楊際偉 張福山 姚鋼?dān)?/p>

摘 要：根據(jù)銀耳栽培管理的技術(shù)要求，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)與云服務(wù)技術(shù)，經(jīng)系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)與優(yōu)化，研制了一套銀耳栽培物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控技術(shù)。經(jīng)技術(shù)測試的結(jié)果表明，該監(jiān)控系統(tǒng)可以對銀耳栽培環(huán)境的空氣溫度、空氣濕度、栽培基質(zhì)溫度、栽培基質(zhì)濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度進(jìn)行智能化監(jiān)控，準(zhǔn)確、穩(wěn)定、實用，有助于生產(chǎn)者對銀耳栽培實現(xiàn)精準(zhǔn)化管理，提高銀耳栽培的生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：銀耳;栽培環(huán)境;物聯(lián)網(wǎng);智能監(jiān)控

中圖分類號 TP237文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2020）07-0141-03

Abstract：According to the characteristics of tremella cultivation of growers， combined with the internet of things technology and cloud services technology， a IOT –based environmental monitoring system of tremella cultivation was designed after system design， configuration and optimization of hardware subsystem， development of software subsystem. Technical tests showed that this system was accurate， stable and practical on the intelligent surveillance for the air temperature， air humidity ， substrate temperature and humidity of tremella cultivation， light intensity， carbon dioxide. It can help farmers to achieve precise management of tremella cultivation， improve the efficiency of tremella cultivation.

Key words：Tremella， cultivation environment， IOT，intelligent monitoring

銀耳（Tremella fuciformis Berk.）又名白木耳、雪耳，是我國著名的食藥兼用菌[1]。福建省古田縣是全國袋栽銀耳的發(fā)源地和主產(chǎn)區(qū)，是“古田銀耳”的原產(chǎn)地域，目前古田縣銀耳產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的95%以上，世界銀耳總產(chǎn)的80%以上[2]。

銀耳栽培整個生產(chǎn)周期僅35～40d，其栽培與環(huán)境的關(guān)系極為密切，對生產(chǎn)環(huán)境的敏感性強(qiáng)。古田縣銀耳生產(chǎn)方式主要以規(guī)模較小的家庭作坊式栽培為主。農(nóng)戶在銀耳生產(chǎn)過程中，對環(huán)境條件的調(diào)控手段比較有限，需要長時間在栽培房進(jìn)行觀察，側(cè)重對空氣溫度的觀測，僅憑經(jīng)驗進(jìn)行人工噴霧及開窗通風(fēng)，觀測不連貫、調(diào)控不準(zhǔn)確。一旦遭遇氣候變化，如果管理不及時，常常出現(xiàn)銀耳發(fā)育不良、畸型、病害等情況，甚至2～3h內(nèi)就可能出現(xiàn)大量生理性病變，導(dǎo)致栽培失敗[3]。因此，科學(xué)調(diào)控栽培環(huán)境已成為了銀耳生產(chǎn)發(fā)展的關(guān)鍵問題。

為此，筆者根據(jù)銀耳栽培管理的技術(shù)需求，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)，研究設(shè)計了一套銀耳栽培物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控技術(shù)，旨在為提高菇農(nóng)銀耳栽培的精準(zhǔn)管理水平，提升菇品等級，減輕菇農(nóng)的勞動強(qiáng)度，降低銀耳生產(chǎn)風(fēng)險。

1 銀耳栽培的環(huán)境因素

1.1 溫度 空氣溫度和栽培基質(zhì)溫度直接影響著菌絲的生長和子實體的發(fā)育。在銀耳栽培過程中，空氣溫度受通風(fēng)或制冷等因素的影響變化快，栽培基質(zhì)溫度的變化具有滯后性。因此，監(jiān)測并分析空氣溫度和栽培基質(zhì)溫度，具有很好的生產(chǎn)指導(dǎo)意義。銀耳在不同的生長階段對溫度的要求不同，接種后的前15d為發(fā)菌階段，銀耳混合菌絲（銀耳純菌絲與香灰菌絲）在18～28℃能正常生長，以23～26℃為適;發(fā)菌階段前3d，可提高溫度至28℃搶溫發(fā)菌，之后控溫25℃，以促進(jìn)菌絲發(fā)育;出耳期，室溫控制在23℃;子實體展片期，室溫控制在25℃最佳;采收前7d，溫度控制在20～23℃。

