠程求助和指導

當食用菌生長過程中出現質量問題時，可以通過遠程互動功能進行求助，在互聯網范圍內聯系有先進經驗和技術的專業技術人員，通過集思廣益為菌農提供相關栽培技術上的解決方案。物聯網系統能檢測食用菌的實時生長過程，同時方便提供傳感器和圖像采集設備的歷史數據，有利于外部合作的技術人員解決難題，提供相關指導和培訓。

3.1.2基于電子商務平臺的食用菌產品營銷

物聯網系統可提供食用菌產品的精準溯源信息，顧客可以在終端輕松得到產品的相關信息并進行質量評估，因此易于應用基于電子商務平臺的多種營銷模式，滿足顧客的多樣化需求。如，對于高質量食用菌產品的平臺拍賣營銷，針對某些社交軟件的團購和促銷。對于某些熱銷的食用菌產品，雖然尚未生產也可以針對特定顧客進行預售，而顧客可以隨時了解食用菌產品的培養過程、運輸過程和質量控制信息。

3.1.3基于大數據的供應鏈融資

具體到食用菌產品上，原料供應商、產品批發商和電子商務平臺通過評估食用菌的物聯網大數據狀況，對每個生產企業的實際情況一目了然。食用菌企業只需通過數據說明其食用菌產品的質量，就可以從有資金實力的供應商、批發商、零售商獲得信貸，也可以向供應鏈合作伙伴給予合理的信貸。甚至對于一些具有品牌忠誠的顧客，也可以通過眾包等方式獲得經營所需的資金。

3.1.4基于精準評估的保險銷售與賠付

在物聯網時代，保險公司可以對任何連接的事物的價值進行實時客觀地評估，使得以物為導向的風險評估體系的構建成為可能。對于食用菌企業而言，物聯網的歷史數據可以幫助保險公司對培養過程進行風險評估，確定保險產品的銷售方案。在發生災害和質量事故后，保險公司借助物聯網迅速收集損失情況，對客戶進行客觀保險賠付。

3.1.5“公司+生產基地+菌農”的合作機制

通過公司、生產基地和菌農多方合作，形成“利益共享、風險共擔”的機制，提高食用菌的產量和調動菌農的生產積極性。物聯網系統記錄食用菌的全生長過程數據，有利于促成風險共擔的環境，幫助菌農形成良好的質量意識，達到從根源上提高食用菌產品質量的目的。

3.2支撐技術

物聯網設備接入食用菌質量管理系統，不僅需要硬件設備和通訊技術，還需要一些重要的軟支撐技術，才能使整個質量管理系統真正發揮強大作用，其中主要的支撐技術包括以下幾種。

3.2.1大數據融合技術

食用菌生產和流通環節中采集了大量的各類傳感數據和圖像數據，這些數據都與食用菌產品的質量相關，但由于數據之間的割裂性，無法全面刻畫產品質量的全貌，需要應用大數據融合技術進行整合。

3.2.2最優化技術

傳感器在培養基和周邊環境的布局方案需要進行優化，既要保證數據采集的精度，又要節省能耗和費用。食用菌生產過程的質量閉環控制、食用菌生產計劃的確定、產品送貨上門的配送方案及路徑等都需要最優化技術進行分析。

3.2.3圖像識別技術

食用菌培養過程中需要采集大量的圖像，需要應用圖像識別技術對不同類型食用菌進行區分，并分析食用菌的生長特點，發現其病蟲害等。另外，流通和保鮮環節也有一些食用菌產品的圖像數據需要進行識別，以便檢測采收后的質量。

3.2.4機器學習技術

食用菌培養過程中記錄了食用菌生長過程的各種數據，通過線性回歸、Logistic回歸、線性判別分析、樸素貝葉斯、KNN、隨機森林等機器學習算法分析這些歷史數據，可以預測食用菌的出產質量，在此基礎上可以進一步進行肥料和補水量等參數的調整。

