基于WIFI與ARM的羊肚菌培育智能控制系統設計與開發 *

袁虎成，呂鳳玉，賀成柱

(甘肅省機械科學研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

近年來，溫室行業的發展更加重視植物生理信息的采集和監控，根據植物的生長情況調節其生長的環境，實現檢測環境變化后植物的生長狀態，便于調控功能更加科學。羊肚菌作為珍稀名貴的食用菌，其營養保健價值極高，野生羊肚菌比人工培育的價格更昂貴。為滿足羊肚菌市場需求，傳統地膜覆蓋栽培法無法對自然環境有效控制，導致不同生長環境下羊肚菌產量與品質有巨大差別。為有效采集食用菌種植培育過程的生長信息，文獻[1]～[5]通過采用無線傳感器網絡技術設計的食用菌栽培系統，可全天候反應菌房環境變化。培養房內的環境溫度是食用菌增產增效的一個關鍵因素，為了進行有效控制，文獻[6]、[7]采用高精度溫控設備與多點監控系統，實現了對食用菌栽植溫室內溫度實時可控。為提高溫室栽培的產量與質量，文獻[8]、[9]在農業工程中應用計算機圖像處理技術，提出可靠的環境條件控制策略。目前在食用菌栽培技術中，病蟲害防治成為限制這一產業發展的難題，文獻[10]為食用菌病蟲害有效防治提供了參考依據。綜合上述技術應用基礎，筆者針對羊肚菌生長發育特性，提出一種基于WIFI與ARM的羊肚菌培育智能控制系統。解決羊肚菌人工栽培模式下，將整個培育過程不可控因素轉為可控，保證溫棚內環境最適宜羊肚菌生長，保障溫棚出菇的產量和質量，為食用菌工廠化栽培技術和產業化發展創造條件，推動食用菌行業智能化和可持續性發展。

1 系統架構設計

溫棚智能控制系統由植物生長環境參數采集、對執行器的指令下發和數據分析統計模塊構成，見圖1。系統通過部署前端無線傳感設備，智能檢測終端RTU匯總環境監測傳感器所采集溫棚環境的數據，包括棚內空氣溫濕度、土壤溫度、土壤水分、光照度、CO2濃度等環境參數，以無線方式上傳給無線智能網關，智能網關再以無線方式將數據傳輸到用戶移動設備端進行分析，一旦環境偏離羊肚菌生長的最適狀態，遠程或自動控制現場執行設備，包括加熱器、制冷通風、LED燈、加濕器、噴淋裝置等對環境進行調節，為羊肚菌生長提供優良的生長環境。

圖1 溫棚智能控制系統結構簡圖

1.1 系統功能

羊肚菌溫棚智能控制系統中，通過在土壤或空氣中合適位置配置環境參數采集傳感器，對羊肚菌生長所需溫度、水分、氧含量、光照度等參數進行實時監測，可實現實時監測溫棚內部空氣的溫度和濕度、土壤的溫度和濕度、光照情況等，系統功能如圖2所示。同時實時依照控制策略，智能調節溫棚內安裝各執行設備，對土壤或空氣溫度、水分、氧含量、光照度等參數調節，進而促進羊肚菌生長。將大棚內部環境的各項數據指標(溫度、濕度、光照度和CO2濃度等信息)存儲并生成報表。

圖2 羊肚菌智能控制系統功能簡圖

1.2 系統控制策略

羊肚菌培育智能控制系統參數采集，包括對于溫棚內氧氣、二氧化碳、二氧化硫、土壤濕度、環境溫度、空氣相對濕度、光照度、土壤濕度、土壤含水量等成分的采集。通過modbus報文方式將現場數據經無線網絡發送給上位機服務器，對于數據進行分析，處理，然后對于現場的執行機構進行控制，實時控制溫棚參數變化情況，閉環的控制溫棚內的環境參數達到預期要求。針對羊肚菌生長環境要求，系統控制策略如下：

(1) 空氣溫度控制

羊肚菌屬低溫型真菌，菌絲在3～28 ℃均能生長，生長最適溫度為18～22 ℃。在靠近地面20 cm處或者在培養框附近安裝溫度傳感器，加熱器恒溫設置為20 ℃。當空氣溫度<設定值時，啟動加熱器來加熱；當空氣溫度>設定值時，啟動加濕設備來降溫，直到溫度達到設定值為止。

(2) 空氣濕度控制

羊肚菌子囊果在空氣相對濕度為75%～95%的條件下可以正常生長，在不要太高出培養框附近安裝濕度傳感器，空氣加濕器恒濕設置為85%。當試驗環境濕度<設定值時，啟動空氣加濕器來噴霧，直到環境濕度達到設定值為止。

