基于物聯網技術的日光溫室食用菌栽培研究進展

席雪琴 崔玉萍

摘? ? 要：食用菌營養豐富、經濟價值高，具有廣闊的市場前景。我國的食用菌產業發展迅速，但存在設施簡陋、管理粗放、專業技術人才缺乏等問題。國內外日光溫室農業物聯網技術在環境信息的實時監測、遠程監控和自動化管理等方面取得很大成果，建立基于物聯網技術的食用菌栽培日光溫室終端控制技術，將推進食用菌從種植到收獲的全過程信息化，有效解決食用菌栽培“光、溫、水、氣、肥”等精準管理問題，提高食用菌的產量與質量。基于此，文章概述了我國食用菌產業基于物聯網技術的日光溫室栽培現狀，旨在為推動食用菌產業的發展提供理論基礎，以供參考。

關鍵詞：食用菌栽培；日光溫室；環境因子；物聯網

文章編號：1005-2690（2023）10-0136-03? ? ? ?中國圖書分類號：F326.13? ? ? ?文獻標志碼：A

基金項目：武威市科學技術局2022年度第二批市級科技計劃項目“基于物聯網的食用菌日光溫室終端控制研究與應用——以武威市為例”（WW2201RPZ023）。

作者簡介：席雪琴（1988—），女，漢族，甘肅武威人，碩士，講師，研究方向為食品科學。

我國是世界上最早栽培食用菌的國家，也是最大的食用菌生產國。食用菌栽培有著突出的優勢，例如利用作物秸稈等農林生產邊角料為主要原料，實現了廢物利用，既保護了環境又創造了經濟價值[1]；食用菌種植不受氣候、季節和空間的限制，生長周期短且產量高，只要栽培條件適合，根據市場的供求和生產周期就能隨時安排培育時間；食用菌富含高蛋白、低脂肪和人體所需多種氨基酸和微量元素，其營養價值與肉、蛋、奶不相上下。

食用菌產業對農業物質循環利用和生態平衡作用重大，具有明顯的經濟效益和社會效益，市場前景廣闊。近年來，我國食用菌產業發展勢頭強勁，在當前農業供給側結構性改革的背景下，食用菌在蔬菜供給方面發揮著重要的作用。由于氣候及資源等因素的影響，食用菌在我國發展狀況極不平衡，且隨著政策的影響，食用菌產業重心總體呈由沿海地區、東部地區向內地、中西部地區轉移的態勢[2]。目前，我國在食用菌栽培方面還存在以下問題。

專業技術人才缺乏，不能滿足產業發展技術支持需求；現有菌棚多為老棚改造，標準化栽培不能落實；種植戶、專業合作社等對食用菌栽培技術掌握不夠，管理比較粗放，使得食用菌質量參差不齊，經濟價值也不高[3]。

國內外日光溫室農業物聯網技術發展迅速，在環境信息的實時監測、遠程監控和自動化管理等方面取得很大成果[4]。科研人員已進行了大量的實踐探索，將農業物聯網技術與食用菌生產相結合，運用先進的日光溫室終端控制系統對食用菌栽培過程中的環境參數進行自動檢測和調節，以有效解決食用菌日光溫室培育過程中“光、溫、水、氣、肥”等精準管理問題，不僅提升了食用菌的生產效率和品質，還降低了人力及時間成本。

1 食用菌生長環境條件分析

環境條件對食用菌生長至關重要，不同生長階段的食用菌對環境需求各不相同。環境因素主要包括溫度、濕度、空氣成分、光照等，運用物聯網緊密聯合云計算技術，可嚴格把控食用菌生長環境要素，改善人工調控費時費力、精度不高等問題。

1.1 溫度

在食用菌栽培過程中，溫度會直接影響食用菌各階段的生長進程。我國食用菌資源豐富，目前已有350多種，由于生長在不同地區、不同生態環境，不同品種或同一品種的不同發育階段，適宜生長的溫度也不同，例如羊肚菌菌絲生長、子囊果分化、子囊果發育期的最適宜溫度分別為16～22 ℃、9～12 ℃、13～15 ℃[5]。因此，應根據不同菌種、不同生長階段，及時檢測菇房內外溫度并進行調控，以便精準管理。

