基于智慧物聯(lián)網(wǎng)的食用菌人工仿生環(huán)境栽培技術(shù)

東樺，莫美華，李燦彬，陸志恩

（1.廣州城建職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510925；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510642）

0 引 言

食用菌栽培是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一項重要產(chǎn)業(yè)。目前，對于大型的食用菌生產(chǎn)工廠而言，存在設(shè)備昂貴、生產(chǎn)量大、菌種生產(chǎn)較為單一的問題；小型食用菌生產(chǎn)工廠的生產(chǎn)加工水平較低，沒有良好的栽培環(huán)境，導(dǎo)致食用菌產(chǎn)業(yè)發(fā)展停滯不前，收益不樂觀。食用菌栽培環(huán)境是決定食用菌能否獲得最大收益的關(guān)鍵因素，室內(nèi)栽培的優(yōu)點是光照、水分、溫濕度、通風(fēng)等指標(biāo)的管理和控制相對容易，采摘收獲也方便快捷。但在室內(nèi)栽培食用菌的過程中，人工調(diào)節(jié)溫濕度等環(huán)境參數(shù)費(fèi)時費(fèi)力，調(diào)節(jié)精度不高，人工調(diào)節(jié)出錯機(jī)率也較大，會嚴(yán)重影響室內(nèi)栽培食用菌的出菇質(zhì)量。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算技術(shù)，開發(fā)設(shè)計一套控制系統(tǒng)，對食用菌室內(nèi)栽培的相關(guān)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行自動監(jiān)控和場景化自動控制，以提高食用菌室內(nèi)栽培的生產(chǎn)管理水平和食用菌栽培質(zhì)量，為實現(xiàn)小型化、智能化、易管理提供有效可行的方案，提升農(nóng)戶的智能化生產(chǎn)水平和行業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

1 食用菌栽培環(huán)境參數(shù)

食用菌菌種的栽培環(huán)境決定食用菌生長狀況，進(jìn)而影響食用菌的經(jīng)濟(jì)效益。食用菌栽培與食用菌生長環(huán)境密不可分，所以需要通過監(jiān)控食用菌生長狀態(tài)實時調(diào)控食用菌生長環(huán)境參數(shù)。食用菌生長過程中，最重要的栽培環(huán)境參數(shù)就是溫度、濕度以及二氧化碳濃度等。偏高的二氧化碳含量會影響食用菌生長，因此確保不同階段栽培環(huán)境中的二氧化碳濃度，對促進(jìn)食用菌生長很有必要；合理的栽培環(huán)境濕度可促進(jìn)食用菌基質(zhì)沿縱向深入生長；栽培環(huán)境溫度能夠影響食用菌的質(zhì)量及產(chǎn)量，適宜的溫度可加快其生長速率，溫度過高則會抑制生長，甚至死亡。因此食用菌栽培環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)可嚴(yán)格把控食用菌不同生長階段的環(huán)境參數(shù)，為其生長提供最適宜的環(huán)境參數(shù)，促進(jìn)其質(zhì)量和產(chǎn)量的提升。已有研究發(fā)現(xiàn)，不同光質(zhì)對平菇（Pleurotusostreatus）子實體性狀、產(chǎn)量、營養(yǎng)成分均有較大影響；與自然光相比，藍(lán)光對菇型正向影響最大；白光、藍(lán)光可以提高生物轉(zhuǎn)化率；白光與自然光相比，可以使平菇的粗蛋白含量提高28.9%。食用菌對于濕度要求也比較高，合適的濕度是食用菌正常生長的保障。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。仿照食用菌的原始生長環(huán)境，按照現(xiàn)代智慧物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)設(shè)計，將系統(tǒng)分為感知層、網(wǎng)關(guān)層、平臺層和應(yīng)用層。在感知層，使用室外的濕度、溫度、二氧化碳、光照強(qiáng)度傳感器來檢測環(huán)境四要素；使用繼電器分別控制新風(fēng)系統(tǒng)、LED植物燈、加濕器、控制箱風(fēng)扇、空調(diào)；使用紅外模塊對空調(diào)、加濕器進(jìn)行細(xì)節(jié)控制。在網(wǎng)關(guān)層，使用Linux嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)；采用MQTT協(xié)議與阿里物聯(lián)平臺進(jìn)行消息交互；使用SQLite作為數(shù)據(jù)庫記錄環(huán)境參數(shù)及場景參數(shù)；編寫?yīng)毩⒌臉I(yè)務(wù)邏輯，保證即使斷網(wǎng)仍然能夠獨(dú)立工作。在平臺層，使用阿里的物聯(lián)網(wǎng)平臺，通過MQTT協(xié)議，收集、存儲網(wǎng)關(guān)上報的數(shù)據(jù)，并下發(fā)用戶端的指令。在應(yīng)用層，通過對阿里IoT平臺數(shù)據(jù)的訪問，實現(xiàn)場景控制、食用菌四大要素監(jiān)控、用戶手動命令的下發(fā)以及主控箱CPU溫度、內(nèi)存和占用率等數(shù)據(jù)的記錄。

