城市微型食用菌工廠控制系統設計與應用

李佳丹 詹柴 王凱 徐志豪

摘 要 隨著科技的發展，農業生產方式不斷變革，垂直農場和植物工廠應運而生，代表著國內外農業發展的高級階段。植物工廠的普及和商業化推廣受制于高投入成本、高運行能耗和市場接受度等因素，亟需進一步挖掘符合市場需求的產品和盈利模式。本項目以集裝箱為載體，通過5G物聯網智能改造，設計開發一款城市微型食用菌工廠，可用于銀耳、蟹味菇、花菇等高附加值的食用菌生產，具有節能環保、管控智能、完全無人值守、靈活布點等優勢，同時可融合親子教育、休閑觀光等項目，實現植物工廠的產業化發展，符合智慧農業、未來社區發展趨勢和消費潮流，市場潛力巨大。介紹城市微型食用菌工廠的總體設計（配置空調通風系統、栽培系統、補光系統、智能控制系統和物聯網遠程監測系統），并進行了無人值守下的銀耳生產測試，發現出菇良好，表明集裝箱食用菌工廠可成功用于食用菌生產。

關鍵詞 植物工廠;食用菌;集裝箱;設計;應用

中圖分類號：TP393 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.22.005

植物工廠作為一種通過高精度控制設施內生態環境的高效農業生產系統，成為破解自然資源緊缺現狀、變革勞動關系、掙脫初級農業市場低迷困境的有力實踐，也為現代都市人群開辟了一道通往自然、連結生態、關聯科學的寶貴路徑，引領未來農業的發展方向。近些年，植物工廠的普及率大幅提高，但也存在諸多問題，如投入成本高，包括初裝成本、設施成本和物聯網成本，還有運營和維護成本高，包括人工光源和環境控制等能耗大;其次是標準化、規范化程度低，集成度不高，增加了人工操作難度。目前市場上的規模化植物工廠基本處于虧損狀態，主要靠政府補貼維持，產業化發展存在諸多瓶頸。

我國每年廢棄的集裝箱有30萬個左右，若利用廢棄的集裝箱進行改造，打造城市微型植物工廠，投放在社區等城市公共空間及閑置空間，不但可以提高資源利用率，降低植物工廠建設和運行成本，還能突破城市用地局限，符合智慧農業、未來社區發展趨勢和消費潮流，成為農業發展的新思路，前景廣闊。相較于大型智慧溫室，集裝箱式植物工廠具有模塊組合靈活、清潔安全、移動方便、投入門檻低、應用范圍廣等優勢，且系統集成和產品組件模塊化，便于運輸和安裝。本研究設計開發城市微型食用菌工廠，可用于種植銀耳、蟹味菇、花菇等高附加值的菌類作物。這些菌類作物對溫濕度和空氣質量等環境要求非常嚴格，微型食用菌工廠能滿足其在冬夏、炎熱或寒冷區域的部署，實現從菌種到收割完全無人值守情況下的周年生產。

本研究為測試集裝箱式食用菌工廠應用于食用菌栽培的適應性，選擇鮮銀耳開展栽培試驗。鮮銀耳是一種營養價值高的藥食兩用菌類，其含水量極高、組織脆嫩，但菌體外表缺少保護，極易產生水分損失、營養價值下降、微生物感染等問題，極大地限制了鮮銀耳的儲運、銷售和消費[1-2]。因此，實現地產鮮銀耳的周年持續穩定生產，不僅能夠滿足城市居民對安全高品質農產品的需求，而且能助推新鮮食用菌產業的可持續發展。

1? 總體設計方案

城市微型食用菌工廠采用標準的40尺集裝箱高柜進行改造，配置空調通風系統、栽培系統、補光系統、智能控制系統和物聯網遠程監測系統。采用定制菌棒進行食用菌種植，食用菌生長所需的養分由菌棒提供，集裝箱內只需搭設栽培架和LED補光單元，無需另外配置水肥系統。采用總線方式接入濕度傳感器、空調模塊、風機、集控面板、攝像頭、氣象站、空調面板、二氧化碳發生器、加濕器、智能空開等設備，并通過5G邊緣網關實現本地化的數據接入、設備識別、自動策略、記錄保存，通過云存儲實現云端集中管控、歷史記錄分析、智能策略下發等功能，空間設計如圖1所示。

1.1? 結構化數據和圖像視頻數據融合一體化

硬件配置包括5G邊緣主機、通訊模塊、交換機、氣象站、室內溫濕度傳感器、攝像頭、空調模塊、加濕器、風機和智能空開等，可實現數據實時監測、圖片自動抓拍記錄、實時瀏覽計入一體化融合接入，通過5G實現云端同步進行實時控制和視頻反饋，無需額外配置圖像視頻管理終端、數據采集存儲服務器等。

1.2? 多柜共享一個控制網關下的低延時管控

主機采用5G邊緣主機（NAYOTA公司），集軟硬件一體，采用瀏覽器訪問平臺，免除下載軟件的步驟;滿足多種協議類型，能夠快速方便地接入各種類型設備，以及對接BIM、VR等平臺，具有強大的兼容性和開放性;支持多機熱備，自動切換，主機故障自動切換到備份主機;自定義數據清洗，具備上下行的私有協議二次開發功能。5G的應用實現云端同步進行實時控制和視頻反饋，適應多個種植柜的高效數據傳輸和自動控制。

