基于物聯網技術的食用菌“數智”遠程預警監控系統及應用研究

葉 雷，李小林，張 波，楊學圳，譚 偉

（1. 四川省食用菌研究所，四川 成都 610066；2. 四川農業大學 資源學院，四川 成都 611130）

0 引 言

我國是食用菌生產和出口大國，食用菌產量、產值僅次于糧食、蔬菜、果品、油料，居于種植業第五位，已成為農民增收和脫貧攻堅的特色支柱產業，它既是菜籃子的重要組成，也是保健品、健康食品開發關注的熱點。我國是世界上最早進行食用菌栽培的國家之一，目前作為商品栽培的食用菌有60 多個種類[1]，實現規模化生產的約30 多個種類，生產發展水平不一，栽培模式多樣共存。據中國食用菌協會官方統計，2020 年我國食用菌產量、產值分別超過4 000 萬噸和3 400 億元，涉及28 個省（直轄市、自治區），其中排名前七位的菇種依次為香菇、黑木耳、平菇、金針菇、杏鮑菇、雙孢蘑菇和毛木耳，它們占到了全國產量的83.97%[2]。金針菇、杏鮑菇基本已經實現工廠化生產，而香菇、黑木耳、平菇、雙孢蘑菇和毛木耳基本仍采用傳統農業式生產，農戶作坊式分散生產占據主導地位，種植過程具有勞動強度大、繁瑣和“憑經驗辦事”的特點，常引發高溫熱害、干旱、污染、病蟲害、“死種”、“燒菌爛棒”、“流耳”、子實體干死或澇害等一系列生產問題，導致種植戶遭受大量損失。如何有效預判災情發生實現防災減災也是廣大菇農的一致愿望。

早在1999 年被提出的物聯網概念，是基于互聯網技術實現“物”與“網”互連、物與物之間和互聯網間的信息交流，達到“人”“機”“物”有效交流，實現物的智能化感知、識別、定位和管理等[3-4]。將物聯網技術運用到食用菌智能生產中，是促進食用菌高質量生產的重要技術之一[5-8]，是實現食用菌智能生產的全新模式，能夠提升食用菌生產水平，預防生產過程災害，進而保障食用菌產業健康發展。我國食用菌仍將長期處于農業式生產階段，開展食用菌傳統栽培模式與數字技術的結合，有利于我國食用菌產業進步，提檔升級。

1 物聯網在食用菌“數智”遠程預警監控系統中的應用框架

物聯網實現了“萬物互聯”[9]。在食用菌“數智”遠程預警監控系統中，智能控制模塊實現了各類感知數據的智能化采集、記錄、管控和預測，對環境二氧化碳濃度、相對濕度、溫度、光照強度等食用菌生長環境參數進行智能預警監控，確保環境參數能滿足食用菌生長要求，實現防災減災。用戶端借助通信網絡通過電腦PC 端或智能手機APP 客戶端，可以實現的功能包括：一是實現對食用菌生長環境參數的“看數”；二是實現對食用菌生長環境因子和氣候環境的“預警”；三是實現視頻遠程管控食用菌生長情況；四是實現食用菌生長環境溫度、濕度等參數因子的智能控制；五是借助平臺實現與專家和技術能手直接交流栽培技術，獲得技術指導、最新科技成果（品種）、共性技術交流、生產和栽培技術等。無論用戶在何時何地都能借助網絡實現“人”“機”“物”信息交換與通信，達到物的智能化感知、定位、監控與管理，實現用戶、專家、技術能手的精密協作。在食用菌“數智”遠程預警監控系統中物聯網系統應用架構由感知模塊、網絡層和應用層組成，實現三者有機連接互通，如圖1 所示。