1.2 濕度 濕度是銀耳生長發(fā)育過程中重要的影響因子，一旦超出適宜的濕度閾值，則不利于銀耳的生長發(fā)育，或引起爛耳，影響產(chǎn)量與品質(zhì)。銀耳不同的生長階段，對濕度的要求不同。接菌種時，栽培基質(zhì)的含水量要求控制在60%～65%。生產(chǎn)階段，主要靠空氣加濕的方式來調(diào)節(jié)空氣濕度;發(fā)菌階段空氣濕度不易超過70%;出耳期，空氣濕度85%～93%，子實體展片期空氣濕度控制在90%～95%;銀耳采收前停濕造型，濕度控制在80%～85%。目前，銀耳栽培管理上只對接種時栽培基質(zhì)水分含量作出要求。在銀耳栽培過程中，栽培基質(zhì)水分含量的變化及其與空氣濕度的相關(guān)性，對銀耳產(chǎn)出的影響尚未見研究報道。將栽培基質(zhì)濕度作為監(jiān)測指標(biāo)具有一定的科研價值。

1.3 CO2濃度 銀耳為好氧真菌，菇房通風(fēng)不良會導(dǎo)致菇房內(nèi)氧氣不足，CO2濃度偏高，進(jìn)而影響到銀耳子實體展片，朵型不好甚至出現(xiàn)畸形。目前，生產(chǎn)上菇房通風(fēng)主要集中在出耳期至成熟期，頻次為每天3～4次，每次20～30min。CO2濃度在菌絲生長階段以0.03%～0.04%為最適;出耳階段0.04%為適;子實體發(fā)育階段0.06%為適;成熟采收階段維持在0.03%最適[4]。監(jiān)測菇房CO2濃度，調(diào)控通風(fēng)換氣設(shè)備開關(guān)，實現(xiàn)CO2濃度的超限預(yù)警與調(diào)控，有利于進(jìn)一步優(yōu)化銀耳栽培環(huán)境，促進(jìn)銀耳栽培技術(shù)的提升。

1.4 光照強(qiáng)度 光照是影響食用菌生長發(fā)育不可或缺的因素。光照的作用機(jī)制是復(fù)雜的，既能促進(jìn)食用菌的生長發(fā)育，又可抑制食用菌的生長發(fā)育[5]。在銀耳子實體生長階段，利用自然散射光或低光照適當(dāng)補(bǔ)光，光照強(qiáng)度在400～500lx能夠促使耳片增厚，色澤潔白，提高銀耳品質(zhì)。成熟采收期，光照強(qiáng)度500～600lx最適[4]。監(jiān)測光照強(qiáng)度并適時調(diào)控，有利于進(jìn)一步提高銀耳的生產(chǎn)技術(shù)水平。

2 銀耳栽培環(huán)境監(jiān)測方法

2.1 監(jiān)測對象 根據(jù)上述分析，本研究確定空氣溫度、空氣濕度、栽培基質(zhì)溫度、栽培基質(zhì)濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度等6個環(huán)境參數(shù)作為銀耳栽培環(huán)境的監(jiān)測對象。這6個環(huán)境參數(shù)是銀耳生長過程的關(guān)鍵因素，監(jiān)測這些參數(shù)的變化情況并及時發(fā)出預(yù)警信息，對于銀耳栽培精準(zhǔn)管理具有直接的指導(dǎo)作用。