圖1 智慧物聯(lián)網(wǎng)仿生環(huán)境架構(gòu)設(shè)計

使用現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)平臺作為系統(tǒng)平臺層，主要考慮的是物聯(lián)網(wǎng)的安全，與其他大的物聯(lián)網(wǎng)平臺類似，阿里的物聯(lián)網(wǎng)平臺層介入有相關(guān)的設(shè)備計入認(rèn)證，其數(shù)據(jù)的可視化、控制界面也有相應(yīng)的安全防護(hù)，所以安全問題也是借助物聯(lián)網(wǎng)平臺來解決。

2.2 感知層設(shè)計

感知層的傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計如圖2所示。使用PCF859通過IC總線與網(wǎng)關(guān)連接，通過兩路A/D采集端口，對工業(yè)級二氧化碳和光照強(qiáng)度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。通過GPIO對DHT11溫度傳感器進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)采集。在Linux系統(tǒng)設(shè)置GPIO口為W1總線，讀取DS18B20作為控制機(jī)箱的溫度傳感器。通過USAT對接紅外模塊，發(fā)送相應(yīng)的紅外控制代碼，對空調(diào)和加濕器進(jìn)行細(xì)節(jié)的控制。通過四路光隔離繼電器，控制強(qiáng)電開關(guān)，分別為LED植物燈、新風(fēng)機(jī)、加濕器、機(jī)箱降溫風(fēng)扇。

圖2 傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫設(shè)計及食用菌生長環(huán)境數(shù)據(jù)的存儲和處理是本設(shè)計的核心部分?？紤]到邊緣網(wǎng)關(guān)、CPU的存儲資源較為缺乏，所以數(shù)據(jù)庫使用SQLite。圖3所示的數(shù)據(jù)庫表的設(shè)計中，設(shè)定三種控制模式，使用表Control_Mode記錄模式的選擇，有三個字段，其中Mode_ID為關(guān)鍵字段，Mode為模式中文名，Selected記錄目前選擇的模式。三種控制模式分別如下：

（1）手動控制模式：在這種模式下，所有設(shè)備的控制為手動控制，沒有程序自動控制，可以通過手機(jī)控制端控制，或者通過PC端對設(shè)備下發(fā)控制命令。這種狀態(tài)也會被記錄到State表中，表中有4個字段，分別為Led_State、Wind_State、Air_Condition_State、Humity_State，記錄了LED的開關(guān)狀態(tài)、新風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)、空調(diào)的狀態(tài)和加濕器的狀態(tài)。當(dāng)斷電重啟后，網(wǎng)關(guān)就會讀取狀態(tài)，恢復(fù)掉電前的設(shè)備狀態(tài)。

（2）客戶自定義設(shè)置模式：在這種模式下，用戶可以按照自己的知識和經(jīng)驗，對食用菌生長環(huán)境的二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度、溫度、濕度以小時為單位進(jìn)行定義，程序會自動根據(jù)用戶設(shè)定的環(huán)境變量，讀取數(shù)據(jù)庫，控制LED燈、空調(diào)、加濕器、新風(fēng)機(jī)以控制環(huán)境條件。這種模式下使用表UserDef_Mode記錄用戶的自定義參數(shù)，有五個字段，其中UserDefID為關(guān)鍵字段；Name字段為用戶定義參數(shù)所使用模型的名字；Day字段定義養(yǎng)殖的天數(shù)；Stat_Time字段記錄了需要養(yǎng)殖天數(shù)；Description作為一個參數(shù)配置說明字段，在設(shè)置后需要對另外一個表UserDef_Grow_Data做進(jìn)一步的設(shè)置，具體到每個小時，并對應(yīng)到四大環(huán)境參數(shù)的設(shè)置。

