食用菌菇房環境多因子協同調控技術

王琢 肖進 何雨霜 王銳 田滿洲 張俊峰

摘要：針對當前菇房環境調控準確性低以及各環境因子存在耦合等問題，對食用菌工廠化栽培模式下菇房環境多因子協同調控技術進行研究。根據食用菌對溫、濕、氣、光的環境需求，搭建一套集裝箱式菇房，基于物聯網技術研發一套菇房環境控制系統，實現現場傳感數據的采集和設備的控制，以及數據存儲和遠程訪問等功能，重點研究空調和新風機的多因子協同調控算法。在羊肚菌栽培試驗過程中，對調控效果進行測試，試驗結果表明：空調在加熱模式下，菇房溫度控制偏差小于0.4℃；空調在制冷模式下，菇房溫度控制偏差小于0.9℃；菇房濕度控制偏差小于4%；菇房二氧化碳濃度控制偏差小于32μmol/mol。溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強度均滿足工廠化栽培農藝要求。試驗證明采用多因子協同調控算法的菇房環境調控系統能進一步提升食用菌種植精細化程度。

關鍵詞：食用菌；菇房；環境控制；多因子協同調控；工廠化栽培

中圖分類號：S646： S625.5

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2023） 12004706

Multi-factor coordinated regulation technology of edible fungi house environment

Wang Zhuo， Xiao Jin， He Yushuang， Wang Rui， Tian Manzhou， Zhang Junfeng

（Wuhan Academy of Agricultural Sciences， Wuhan， 430345， China）

Abstract：

In order to solve the problems of low accuracy and coupling of various environmental factors， the multi-factor coordinated regulation technology of fungi house environment under the factory cultivation mode of edible fungi was studied. According to the environment requirements of edible fungus for temperature， humidity， gas and light， a set of container type fungi house was built， and a fungi house environmental control system based on Internet of Things technology was developed. The functions of field sensing data acquisition， device control， data storage， remote access were realized. The multi-factor cooperative regulation algorithm of air conditioning and new fan was mainly studied. In the cultivation experiment of morchella， the control effect was tested. The results showed that the temperature control deviation of fungi house was less than 0.4℃ when the air conditioner was operating in cooling mode， the temperature control deviation of fungi house was less than 0.9℃ When the air conditioner was operating in heating mode， The humidity control deviation of fungi house was less than 4%， the carbon dioxide concentration control deviation of fungi house was less than 32μmol/mol. Temperature， humidity， carbon dioxide concentration and light intensity all met the agronomic requirements of industrial cultivation. The experiment proved that the environmental regulation system of fungi house with multi-factor coordination regulation algorithm could further improve the precision of edible fungi cultivation.

Keywords：

edible fungi; fungi house; environmental control; multi-factor coordinated regulation; industrial cultivation

0 引言

食用菌是可供人類食用的大型真菌，含有蛋白質、活性多糖等對人體健康的物質，具有重要的經濟、生態、文化價值［1］。我國食用菌產量占世界總產量的70%以上，栽培種類已達70多種，2022年全國食用菌總產量達41758.5kt。食用菌為中國繼糧食、蔬菜、果樹、油料之后的第五大產業。食用菌栽培需要適宜的溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照等環境因子。目前，我國除金針菇、海鮮菇等少數食用菌品種之外，大多數食用菌生產采用傳統的農法栽培或簡易的設施栽培，生產管理較為粗放，產品品質和產能易受氣候和季節影響，無法進行周年生產。