1.3? 內置成長模型滿足隨時移動的快捷部署

通過5G邊緣網關，可以實時同步各種成長模型，并有效進行集中管控，滿足未來多品類的生產策略及多級營銷管控。

2? 食用菌生產測試

銀耳是一種優質的藥食兩用菌，其中所含有的活性成分銀耳多糖可通過刺激效應使巨噬細胞分泌細胞因子，進而調節機體免疫系統和相關免疫通路，在免疫調節、降血糖、降血脂、抗癌和護肝等方面具有顯著效果[3-4]。鮮銀耳含水量高，具有較高的營養價值和較好的口感，產品附加值較高，但在采收后極易變質。銀耳的生產周期為35～40 d，對栽培環境的敏感性強，目前的生產方式主要為小規模家庭作坊式栽培，但農戶對環境條件的調控手段比較有限，需要頻繁進入栽培房觀察，僅憑經驗和體感進行人工噴霧及開窗通風，管理不及時，常會出現銀耳發育不良、畸形和病變等情況，甚至2～3 h就可能出現大的生理性病變，導致栽培失敗。本研究利用設計開發的5G智能種植箱（見圖2）通過場景設置實現設備批量控制、定時控制、循環控制。通過智能設置實現設備之間的條件控制、設備之間的聯動控制、事件預警，在銀耳不同生長階段提供最適宜的成長環境。銀耳選擇菌株Tr21品種，該品種深受江浙地區的消費者青睞，多熬湯食用。

2.1? 生長數據庫建設

2.1.1? Tr21銀耳生長模型數據

古田銀耳 Tr21 是興華真菌研究所從家栽香灰菌株1號與家栽銀耳芽孢分離單株02號配對篩選得到的一個性狀優良的變異單株[5]。Tr21優良菌株全生育期35～42 d，具有朵形美、耳片較白、產量高、品質好、抗逆性強等優點，生物學轉化率達134%，可作為銀耳工廠化栽培的主要推廣品種。Tr21銀耳多銷往江浙地區用來熬湯食用，而東北地區消費者則偏愛將Tr01銀耳涼拌。Tr21銀耳生長模型數據庫信息列于表1。

2.1.2? 銀耳生長環境數據

菌棒基質栽培銀耳主要受溫度、濕度、CO2濃度和光照四個環境因素的影響。菌棒放入集裝箱食用菌工廠之后便進入出耳期，室溫控制在23 ℃，需定時噴霧加濕，確保空氣濕度維持在85%～93%，每天通風3～4次，每次20～30 min，光照以自然光為主。子實體展片期，室溫控制在25 ℃，增加噴霧加濕頻率，空氣濕度控制在90%～95%，每日通風2～3次，光照以自然光為主。采收前7 d，室溫控制在20～23 ℃，停濕造型，濕度控制在80%～85%，適當增加通風次數，每天4～5次，通過LED燈適當補光[6]。銀耳栽培的環境因素調控要求見表2。

2.2? 無人值守下的食用菌生產

該產品于2020年8月開展第一批銀耳種植，投入300根菌棒，每根菌棒出三朵菇。生產周期為2020年8月5日至9月6日，出菇良好。銀耳生產遠程監控圖像見圖3。種植試驗及運營結果表明，集裝箱食用菌工廠可以成功用于食用菌生產，為城市微型植物工廠技術發展拓寬思路。

3? 商業化營銷模式探討

3.1? 多功能產品開發

針對不同應用場景，以集裝箱式植物工廠為核心載體，開發多種集裝模塊化組合栽培設施，以種植為主要功能做加法，如搭載休閑水吧、咖啡吧和觀景臺等休閑空間，還能進行家居、辦公、商業、種植實驗室的融合，滿足細分市場的差異化需求。同時，不斷優化節能設施裝備的集成應用，通過加載太陽能光伏板、雨水蓄水，降低投入和運行成本，實現零消耗、零能耗的無人值守系統，推動集裝箱植物工廠的產業化、智能化、多功能化、可定制化發展。

3.2? 多品類種植策略

集裝箱食用菌工廠全封閉或半封閉的生產環境可以有效防止害蟲和病原菌的入侵，減少殺蟲劑、殺菌劑等化學農藥的使用，確保食用菌的安全，滿足都市居民對綠色、安全、高品質農產品的需求。在銀耳自動化生產模型的基礎上，拓展金針菇、蟹味菇、花菇、白玉菇等食用菌品類，在網關引入AI控制模型，滿足多品類的種植策略。

3.3? 多場景推廣應用

隨著社會的發展、人民生活水平的提高，社區新鮮直售、教學實驗、科研科普、休閑體驗及園藝康養的需求旺盛。利用城市微型食用菌工廠實現城市居住環境下的智慧種植，簡化種植養護過程，高效利用空間，滿足都市人群的多功能需求。同時可實現遠洋貨輪、邊防哨所、高山海島、海軍艦艇等場景的周年高效穩定產出，滿足少量群體的新鮮植物自給需求，具有重要的經濟和戰略意義。

參考文獻：

[1]? 康峻菡，胥義.基于擴散型TTI與鮮銀耳品質關聯模型的建立及驗證[J].中國農學通報，2020，36（32）：130-139.

[2]? 羅愛玲.鮮銀耳貯藏保鮮技術研究[D].福州：福建農林大學，2014.

[3]? 諶淑平，李明智，董楠，等.不同食用菌多糖復配物對RAW264.7巨噬細胞的免疫調節作用[J].食品工業科技，2021，42（17）：369-375.

[4]? 李依霖，姜明，譚明琪.食用菌多糖的藥用價值研究進展[J].寧夏農林科技，2020， 61（5）：24-26，39.

[5]? 孔旭強，柳婷，劉云超，等.古田銀耳Tr01和Tr21的生理生化特征及生產農藝性狀比較[J].食用菌學報，2019，26（40）：39-49.

[6]? 楊際偉，張福山，姚鋼鷹，等.銀耳栽培物聯網環境監控系統的設計與實現[J].安徽農學通報，2020，26（7）：141-143.

（責任編輯：易? 婧）