農業物聯網技術在食用菌栽培中的應用

楊 凡，鄭小南，李富忠

（山西農業大學 軟件學院，山西 晉中 030801）

0 引 言

我國的農業生產模式長期憑借經驗管理，借助傳統方法實現生產率的提升。然而，現階段我國正逐步與發達國家縮小差距，農業越來越趨向于智能化、信息化，其中物聯網技術發揮著重要作用。

目前，食用菌栽培的各個環節逐步實現機械化、自動化，但缺乏集成的技術將每個階段的信息進行整合，在食用菌的科研投入上存在著較大的缺失，與食用菌相關的人才明顯不足，農民等技術人員也需要學習新的技術，與之相關的信息化設備同樣需要更新換代。

為推進食用菌從種植到收獲的全過程信息化，本文通過物聯網技術建立現代食用菌栽培系統，提高管理效率，降低生產風險。

1 農業物聯網技術概述及食用菌栽培現狀

物聯網（Internet of things，IoT）概念的提出最早在1999年，2005年國際電信聯盟的年度報告明確了物聯網的概念，即通過射頻識別、傳感器、RS、GPS等信息感知設備，結合無線自組織通信網絡，將互聯網與物品構建聯系，實現互聯互通。

物聯網是一種能夠智能識別、定位、監管的智能化網絡[1]。物聯網在智慧農業中的應用是多種學科與新技術的融合，包含現代信息技術、生物工程技術、移動通信技術等。農業物聯網技術即通過各種感知設備，在生產、種植、管理等環節進行信息的采集，再按照協議通過各類現代信息傳輸通道將農業信息進行傳輸、處理，最終通過智能化終端進行控制、管理、交易等[2-3]。

食用菌作為我國農業經濟中的一項重要產業，其行業具有良好的生產效益。食用菌生產裝備也從初始發展階段到如今的穩定調整與創新階段，生產方式由農業生產方式向工業生產方式發生全過程轉變，但由于外界環境對食用菌栽培有著重要影響，其栽培過程面臨諸多風險，因此為了保障食用菌的數量和質量，還應提供最適宜的溫度、濕度、氧氣濃度、光照強度等[4]。

2 需求方案設計

系統需結合各類現代信息化技術，依據食用菌不同生長階段所需的生長條件，合理調控溫度、濕度、CO2濃度，最大限度提升食用菌栽培環境[5]。

本系統滿足以下需求。

（1）對氣象條件如溫度濕度等進行實時動態檢測。氣象數據的獲取有利于栽培人員更好地了解種植對象的生長條件。

（2）對栽培環境參數進行實時動態監測。為保障食用菌處在最適環境下，相關技術人員可憑借移動設備遠程操控。當某一參數較正常值發生變化時，預警機制啟動并發送信號，如光照條件不足，技術人員可通過遠程控制補光；缺水時通過控制灌溉設備澆水等。

（3）對栽培環境進行定點實時動態視頻監控。種植人員可遠程掌握食用菌的生長勢，采取合理舉措管理栽培，嚴格控制采摘時間。

（4）在系統建設時預留相應的接口，為食用菌安全溯源和電子商務系統的建立提供支持，真正做到便民惠民[6]。

3 基于農業物聯網技術的食用菌栽培系統設計

本文系統包含的模塊分為：栽培環境監測系統、遠程控制終端、自動灌溉系統、遠程網絡視頻監控系統、戶外LED監測屏系統、智慧農業物聯網綜合服務平臺、農產品安全追溯系統、移動終端客戶端和微信公眾號服務平臺等，系統拓撲如圖1所示。

圖1 系統拓撲圖

3.1 栽培環境監測系統

栽培環境監測系統涉及到諸多智能傳感器，布控不同類型的傳感器在不同位置，可以合理地監測到栽培環境的各項參數[7]，具體可選參數見表1所列。

表1 栽培環境參數

3.1.1 遠程智能采集終端

遠程智能采集終端將上述傳感器采集到的溫度、濕度、光照強度、CO2濃度等統一獲取，借助移動基站傳輸至遠程綜合服務平臺。這些數據在顯示終端上即可查看，各個傳感器的數值都顯而易見，用戶也可通過手機等移動設備對采集到的數據進行管理[8]。