3.2.5區塊鏈技術

在食用菌行業的質量追溯中應用區塊鏈技術，可以保證質量數據的高度透明。區塊鏈技術具有不可篡改和不可偽造的特性，使得基于區塊鏈的質量管理系統具有充分的數據安全性，用戶可完全信任食用菌的原料來源、運輸流程與培養過程。

3.2.6可靠性技術

食用菌產業物聯網系統的傳輸層需要布置多個傳感器，傳輸層可能包括多層的網絡協議和網絡接口，整個系統的可靠性可分為硬件可靠性、網絡可靠性以及軟件可靠性，需要應用先進的可靠性理論進行冗余設計，確定合理的維修計劃，保證系統的安全可靠。

3.2.7控制圖技術

控制圖是實施統計過程控制理論的基本工具之一。物聯網系統實時采集食用菌培養過程的各類質量數據，應用控制圖技術可判斷食用菌的質量是否處于異常狀態，并及時分析原因和采取措施，不斷提高過程質量。

4食用菌質量管理中推廣物聯網技術的對策建議物聯網作為一種我國高度重視的新興產業，其發展趨勢已勢不可擋，未來必將成為物聯網的時代。實際上，物聯網已經在農業、電力、交通、醫療、安防等方面被廣泛應用[8]。在未來的若干年內，物聯網技術必將在食用菌產業中得到普及和應用，實現食用菌產業高產、高效、優質、安全和生態的發展目標。這既是智慧農業和精準農業發展的需要，也是衡量一個國家科技發達程度和農業發展水平的重要指標之一。本文針對現階段在食用菌質量管理中推廣物聯網技術提出如下對策建議。

4.1加大政策扶持力度，加強試點項目的建設

對于食用菌行業而言，物聯網技術尚屬于新生事物，許多企業可能對此持觀望態度。因此，需要政府部門提供政策扶持和鼓勵措施，建立促進物聯網技術推廣的政策環境，可對應用物聯網技術的食用菌企業進行鼓勵性補貼與退稅、安排專項財政基金用于扶持物聯網型食用菌企業發展、政府聘請高校和科研單位技術人員組織培訓等。通過在試點企業建立基于物聯網的食用菌質量管理系統，認真提煉總結典型案例和成功經驗，發揮試點示范帶動引領作用和導向作用，使企業和栽培戶切實感受到物聯網技術帶來的效益，充分調動企業和栽培戶的積極性。

4.2增加技術宣傳力度，提高企業的質量意識

食用菌產業中有大量的小企業和個體菌農。長期以來，受產品經濟和小生產思想的影響，這些企業只注重短期效益，產品質量意識比較淡薄，對物聯網技術對質量管理的推動作用更是知之甚少。然而，在當今市場競爭異常激烈的商品經濟環境下，質量已成為頭等重要的問題。不注重質量管理的重要性，一旦發生質量事件，集體和自身利益都會受到很大損失。政府部門可以通過制定食用菌質量保證的相關法律法規、積極開展質量安全的廣告宣傳、舉辦食用菌質量控制和物聯網系統的專題培訓等方式，提高食用菌企業的質量意識，使之充分認識到質量管理的重要性，以及通過物聯網技術促進食用菌質量管理的必要性。

4.3降低物聯網技術的實施成本，拓寬工程融資渠道

在食用菌行業應用物聯網技術的前期投入比較大，多數企業不選擇進行應用的主要原因可能在于其成本。從長遠來看，發展物聯網應用的基礎設施建設不能只依賴于政府的扶持，還需要采取各種措施來降低實施成本，可制定科學采購模式來降低物聯網設備采購費用，通過聯合多個企業進行集體實施來產生規模效應而降低建設成本等。發展各類新型融資合作模式，解決物聯網工程建設過程中的融資難問題，如與設備商利益共享的聯合開發模式、發動重要客戶實施眾籌融資模式等，為食用菌物聯網工程建設籌集資金。