2.2 監(jiān)測范圍和頻率 目前，古田菇農(nóng)栽培菇房為磚墻結(jié)構(gòu);房屋結(jié)構(gòu)為長方形，長10～12m，高3.5～4m，1條通道的菇房寬3.3m，布2排栽培架，栽培面積220～320m2;2條通道的菇房寬4.4m，布3排栽培架，栽培面積270～400m2。1個菇房選擇1個適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)立1個環(huán)境監(jiān)測點即可反映整個菇房環(huán)境溫濕度變化情況?？諝鉁囟扰c空氣濕度變化快，波動較大，采集頻率以這2個參數(shù)確定。根據(jù)測試，空氣溫度與空氣濕度在20min以內(nèi)波動幅度較小（≤±5%）。

3 系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計遵循物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基本構(gòu)架分為感知層、傳輸層、應(yīng)用層。采用智能監(jiān)測、預(yù)警與專家決策相結(jié)合的技術(shù)路線，通過實時監(jiān)測銀耳栽培菇房的6個環(huán)境參數(shù)，運用云服務(wù)技術(shù)，為菇農(nóng)提供及時準(zhǔn)確的溫濕度監(jiān)測與預(yù)警信息及遠(yuǎn)程電氣控制;同時，對接氣象部門相對精準(zhǔn)的氣象數(shù)據(jù)（菇農(nóng)可以接收到定位點最近氣象站發(fā)報的氣象信息），做到預(yù)警、預(yù)判并提前采取措施。技術(shù)系統(tǒng)如1所示。

4 硬件的配置與優(yōu)化

設(shè)計的硬件子系統(tǒng)包含智能監(jiān)控主機(jī)（具有采集、傳輸、控制等功能）、天線、4G無線路由器（或SIM卡通訊模塊）、空氣溫度傳感器、基質(zhì)溫度傳感器、空氣濕度傳感器、基質(zhì)濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、電源適配器、內(nèi)置鋰電池、聲光報警器、信號增強(qiáng)天線等組成的硬件子系統(tǒng)，并根據(jù)銀耳栽培管理需求進(jìn)行了技術(shù)優(yōu)化。對技術(shù)硬件的要求是結(jié)構(gòu)緊湊、裝配簡單、經(jīng)濟(jì)實用：一是各組配件能夠穩(wěn)定運行，信息監(jiān)測與傳輸準(zhǔn)確，尤其是環(huán)境參數(shù)監(jiān)測傳感器，要能夠適應(yīng)銀耳菇房高濕的環(huán)境;二是一套設(shè)備能夠同時監(jiān)控多間菇房（每間菇房至少布置一組傳感器，每組傳感器包括上述6個環(huán)境參數(shù)監(jiān)測傳感器）;三是采用無線傳感器，ZigBee組網(wǎng)，最多容納254個傳感器。古田銀耳菇房為聯(lián)排式，每排菇房有2～6間甚至更多。設(shè)計一套設(shè)備同時監(jiān)控6間菇房，不僅在硬件結(jié)構(gòu)上更加緊湊，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較好;應(yīng)用上也能減少繁瑣的布線拉網(wǎng)，采收后方便菇房的清理整修工作。

4.1 傳感器的配置與選擇 溫度傳感器選擇不銹鋼封裝的NTC熱敏電阻傳感器，該傳感器可同時應(yīng)用于空氣溫度與栽培基質(zhì)溫度的監(jiān)測。NTC熱敏電阻傳感器的原理是將溫度變化轉(zhuǎn)為電壓變化，信號放大后經(jīng)AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸給主機(jī)處理[6]。

空氣濕度傳感器選擇霍尼韋爾型板載式傳感元件，采用激光微調(diào)設(shè)計，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、低漂移的特點。該傳感器為模擬量型，需經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后遠(yuǎn)程傳輸[7]。在銀耳生產(chǎn)過程中，空氣濕度需要長期保持在很高的水平，而使用空氣濕度傳感器存在傳感器易冷凝影響測量精度的問題，嚴(yán)重時還會損壞傳感器?？諝鉂穸葌鞲衅鲀?nèi)置于定制的百葉箱中，并內(nèi)置5V風(fēng)扇，由單片機(jī)上集成的微型時間控制器下達(dá)指令每間隔10min開啟5min，即保證百葉箱內(nèi)外空氣溫濕度一致，又可去除結(jié)露。