圖1 食用菌“數智”遠程預警監控系統應用框架模式

1.1 感知模塊

感知模塊利用各種傳感器設備實現對食用菌生長環境參數的感知、測定、傳送和調節，并均可與基站無線網絡通信實現數據“上網”。食用菌生長環境（除基質營養條件、pH、C/N、基質水分外）主要外部參數有溫度、濕度、光照和二氧化碳濃度。如圖2 所示，感知模塊主要有網絡基站、溫度傳感器（可外接傳感器（棒），測量范圍為-10 ～60 ℃，誤差≤0.5 ℃）、濕度傳感器（測量范圍為0%～100% RH，誤差≤4% RH）、二氧化碳濃度傳感器（測量范圍為0～50 000 mg/L，誤差≤5% FSD）、光照傳感器（0 ～50 000 lx，誤差≤±4%）、網絡攝像機、噴水控制電磁閥、水流量電磁閥、水位傳感器（含探頭）以及其他個性化功能設備（網絡卷簾機、百葉窗、網絡通風機、自動遮陽網等）。感知模塊硬件組件各子模塊均可采用弱電系統，在實現各模塊信號穩定的同時，延長使用期限。系統性設計各感知模塊實現了食用菌生長環境的實時查看、記錄反饋。傳感器是低功耗設備，內置電池可管3 年，農戶/農場主無須考慮接電、電費問題。

圖2 部分感知模塊組件

1.2 網格模塊

網絡層主要由基站網絡、通信網絡、網絡服務平臺等組成。各種感知模塊將食用菌生長環境監測數據無線傳輸到基站，并借助網絡傳輸到服務平臺，經平臺加工處理傳送到應用模塊，實現用戶終端預警、提示。在食用菌“數智”遠程預警監控系統中網格模塊起著非常重要的中間橋梁作用，負責大量的數據存儲任務、終端服務工作和數據能力響應協調調用等，是本研究系統的最核心組成部分。網絡服務平臺除了向用戶端提供感知模塊預警、提示外，還能實現個性化服務，如提供“菌事”管理月歷：用戶可在終端查看專家或平臺提供的食用菌生產注意事項（圖文、視頻、語音）。災害或極端天氣預警消息推送：大風、冰雹、大雨等災害天氣多方式（短信、推送消息）主動預警通知用戶預防災害。數字廣播：每日播報行業政策、價格銷售走勢、新聞、生產指導、天氣預報、防災預警等。食用菌生長預警、害蟲預警：平臺預制食用菌生長模型，監測到溫度、濕度、二氧化碳濃度等環境參數超過用戶自定或平臺食用菌適宜生產范圍，則向用戶端預警。還可通過高清攝像機畫面捕捉以及根據平臺算法，對食用菌生長環境中的害蟲進行預警提醒。

1.3 應用模塊

應用模塊主要包括用戶“看數”、“預警”、視頻及控制管理功能。一是數據快看。對于食用菌生長環境的光、溫、水、氣等參數，用戶通過視頻的遠程PC 端或智能手機APP 客戶端快速看，隨時掌握生產環境情況。二是異常主動預警。平臺將實時數據與專家、技能能手提供的種植算法庫閾值匹配，如果溫、光、水、氣監測值超過閾值，手機主動預警通知農戶，并提供處理參考辦法，同時提供平臺入駐專家信息，以尋求幫助。三是生產環境遠程控制。用戶端通過網絡視頻實時查看食用菌現場情況，并根據實時環境參數和平臺參考數據進行預判，根據需要進行遠程噴水（霧）、通風、升降溫、調光等控制，實時記錄呈現過程數據，實現數據多跑路、農戶少跑腿、一機在手，線上看數，生產無憂。