4.4加大頂層設計，建設食用菌行業物聯網技術的行業標準體系若在食用菌行業出現大量不同標準的物聯網設備，將會造成設備不能互相兼容、難以保證產品質量、無法共享基礎通信設施的資源和數據等問題，而造成混亂和浪費，因此有必要對食用菌行業的物聯網設備制定規則，針對其技術體系進行標準化。建設物聯網在食用菌行業的分類技術體系，圍繞產業發展需求，對于物聯網關鍵環節制定具體的技術應用標準，包括信息感知標準、信息傳輸標準、信息服務標準和信息應用標準等，形成完整的技術標準體系，為物聯網在食用菌行業的大批量生產和規模化應用提供技術保障。

4.5推進食用菌質量管理研究，提升物聯網應用技術水平針對食用菌產業特點，有針對性地開展質量管理和物聯網技術的研究。從物聯網感知層，研究獲取食用菌、培養基和周邊環境多層面信息的傳感器，盡量使數據采集具有全貌和準確的特點;從物聯網傳輸層，研究低成本的通訊協議和設備;從物聯網應用層，應用人工智能和統計過程控制方法開發質量管理軟件系統。在研究開發過程中，注重技術和系統的適用性，在達到系統性能要求的前提下，盡量做到硬件設備的小型化、低功耗、高可靠性，并力圖做到質量管理軟件系統的“傻瓜化”，以方便未經受專業培訓的用戶使用。

5結論

近年來，我國食用菌產業發展迅速，自2005年以來，我國食用菌產量占世界總產量的70%，給國家帶來了巨大的生態效益、經濟效益和社會效益[9]。然而，我國食用菌行業也普遍存在質量管理混亂、企業規模偏小、信息化程度較差、缺乏著名品牌、深加工開發薄弱、環保意識淡薄等問題，食用菌生產企業的大型化、工廠化、專業化勢在必行。物聯網技術的出現，為食用菌企業提高生產效率和改善質量管理水平提供了機遇，將成為食用菌行業向“高產、優質、高效、生態、安全”發展的重要手段。

盡管我國食用菌行業實施物聯網技術的企業目前還比較少，但相信通過加大政策扶持力度、加強試點項目建設、增加技術宣傳力度、提高企業質量意識、降低技術實施成本、拓寬工程融資渠道、建設行業標準體系、推進行業質量管理研究、提升應用技術水平等措施，我國食用菌企業應用物聯網技術的前景必將是廣闊的。通過物聯網技術在食用菌企業中的廣泛應用，使食用菌的整個生命周期得到有效地質量溯源和質量管控，提升食用菌產業的質量控制和質量管理水平，幫助我國食用菌產業實現生產技術革命和產業結構升級。參考文獻

[1] 何正源，段田田，張穎，等.物聯網中區塊鏈技術的應用與挑戰[J].應用科學學報，2020，38（01）：22-33.

[2]邰向民.食用菌生產企業管理策略與質量管理研究[J].中國食用菌，2019，38（02）：74-76，80.

[3]Alireza Souri，Monire Norouzi. A State-of-the-Art Survey on Formal Verification of the Internet of Things Applications [J]. Journal of Service Science Research，2019，11（1）： 47-67.

[4]羅國濤.論食用菌栽培材料選擇及處理方法[J].中國食用菌，2010，29（04）：63-64.

[5]劉艷芳.食用菌供應鏈質量管理分析[J].中國食用菌，2019，38（10）：107-109.

[6]楊文建，王柳清，胡秋輝.我國食用菌加工新技術與產品創新發展現狀[J].食品科學技術學報，2019，37（03）：13-18.

[7]李福后，王偉霞，孫強，等.食用菌保鮮技術的研究進展[J].食品研究與開發，2018，39（15）：205-210.

[8]李冬月，楊剛，千博.物聯網架構研究綜述[J].計算機科學，2018，45（S2）：27-31.

[9]孔雷，張良，胡文洪，等.中國食用菌產業現狀及預測[J].食用菌學報，2016，23（02）：104-109.

（責任編輯常陽陽）