3.1.2 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器用于檢測食用菌栽培大棚中空氣的溫度和濕度[9]。技術參數包括以下內容：

溫度測量范圍：-40～85 ℃；

溫度測量精度：±0.5 ℃；

重復性：±0.1 ℃；

響應時間：5～30 s；

濕度測量范圍：0～100%RH；

濕度測量精度：±0.1%RH；

重復性：±4.5%RH；

響應時間：8 s。

3.1.3 光照強度傳感器

光照強度傳感器通過硅藍光伏探測器監測，它的優勢顯著，靈敏度高、測量范圍廣、精度高、防水性能好、安裝便捷、易于遠距離傳輸[10]，其技術參數如下：

光照度范圍：0～65 535 Lux；

傳感器內置16 bit A/D 轉換器；

測量精度：±20%。

3.1.4 CO2濃度傳感器

CO2濃度傳感器采用世界上最小、最輕的NDIR技術CO2傳感器模塊，該模塊用途廣泛，能夠安裝至機器人、通風系統、控制器、汽車等地，也能安裝至其余設備用來控制空氣質量[11]，其技術參數為：

測量范圍：0～5 000 ppm；

最大允許誤差：5%FSD；

重復測試：3%FDS；

耗電：4 W；

存儲與運行環境：-40～85 ℃。

3.1.5 語音自動播報終端

語音自動播報終端包含無線通信、TTS文本轉語音等模塊，會反饋監測到的環境數據，具有預警功能。通過無線網絡接收來自栽培環境中心控制器發送的文字內容，進而轉化為語音信息，使用喇叭播放并自動關閉功放電路[12]。

3.2 遠程智能控制終端

食用菌栽培環境智能控制終端通過栽培環境中傳感器獲取到的空氣溫、濕度、光照度及CO2濃度等參數對設備進行調控，包括內外遮陽、風機、頂部通風、灌溉電磁閥和CO2氣肥機等設備，借助數據傳輸模塊與監控中心連接[13]。

3.3 自動灌溉系統

傳統的人工灌溉方式，如大水漫灌無法合理控制灌水是否均勻，也無法保障及時灌水，這勢必會造成水資源的浪費，對食用菌的生長產生不利影響。自動灌溉系統能夠顯著提高灌溉的精準性與高效性，通過已經運行好的程序自動控制灌水模塊的開啟與關閉，涉及到的管道線路以及設備全部布控到地下，大幅減少了人工作業。智能控制實現了節約資源、安全便捷的目的[14]。

3.4 遠程網絡視頻監控系統

遠程網絡視頻監控系統是基于網絡和視頻信號傳輸技術，對食用菌栽培過程中的生長情況進行全天視頻監控的部分，包括網絡型視頻服務器、高分辨率攝像頭。網絡型視頻服務器能夠轉換視頻信號并傳輸，實現遠程的網絡視頻服務[15]。用戶上網即可遠程查看食用菌生長狀況，根據不同的權限多點在線監控。

3.5 戶外LED監測屏系統

戶外LED監測屏系統的功能是顯示栽培地點的相關信息，包括食用菌簡介、氣象數據、溫濕度等環境數據，如圖2所示。

圖2 戶外LED監測屏

4 結 語

基于農業物聯網技術的食用菌栽培系統集成了多個領域的先進技術和知識，相比傳統人工種植，該系統提升了食用菌的質量與產量，并且使勞動生產率與資源利用率都有所提高，而生產工作者的勞動強度也大大減弱。農戶與專家通過移動設備便可掌握食用菌生長的實時信息，及時管控外界條件，最大限度提升食用菌生長的環境因素。但食用菌種類多樣，針對不同品種仍需提出不同的決策方案，還需結合專家系統收集更多的農技信息。