2 食用菌“數智”遠程預警監控系統的應用研究

2.1 在食用菌發菌期的應用

目前全部人工栽培的食用菌在菌絲發菌期間都不需要光照，因為光照會促進菌絲從營養生長向生殖生長的轉變和引起菌絲老化、分泌色素等。在人工栽培食用菌菌絲生長階段，種植戶更關心的是生長環境溫度、濕度、二氧化碳濃度。由高溫引起香菇、木耳、平菇、杏鮑菇等食用菌“燒菌爛棒”[10]的事情常有發生；高溫高濕環境更是不利于食用菌的發菌，不僅會引起“燒菌”，還會引起大面積的料袋污染，帶來嚴重經濟損失；食用菌都是好氧真菌，除金針菇等生長環境要求較高二氧化碳濃度外，幾乎人工栽培食用菌在發菌階段都需要通風良好，若通風不良將導致菌絲長勢弱、長速慢[10]。食用菌“數智”遠程預警監控系統在食用菌發菌期的應用能夠解決發菌期“燒菌爛棒”問題，為種植戶更好地掌握發菌環境情況提供新方案，避免高溫、高濕、高二氧化碳等不利情況發生，通過溫度、濕度、二氧化碳、光傳感器等設備對發菌環境進行監測預警，實現防災減災。

2.2 在食用菌出菇期的應用

食用菌出菇期與發菌期是兩個完全不同的階段。出菇期重在對環境濕度、溫度、光照強度、二氧化碳濃度等參數的適應性控制。食用菌“數智”遠程預警監控系統的感知模塊設計了溫度傳感器、濕度傳感器和光照傳感器，對食用菌出菇期環境參數進行監測預警和控制，當環境某單一或多一參數不滿足食用菌出菇要求時，對用戶端提供預警和解決方案。具體來說，是通過傳感器監測環境參數數據，當數據異常時，向用戶端推送數據異常預警信息，提供控制或解決方案，從而達到對溫度、濕度、二氧化碳濃度等參數的追溯、預警和提醒。對于水分的控制，還能根據環境濕度監測數據，通過遠程的噴水控制電磁閥、水流量電磁閥和實時視頻，實現出菇期的遠程澆水，還可以實現遠程通風、調光等控制，達到減少生產勞動力、提高栽培效益的目的。

2.3 在大數據預測中的應用

本研究設計的食用菌“數智”遠程預警監控系統在大數據預測中的應用主要體現在食用菌生長環境蟲害測報和極端氣象的預警。在食用菌生長環境病蟲害測報方面，通過高清攝像機畫面捕捉，對害蟲進行拍照和基數記錄；并借助平臺害蟲形態學分析和大數據算法，對食用菌生長環境害蟲（菌蠅菌蚊等）種類和數量進行判斷、預警，向用戶終端提供蟲害防控相關信息，同時推送提醒信息給同類菇種植戶，生成蟲害識別報告。在極端氣象的預警方面，主要是關注當前官方氣象發布數據和往年氣象數據，并結合菇種的生長環境因子參數閾值進行氣象預判的一種方案，如對冰雹、大風、高溫等極端天氣的提前預警。

3 食用菌“數智”遠程預警監控系統的發展策略

在數字信息化環境下，構建食用菌“數智”遠程預警監控平臺，需要采取有效的措施，主要體現在發揮政府引導作用、健全系統設施體系、培養菌類信息技術人才和降低用戶成本方面，這有利于促進食用菌產業技術和信息化的發展。食用菌“數智”遠程預警監控系統切實可實現食用菌生產過程的預警、監測和控制，在食用菌主產區應大力推廣，政府應積極引導和引進，提供必要的政策支持和優惠，引導種植戶使用前沿科技信息，鼓勵種植戶健全系統設施體系，享受科技和信息化帶來的便利，從而使得市場逐步擴大，系統應用普及，用戶使用成本也會得到極大的降低，符合種植戶預期。專家、技術隊伍要跟上服務，培養本土技術人才，切實為種植戶排憂解難，防災減災，降低損失。

4 結 語

本文設計的食用菌遠程預警監控系統符合我國當下食用菌產業實際和發展需求，能夠實現食用菌生長環境數據的監測、記錄、可視化，并對環境溫度、濕度、光照、二氧化碳等參數指標進行適應性控制，以滿足食用菌種植需求，提高了食用菌生產管理水平和效率，達到了防災減災的目的。該系統可擴展應用到食用菌生產、銷售等全過程，以及類似的農業行業，對我國智慧鄉村建設具有較強參考價值。