（3）特定食用菌自動養(yǎng)殖模式：食用菌品種的選擇也是本設(shè)計的核心部分，團(tuán)隊成員及經(jīng)驗豐富的食用菌專家對目前流行、新穎、價值較高的食用菌品種，如榆黃蘑、鳳尾菇、紅珍菇等進(jìn)行批次的環(huán)境條件試驗；通過對統(tǒng)計數(shù)據(jù)的驗證、差方分析、Tukey分析以及經(jīng)驗豐富的專家對數(shù)據(jù)加以評估，得出最優(yōu)的環(huán)境條件設(shè)置。首先在表Mushrom中記錄多種食用菌配置環(huán)境數(shù)據(jù)索引，表中有5個字段，其中Mushroom_ID為關(guān)鍵字段；Name記錄蘑菇的名字；Falvor記錄同一種蘑菇需要配置的不同口味，如比較嫩滑或比較有蘑菇味道，以便設(shè)置不同的生長環(huán)境值。根據(jù)這兩個字段值，對應(yīng)另一個表格Grow_Data，此表有10個字段，設(shè)置相應(yīng)的溫度、光照強(qiáng)度、濕度、二氧化碳濃度、開始時間等。

（4）環(huán)境條件記錄表RecordTable：無論是手動模式、用戶自定義模式，還是自動養(yǎng)殖模式，都會記錄相關(guān)信息到這個表中，光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度、濕度、溫度、時間及控制模式對應(yīng)字段分別為Ligth_Intensity、CO2_Intensity、Humity、Temperature、Time、Control_Mode。

圖3 數(shù)據(jù)表設(shè)計

2.4 消息驅(qū)動控制流程設(shè)計

通過現(xiàn)代智慧物聯(lián)網(wǎng)的多層架構(gòu)設(shè)計，將用戶端到設(shè)備端分層，方便系統(tǒng)的統(tǒng)一設(shè)計、維護(hù)及擴(kuò)展。多種消息驅(qū)動流如圖4所示，消息流大概分為如下四種類型。第一種：傳感器上報消息到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)接收并存儲數(shù)據(jù)，通過MQTT協(xié)議把環(huán)境數(shù)據(jù)傳送到阿里IoT平臺進(jìn)行映射并存儲，再通過應(yīng)用界面呈現(xiàn)給用戶。第二種：用戶發(fā)出啟動設(shè)備消息到阿里IoT平臺，阿里平臺找到映射的變量，通過MQTT將消息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)收到消息后，啟動對應(yīng)的繼電器。第三種：此類型的前兩步與第二種類型相同，但最后一步是通過紅外模塊發(fā)送對應(yīng)的命令代碼控制空調(diào)或加濕器。第四種：用戶設(shè)置場景變量參數(shù)，把參數(shù)發(fā)送到阿里IoT平臺，平臺通過MQTT下發(fā)到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)應(yīng)用業(yè)務(wù)邏輯向繼電器和紅外模塊發(fā)送消息，進(jìn)而控制相關(guān)設(shè)備，完成場景的自動化控制。

圖4 UML消息時序

3 試驗材料、試驗方法及數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗材料

本次試驗挑選了兩種食用菌進(jìn)行試驗培養(yǎng)。第一種是榆黃蘑（Pleurotus Citrinopileatus Sing）第三代菌種，菌包生產(chǎn)日期為2020年10月3日；第二種是鳳尾菇（Pleurotussajorcaju）第四代菌種，菌包生產(chǎn)日期為2020年9月28日。LED燈采用的是5 730個燈珠的燈帶，分布在鐵架邊上，均勻鋪設(shè)在培養(yǎng)架邊上。試驗箱是用冷鏈車廂改造的，是一個密閉的空間，可以有效防止絕大部分對食用菌的生長有害的蟲子進(jìn)入。試驗箱內(nèi)裝有溫度、濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度傳感器，用于探測環(huán)境參數(shù)。新風(fēng)機(jī)主要用于調(diào)節(jié)二氧化碳濃度。通過手機(jī)可以查看4種環(huán)境參數(shù)并對場景參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，或者直接控制設(shè)備的啟停。