1.2 濕度

食用菌生長需要大量水，大多數水分來自培養料，菇房需要保持一定的相對濕度，一般以80％～95％為宜，能減少培養料中水分的蒸發。適宜的濕度可促進子實體的分化和生長，根據不同菌種的不同生長階段采集和控制菇房內的空氣相對濕度，以有效實現提質增產。

1.3 空氣成分

食用菌為好氧性異養生物，菌絲生長需要充足的氧氣，同時對高濃度的二氧化碳反應敏感。菇農為培養特色品種，也會對空氣中氧氣和二氧化碳的比例進行調節。空氣成分傳感器采集的相關數據通過數據傳送反映給管理者，進行適時通風換氣，以獲得高產優質子實體。

1.4 光照

不同的菌種在不同生長階段對光照強度的需求也不同，有些菌類可以在無光或微光環境下生長，例如雙孢菇、大肥菇、茯苓；而大部分食用菌子實體的分化和生長發育都需要一定的散射光，栽培人員要根據不同的出菇條件，對菇房內的光照強度進行調節，才能得到色澤優、品質好、產量高的食用菌。

2 物聯網控制系統工作原理

物聯網由各種傳感器、數據采集器、傳輸器、計算機、用戶控制終端等構成。傳感器結合云計算技術對食用菌生長過程中每個階段的栽培環境參數如溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強度等每隔數秒采集1次，然后將采集的數據通過ZigBee技術、PCL進行傳輸，計算器將數據進行解析和實時處理并上傳與存儲，并根據存儲的數據開展相應的工作模式，系統調用子程序對執行系統發出相應的指令[6]。

用戶通過APP客戶端、微信服務平臺、手機短信、WAP網站等實時掌握日光溫室內小氣候環境的變化情況，并通過手機或者PC端對設備下發控制命令。用戶也可根據經驗設定適宜的環境參數，系統根據設定的環境變量，會自動控制新風系統、空調、LED燈、加濕器等調節和控制食用菌生長環境；還可根據特定菌種的生長要求進行食用菌生長環境因子的自動控制[7]。基于物聯網的日光溫室（終端）控制系統，根據食用菌栽培所需的性能指標技術規范和生產建議，實現日光溫室的精細化管理，使食用菌在適宜的環境下生長發育。同時，基于物聯網技術的遠程終端控制可實現對食用菌日光溫室的管理，特別是大風、極高溫、極低溫等突發災害性天氣來臨時，可同時操控幾十座甚至上百座日光溫室的卷放簾，以實現無人值守。

3 物聯網控制系統的設計與應用

3.1 環境參數采集

食用菌栽培環境參數采集主要通過無線傳感技術實現對溫度、光照等數據的無線監測。無線傳感技術通過結合計算機技術、傳感器技術和通信技術進行目標區域數據的采集、處理及傳輸。基于物聯網的食用菌栽培環境參數采集系統由多種智能傳感器構成，并按系統控制要求將采集的信息轉換成能被識別的信號進行上傳。已有專家學者通過相關技術使用相應的傳感器對二氧化碳、光照強度和溫度進行數據采集。

顧金花（2018）[8]用物聯網技術以及無線傳感技術對智能溫室進行深入研究，在基于IoT與WiFi的溫室智能控制系統研究與設計中，系統的感知層通過傳感器對溫室的環境變量進行檢測，將檢測的數據通過電路轉換成無線信號，通過ZigBee無線通信方式實現感知信息的傳輸與匯集，最終實現對整個溫室系統的監控與管理。

于航等（2021）[9]選用高品質的建大仁科品牌RS-GZ-N01型溫度、濕度以及光照度一體傳感器，監測數據精度較高。尹魁（2020）[10]選用美信公司的MAX6610型溫度傳感器檢測黑木耳室內栽培環境溫度。韓旭等（2022）[11]在香菇栽培中運用STM32（嵌入式單片機）處理器實現一個溫室中多點的氣體溫度、濕度、土壤濕度、光照強度等監測。