工廠化栽培是一種現代化的食用菌設施栽培方式，是在封閉式菇房中，在不同地域不同氣候條件下利用溫控、濕控、風控、光控設備創造人工環境，在單位空間內，立體化、規模化、周年化栽培達到產品的安全綠色、有機標準的優質食用菌。目前，金針菇、海鮮菇、雙孢菇等品種實現了工廠化栽培，而羊肚菌、香菇等品種的室內栽培仍在探索過程中，還沒有形成完全成熟的工廠化栽培技術體系［27］。設施環境多因子協同調控技術融合了控制科學與工程、農業工程等多學科知識，目的是為農作物提供最佳人工環境。在該領域，徐立鴻等［8］針對溫室藍莓研究了光溫協調優化模型與控制策略。杜尚豐等［9］針對溫室環境遠程調控過程中自動控制參數無法修改或缺少遠程手動控制模式的問題，設計了溫室環境遠程測控系統。鄒平等［10］在新疆南部地區進行了日光溫室環境調控試驗研究。Pahua等［11］研究了一套用于溫室環境控制的無線傳感網絡。Nagesh等［12］研發了基于ARM的溫室環境因子遠程監測與控制系統。王君等［13］針對人工光植物工廠，研究了風機和空調協同降溫技術。國內外現有關于設施環境多因子協同調控技術的研究主要集中在連棟溫室和植物工廠，對于食用菌菇房環境精準調控技術的研究還不多。白雪萍等［14］基于傳感器技術、組態監控技術、PLC技術及模糊控制技術，設計一種海鮮菇菇棚環境因子監控系統。然而這些菇房環境因子調控系統沒有涉及溫、濕、氣、光的協同調控技術。

為使食用菌在工廠菇房內獲取適宜的環境因子，本文根據羊肚菌的農藝特點，搭建一間集裝箱式菇房，集成溫控、濕控、風控、光控設備，設計一套食用菌菇房環境因子精準調控系統，并研究菇房環境多因子協同控制算法。

1 食用菌菇房總體設計

1.1 羊肚菌農藝特點

根據項目研究內容，對羊肚菌工廠化栽培菇房環境控制系統進行研究。羊肚菌在菇房內的生長過程包括菌絲生長、原基分化、幼菇生長、子囊果成熟四個階段。菌絲生長階段約40d，溫度控制在15～18℃，濕度控制在80%～90%，菌絲萌發7～10d后放置外源營養袋。菌絲長滿后10～15d后進入原基分化階段，大約需要3d，進行5℃低溫刺激7d后移除外源營養袋后進行霧化補水。幼菇生長階段大約需要7d，溫度每2～3d上調2℃。子囊果成熟階段大約需要14d，溫度控制在18～20℃，濕度控制在85%～95%，增加通風，直至采摘［1518］。

1.2 集裝箱式菇房的搭建

本文設計的試驗菇房位于武漢市農業科學院北部園區，該區域屬亞熱季風性濕潤氣候，具有光照充足、雨量充沛、四季分明、雨熱同期、溫光同季的特點。年均降雨量1282.8mm，平均氣溫17℃。

試驗菇房為集裝箱式小型菇房，長4m，寬3m，高2.6m，體積為31.2m3。如圖1所示，該菇房配備的環境調控設備有：（1）空調。具有制冷和加熱兩種運行模式，溫度調控范圍為5～30℃。空調為一體式空調，送風管道位于菇房正中間頂部，出風口分布在送風管道兩側，風量柔和、均勻，滿足羊肚菌室內生長要求。（2）加濕機。超聲波加濕機的加濕量為3kg/h，可以將菇房內濕度調節至100%，霧化管道位于空調送風管道旁，霧氣出口分布在霧化管道兩側。（3）新風機。安裝在菇房頂部，可以引入室外空氣，降低室內二氧化碳濃度和空氣濕度，在菇房側墻離地面10cm處安裝有兩個排風口。（4）燈光。一共6組LED，分別安裝在菇房頂部和側墻，開啟后菇房照度控制在258Lux左右。（5）環境傳感器，菇房內外墻面離地面1.5m處各安裝一個，能夠檢測菇房內部和外部的空氣溫度、空氣濕度、二氧化碳濃度、光照強度。

2 物聯網環境控制系統設計

2.1 系統架構概述

近年來，隨著農業現代化的不斷推進，智能測控技術逐漸滲透到農業生產過程中。物聯網技術是一種先進的網絡通信技術，將各種傳感檢測設備、現場調控設備與互聯網聯系起來，在任何時間和地點可以進行人、機、物的互聯互通［19］。菇房物聯網環境調控系統架構如圖2所示，系統由感知層、網絡層、應用層組成。其中，感知層環境調控設備包括空調、加濕機、新風機、燈光、環境傳感器。