3.2 試驗方法

對兩種食用菌進(jìn)行三組培養(yǎng)試驗，每組8個菌包。第一、二組放置在試驗箱的環(huán)境下培養(yǎng)，采用智慧物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，人工設(shè)定LED光照強(qiáng)度、濕度、溫度、二氧化碳濃度，給予食用菌良好的生長條件。第三組的試驗則放置在試驗箱外，處于室內(nèi)自然環(huán)境，室內(nèi)的光照強(qiáng)度、濕度、溫度、二氧化碳濃度都隨天氣變化，數(shù)據(jù)取日均值。

試驗步驟是先進(jìn)行三組試驗，分別記錄下三組的實際生長情況、生長速度與產(chǎn)量；對三組榆黃蘑的生長速度和產(chǎn)量分別進(jìn)行差方分析和組間兩兩對比Tukey檢驗，得出不同環(huán)境參數(shù)組合下的差異。對于鳳尾菇的數(shù)據(jù)分析，與榆黃蘑一致，此處不再贅述。

在設(shè)備運(yùn)行的培植試驗過程中記錄食用菌生長情況，如圖5所示。可以看出，食用菌生長旺盛。

圖5 第二組食用菌生長過程

3.3 食用菌生長速度和產(chǎn)量的方差分析及Tukey檢驗

3.3.1 榆黃蘑生長速度方差分析及Tukey檢驗

對榆黃蘑的生長速度和產(chǎn)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析及Tukey檢驗。榆黃蘑生長速度方差分析結(jié)果見表1所列。取顯著性水平=0.05，組間自由度=-1=2，組內(nèi)自由度=-=21；查值表，得=3.47，=6.88×10＜0.05，表明在組合因素下各組有顯著性差別。

表1 生長速度單因素方差分析

通過Tukey方法進(jìn)一步檢驗每組之間的顯著性。從表2數(shù)據(jù)可知，取顯著性水平=0.05，=3，聯(lián)合方差自由度=-=21，查值表得=3.57，計算出臨界值為0.452，從而得到三個組兩兩比較的絕對差分別為0.75、2.31、1.56，均大于臨界范圍0.452，表明組間有顯著性差異。

表2 榆黃蘑生長速度Tukey檢驗

3.3.2 榆黃蘑產(chǎn)量數(shù)據(jù)方差分析及Tukey檢驗

榆黃蘑產(chǎn)量數(shù)據(jù)的方差分析見表3所列。取顯著性水平=0.05，組間自由度=-1=2，組內(nèi)自由度=-=21；查表，得=3.47，=1.2×10＜0.05，表明在組合因素下各組有顯著性差別。

表3 榆黃蘑產(chǎn)量方差分析

通過Tukey方法進(jìn)一步檢驗每組之間的顯著性，見表4所列。從試驗數(shù)據(jù)可知，取顯著性水平=0.05，=3，聯(lián)合方差自由度=-=21；查值表，得=3.57，計算出臨界值為0.014 72，從而得到三個組兩兩比較時組1與組2的絕對差為0.005 1，小于臨界范圍0.014 72，所以這兩組之間沒有顯著性差別；但組1與組3、組2與組3的絕對差分別為0.04和0.034 9，均大于臨界范圍0.014 72，表明組間有顯著性差異。

表4 榆黃蘑產(chǎn)量Tukey檢驗

4 結(jié) 語

本文采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及云計算平臺對食用菌在密閉空間的栽培系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，精確地控制了環(huán)境的溫度、濕度、二氧化碳濃度、適宜植物生長的光照強(qiáng)度，可以實現(xiàn)食用菌的自動培植。從培植的結(jié)果來看，在合適的濕度下（一般為80%～90%），溫度為18 ℃時，食用菌的生長速度較快；溫度下調(diào)到16 ℃時，生長速度放緩，但顏色較為鮮艷。而室內(nèi)生長環(huán)境下的濕度一般不太適合食用菌的生長，導(dǎo)致食用菌的生長速度較慢，產(chǎn)量較低。相比在一般室內(nèi)外環(huán)境下培植食用菌，本文的智慧物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方案能夠做到智能控溫，可抵御自然環(huán)境的不利影響，并且可以有效隔絕蟲害，實現(xiàn)無農(nóng)藥培植，提高食品安全。如果能夠提供電源及水源，可以將本文的小型智能化設(shè)備部署到硬件設(shè)備工作范圍允許的環(huán)境中去。利用智慧物聯(lián)網(wǎng)培植方案，除了培植文中涉及的兩種食用菌，也可以通過調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)，培植其他菌種，或者更換LED光源及環(huán)境參數(shù)培植其他農(nóng)作物。