3.2 環境參數傳輸

環境參數傳輸系統通過ZigBee技術實現數據的傳輸與匯集，在此基礎上由以太網模塊進行自由通信協議數據的傳輸，工控機接收到對應的環境變量后再通過WiFi將數據傳遞到遠程服務器。云監測信息服務平臺的主要任務是將傳感器采集的環境參數匯總后存儲起來，并將數據進行分析處理，利用ZigBee技術結合無線傳感器網絡實現食用菌栽培環境參數監測數據傳輸[12]。利用ZigBee技術結合無線傳感網絡能夠有效實現食用菌栽培環境參數檢測系統數據傳輸，輔助系統食用菌栽培環境參數數據監控管理[13]，或將傳感器上報消息輸送到網關，網關接收并存儲數據，通過MQTT協議把環境數據傳送到阿里IoT平臺進行映射并存儲，再通過應用界面呈現給用戶[14]。

3.3 智能終端控制

食用菌生長對栽培環境要求較高，例如在食用菌生產階段，溫度要保持在8～30 ℃。冬季需做好保暖，夏季高溫可以通過遮蔽、通風、噴水等方式降溫，通風過程中風速不宜過高，也不能直吹向食用菌體。基于此，已有專家學者成功研發食用菌日光溫室專用的PLC可編程控制器，支持參數變更，既能控制大棚卷簾，也能控制氣窗，并且預留富裕接口用來控制光照及灌溉等。智能手機以及平板電腦等智能可移動終端與農業生產相結合的技術發展迅速，日光溫室遠程監控APP不僅實現了對日光溫室環境信息的實時監控功能，及時發布氣象災害預警信息及各類氣象信息，還可以根據溫室中種植的不同作物及其生長階段及時為用戶提供溫室管理方案。用戶可以根據已有的知識經驗，對食用菌栽培環境的溫度、濕度、光照強度、空氣成分進行定義，系統程序將自動根據用戶設定的環境變量讀取數據庫，通過控制LED燈、空調、加濕器、新風機等對環境條件進行控制。

3.4 遠程網絡監控

食用菌栽培中具體的生長狀況需要實時觀察，遠程網絡監控可以對食用菌栽培過程中的生長情況進行全天視頻監控，用戶通過手機、電腦等移動終端可遠程實時查看食用菌生長狀況，并根據權限實現多點監控，該功能是基于網絡和視頻信號傳輸技術，包括網絡型視頻服務器、高分辨率攝像頭[15]。用戶還可通過圖像識別發出采摘或管理措施調控指令，對食用菌生長過程中的環境因子進行檢測和調控，實現智能化管理。

3.5 智能預警

基于云計算的日光溫室智能預警系統能夠根據環境因素和食用菌生長態勢，智能預警多種警情，例如高溫、低溫、濕度、空氣中二氧化碳濃度等。管理人員根據實際情況結合監測器監測到的相關溫度、濕度等參數變化對數據進行分析后，得出不同菌種在不同生長階段所需要的環境參數，而在食用菌栽培過程中，當傳感器檢測到的參數超過設置的參數范圍時，警報主機將檢測到的數據上傳，通過手機客戶端反映給管理人員，避免發生安全事故[16]。

4 結束語

食用菌產業未來如何實現更高層次的發展，關鍵在于正視新發展理念給食用菌產業帶來的發展機遇，緊抓鄉村振興戰略政策，實現產業高質量創新發展目標。目前，我國食用菌產業總體存在專業技術人才缺乏、設備簡陋、管理比較粗放、出菇質量不理想等問題。運用農業物聯網先進技術和知識進行日光溫室食用菌栽培，與傳統的大棚種植、人工栽培相比，能夠有效解決食用菌日光溫室培育過程中“光、溫、水、氣、肥”等精準管理問題。通過APP客戶端、微信服務平臺、手機短信、WAP網站等實時掌握日光溫室內小氣候環境的變化情況，并根據日光溫室（終端）控制系統性能指標技術規范和生產建議，實現日光溫室的精細化管理。農戶與專家通過移動設備可隨時掌握食用菌生長的環境信息，及時管控，最大限度優化食用菌生長的環境條件。同時，由于食用菌種類多樣，急需結合專家及有經驗的農戶收集更多農技信息，以便給普通種植戶提供針對不同品種的不同決策方案。

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