2.2 系統硬件設計

系統硬件主要包括菇房環境傳感器、菇房外環境傳感器、空調、加濕機、新風機、燈光、PLC控制裝置、HMI。菇房環境傳感器和菇房外環境傳感器通過RS485總線與PLC控制裝置連接；空調的制冷機組和加熱機組均為兩線無源控制；加濕機電壓和功率為220V AC/300W，開關控制。新風機電壓和功率為380V AC/330W，變頻控制。燈光電壓和功率為220V AC/100W，開關控制。PLC采用S7-200smart CPU20，HMI采用Smart 700 IE V3觸摸屏。控制裝置如圖3所示。

環境傳感器為四參數傳感器，能夠測量空氣溫度、空氣濕度、二氧化碳濃度、光照強度。溫度測量范圍為-40～60℃，濕度測量范圍為0～100%RH，二氧化碳濃度測量范圍為0～5 000μmol/mol，光照強度測量范圍為0～65 535Lux。

2.3 系統軟件設計

系統軟件主要包括本地端的PLC控制裝置軟件和遠程端的云平臺監控系統軟件。根據羊肚菌室內栽培的生理特性，軟件系統具有溫度控制、濕度控制、新風控制、燈光控制4項主要功能。溫度為傳感器控制，通過將設定溫度值與菇房內外實時溫度進行計算，得出空調制冷機組和加熱機組應該調節到的工作狀態。濕度和新風具有手動控制、時間控制、傳感器控制3種模式可選。燈光具有手動控制、時間控制兩種模式可選。軟件操作界面如圖4所示。

3 多因子協同控制算法

菇房內的空氣溫度、空氣濕度、二氧化碳濃度、光照等環境因子相互關聯，菇房內環境調控設備有空調、加濕機、新風機、燈光。菇房內各個環境因子和調控設備并不是一一對應的關系，且與菇房外部環境有關，菇房環境是一個非線性、多輸入多輸出的復雜系統［2， 20］。本設計針對空調、加濕機、新風機研究了菇房環境多因子協同調控技術，并對調試效果進行了測試。

3.1 空調控制算法

空調具有制冷開啟、加熱開啟、停機三種工作狀態，控制模型如式（1）所示。

UX=F（Tin，Tout，Tset，Toffset）（1）

式中：

UX——空調制冷機組和加熱機組啟停工作狀態；

Tin——菇房空氣溫度，℃；

Tout——菇房外空氣溫度，℃；

Tset——設定溫度，℃；

Toffset——設定溫度偏差值，℃。

空調工作模式Mair為1、0、-1分別表示制冷、待機、加熱三種模式，控制策略如式（2）所示。

當Mair為1時，空調工作在制冷模式，制冷機組的啟停控制策略如式（3）所示。

當Mair為-1時，空調工作在加熱模式，加熱機組的啟停控制策略如式（4）所示。

3.2 加濕機控制算法

絕大多數食用菌在菇房種植時，需要較高的空氣濕度，空調、新風機開啟時都會造成空氣濕度下降。因此，菇房一般只加濕不降濕，加濕機的傳感器控制方式采用傳統的單閾值控制，當菇房濕度低于設定的濕度下限值時，加濕機開啟；當菇房濕度高設定的濕度上限值時，加濕機關閉。當其他環境調控設備影響到菇房濕度時，加濕機自動觸發。

3.3 新風控制算法

新風機是菇房內外進行空氣交換的通道，是二氧化碳濃度、溫度、濕度調節樞紐。食用菌在生長過程中會產生二氧化碳，新風機主要作用是引入新鮮空氣來降低菇房的二氧化碳濃度，將菇房二氧化碳濃度保持在設定范圍內，但新風機開啟后不僅會降低二氧化碳濃度，也會對菇房溫度、濕度產生影響。本設計以設定的二氧化碳濃度上下限為閾值對新風機的開關狀態進行控制，再通過菇房內外溫度差和濕度差協同調節新風機轉速，從而使得菇房內的二氧化碳濃度、溫度、濕度均動態地保持在相對適宜條件下。