(3) 土壤水分控制

羊肚菌子囊果生長土壤含水量在20%～30%為宜，在培養框上安裝水分傳感器，當土壤濕度<設定值時，啟動噴淋裝置來噴水，直到濕度達到設定值為止。

(4) 光照度控制

羊肚菌菌絲和菌核生長階段不需要光照，光線過強會抑制菌絲生長，菌絲在暗處或微光條件下生長很快。光照對子囊果的形成有一定的促進作用，太強或太弱不利于子囊果的生長發育，適宜光照度為600～800勒。

將光照度傳感器朝向LED燈源、靠近培養框水平布置安裝，當光強度<設定值時，啟動LED燈來照明，直到光照度達到設定值為止。

(5) CO2濃度控制

羊肚菌是好癢真菌，足夠的氧氣和良好的通風環境是保證羊肚菌正常發育的必要條件，菌絲生長階段對空氣無明顯要求，子囊果生長發育則對空氣又較強的要求，CO2濃度不得超過0.3%。

將二氧化碳和氧氣傳感器安裝在生產單元墻壁上，當CO2濃度超過設定值時，開啟風扇加強通風，實現實驗室環境中O2、CO2等氣體濃度與外界一致性。

2 溫棚智能控制系統設計

2.1 硬件設計

為實現上述控制要求與策略，該系統通過采集現場傳感器的參數，將采集到的參數進行分析處理，結合用戶設置的參考值，通過求差法，不斷下發指令給執行器改變環境參數逼近設置值，實現環境變量的閉環控制，達到預期的環境參數值。

為了實現通信穩定性和數據安全性，上位機軟件安裝在應用服務器上，數據庫安裝在數據庫服務器上，與外網通過安全網關和硬件防火墻隔離。上位機平臺軟件與終端器件之間，通過無線通信方式，實現系統硬件組成如表1所列。

表1 硬件組成表

2.2 軟件設計

羊肚菌智能系統控制軟件主要功能包括：登錄及權限管理、設備管理(添加設備、設備列表)、數據管理(歷史數據記錄、查詢)、報警管理(報警設置和報警信息)和集中顯控管理，功能模塊如圖3所示。

圖3 控制軟件功能模塊圖

新用戶輸入用戶名、密碼，選擇用戶權限(普通用戶、管理員)，點擊登錄，即可登錄到系統平臺。將設備添加到系統中，設備添加完成后，可以在設備列表頁面中查看，同時可以配置參數采集頻率與設備上傳數據頻率。在顯示設備信息的頁面，包括設備的上下限情況，及各個設備的詳細信息列表，可以對設備進行查詢、添加、修改、刪除操作。用戶配置完成數據模版后，可在歷史記錄中查詢設備的數據信息。歷史記錄以圖表的方式，直觀的展示一段時間內的設備數據點的數據變化情況，同時顯示最近的20條設備數據。用戶可以針對每個設備單獨進行上下限報警設置，當檢測值超過設置的上限/下限時，會觸發相應報警設備，軟件主界面集中顯示控制系統各設備運行狀態信息。

農戶可以根據棚內環境參數的變化，制定生產工藝、控制策略，通過手機APP或網頁遠程設置現場設備，設備按照預設策略實現脫機自控，可以實現通過定時、反饋等方式控制風機、卷簾、水閥等設備，實現自動調整食用菌養殖環境，當設備處于斷網情況也可以自動執行。同時當環境參數變化明顯時可手機遠程報警，便于處理突發事件，并提供歷史數據存儲查詢功能，為后期農業大數據收集，提升生產工藝水平，模塊化大規模生產提供數據依據。

3 試驗應用情況

2020年12月在甘肅省中科院生物所食用菌技術中心實驗室應用此套智能控制系統，羊肚菌喜歡在低溫潮濕環境中生長，系統將空氣相對濕度要控制在75%～90%；在生長期除了要求低溫之外，控制生長適宜溫度是20 ℃，控制晝夜較大的溫差來刺激菌絲體分化；為避免陽光直射，控制LED補光燈弱光照散射菌絲培養皿，保證羊肚菌有一個良好的、適宜的生長環境。一個月后長出了子實體，羊肚菌出土后7～10天生長成熟，菌蓋長平均7.5 cm，菌柄長平均2.5 mm；菌柄厚2 mm，菌蓋厚10 mm，去根平均凈重24.5 g；蛋白質達32%。生長出的尖頂黑脈羊肚菌品相好、

菌蓋長菌柄短、肉質厚、含有豐富的蛋白質，達到了增產、改善品質、調節生長周期、提高經濟效益的目的。

4 結 語

為推進羊肚菌從栽培種植過程信息化，提高羊肚菌產量和質量，提出一種基于WIFI與ARM的羊肚菌培育智能控制系統。通過用甘肅省科學院生物研究所培育的羊肚菌菌絲做栽培實驗，實驗過程中對環境參數進行準確控制，為羊肚菌提供最適宜的生長環境，培育出的羊肚菌產量高、富含多種氨基酸、多種維生素及礦物質，實驗表明此套系統對羊肚菌溫棚栽培技術和產業的可持續發展具有十分重要的意義。