新風機控制模型如式（5）所示。

Ufans=F（Pin，Tout，Pmax，Pmin，Tin，Tout，Hin，Hout）（5）

式中：

Pin——菇房二氧化碳濃度，μmol/mol；

Pout——菇房外二氧化碳濃度，μmol/mol；

Pmax——設定二氧化碳濃度上限值，μmol/mol；

Pmin——設定二氧化碳濃度下限值，μmol/mol；

Tin——菇房空氣溫度，℃；

Tout——菇房外空氣溫度，℃；

Hin——菇房濕度，%；

Hout——菇房外濕度，%。

新風機開關控制策略如式（6）所示。

菇房內外溫度差和濕度差對新風機轉速影響的權重分別為WΔT和WΔH，如式（7）、式（8）所示。

式中：

MaxΔT——最大負影響溫度差，℃；

MinΔT——最小負影響溫度差，℃；

MaxΔH——最大負影響濕度差，℃；

MinΔH——最小負影響濕度差，℃。

MaxΔT、MinΔT、MaxΔH、MinΔH根據羊肚菌室內栽培種植經驗設定，也可根據其他品種食用菌進行調整。通過式（9）可以計算得到新風機的調速頻率。

ffans=（WΔT+WΔH）×50×Ufans（9）

4 調控效果測試

在菇房兩側放置不銹鋼栽培架，采用透氣性好的不銹鋼漏盆（規格60cm×40cm×15cm）進行羊肚菌栽培試驗。

根據羊肚菌室內栽培農藝特點，入庫時將菇房溫度設置為18℃，溫度偏差值設為1℃，濕度設置為85%～90%，二氧化碳設置為550～600μmol/mol。菇房環境因子變化曲線及調控效果如圖5所示。如圖5（a）所示，當外界溫度在10℃～12.5℃范圍內變化時，空調進入加熱模式，菇房實時溫度在17℃～18.4℃之間波動。如圖5（b）所示，當外界溫度高于19℃時，空調進入制冷模式，菇房實時溫度在17.1℃～19℃之間波動。如圖5（c）所示，菇房濕度控制在85%～94%范圍內，在誤差允許范圍內，這是因為菇房只通過加濕機進行加濕，一般不降濕。如圖5（d）所示，當菇房溫度降低導致空調加熱機組開啟后，溫度上升的同時濕度會下降，降幅在4%左右，若濕度低于設定最低值時，多因子協同控制程序會開啟加濕機，將濕度調控到94%。如圖5（e）所示，當菇房溫度上升導致空調制冷機組開啟后，溫度下降的同時濕度也會下降，降幅在16%左右，若濕度低于設定最低值時，多因子協同控制程序會開啟加濕機，將濕度調控到93%。如圖5（f）所示，菇房二氧化碳濃度控制在527～600μmol/mol的范圍內，在誤差允許范圍內。

在羊肚菌栽培試驗的過程中，菇房溫度設置為18℃，溫度偏差值設為1℃，在空調加熱模式下，理論上菇房溫度應該調控在17℃～18℃，實際為17℃～18.4℃，最大偏差0.4℃；在空調制冷模式下，理論上菇房溫度應該調控在18℃～19℃，實際為17.1℃～19℃，最大偏差0.9℃。菇房濕度設置為85%～90%，實際為85%～94%，最大偏差4%。菇房二氧化碳濃度設置為550～600μmol/mol，實際為527～600μmol/mol，最大偏差32μmol/mol。

5 結論

1）針對食用菌工廠化栽培的環境要求如溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強度等因子進行詳細的調研，圍繞小氣候動態變化條件下環境控制策略和系統開展了研究，設計了多因子協同調控模型和算法，實現菇房環境的精準調控。

2）以羊肚菌為例，進行室內栽培試驗，結果表明：空調在加熱模式下，菇房溫度控制偏差小于0.4℃；空調在制冷模式下，菇房溫度控制偏差小于0.9℃；菇房濕度控制偏差小于4%；菇房二氧化碳濃度控制偏差小于32μmol/mol。上述指標均滿足羊肚菌工廠化栽培的菇房環境要求，采用多因子協同調控算法可以保證菇房各環境因子平穩地運行在設定區間范圍。

3）本文設計的食用菌菇房環境因子精準調控系統具有廣泛的應用前景，不僅能較好地應用在羊肚菌的工廠化栽培過程中，通過簡單的參數調整也能應用于海鮮菇、香菇等其他的食用菌品種。

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