基質(zhì)濕度傳感器采用離子導(dǎo)電電阻型傳感器，敏感元件為濕敏電阻。濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋感濕材料膜，水分含量發(fā)生變化會影響電阻值，進(jìn)而測量含水率。對基質(zhì)濕度傳感器進(jìn)行優(yōu)化，通過使用小尺寸傳感器和高阻值電阻膜，改善傳感器在應(yīng)用中的電流損耗，提高準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性。

CO2濃度傳感器為氣敏型傳感器，在菇房中使用可能出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，影響測量的精度及傳感器的壽命，而且未做防護(hù)的傳感器在實際應(yīng)用過程中精度的長期穩(wěn)定性較差，需要防護(hù)處理并及時校對探頭?？蛇x擇紅外吸收型CO2傳感器，此類傳感器是基于氣體的吸收光譜隨物質(zhì)的不同而存在差異的原理制作而成的，具有靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、不易結(jié)露等優(yōu)點。

光照強(qiáng)度傳感器采用光敏電阻型傳感器，該類型傳感器靈敏度高，體積小，重量輕，性能穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)性好。光敏電阻型光照強(qiáng)度傳感器雖然易受溫度影響，但菇房生產(chǎn)環(huán)境溫度并不高，且銀耳生產(chǎn)周期內(nèi)溫度變化幅度不大，因此，此類傳感器較為適用。

4.2 智能監(jiān)控主機(jī)的配置與優(yōu)化 每一臺智能監(jiān)控主機(jī)設(shè)有唯一的ID識別號碼，用于設(shè)備的添加、轉(zhuǎn)移、刪除、定位等管理。主機(jī)具有數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸、接收于下達(dá)遠(yuǎn)程指令等功能。傳感器均采用防水航空接頭，方便菇農(nóng)根據(jù)使用需求靈活調(diào)整。主機(jī)自身具備不少于10萬組的數(shù)據(jù)存儲功能，當(dāng)通訊信號異常時，數(shù)據(jù)先在主機(jī)存儲，恢復(fù)正常運行后集中上報服務(wù)器。每間菇房配置1個聲光報警器，方便菇農(nóng)更直觀的現(xiàn)場應(yīng)急響應(yīng)。主機(jī)內(nèi)置22400mA鋰電池，作為應(yīng)急電源可續(xù)航6h以上。主機(jī)配電容式觸摸屏165cm×114cm，主要顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)、電氣啟閉狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置、通訊信號、日期與時間、報警情況等，主機(jī)整機(jī)大小45cm×35cm×20cm，上線速度快，開機(jī)后5min即可在線查看數(shù)據(jù)。

5 軟件子系統(tǒng)的開發(fā)

根據(jù)銀耳栽培物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)功能實現(xiàn)的要求，軟件子系統(tǒng)即銀耳栽培智能監(jiān)控云平臺信息管理系統(tǒng)（簡稱云平臺），包括電腦客戶端web版軟件與手機(jī)客戶端APP軟件。電腦客戶端為管理員應(yīng)用平臺，采用Tomcat+Java+MySQL構(gòu)成3層式Web結(jié)構(gòu)，具有良好的擴(kuò)展性和解耦性。手機(jī)客戶端為菇農(nóng)應(yīng)用平臺，基于安卓操作系統(tǒng)，采用H5技術(shù)開發(fā)，上線快速、穩(wěn)定。

電腦客戶端由管理員使用，完成對云平臺及菇農(nóng)賬號的管理。電腦客戶端除具有手機(jī)客戶端的所有功能外，還具備以下功能：管理菇農(nóng)賬號，添加、刪除、轉(zhuǎn)移產(chǎn)品，管理項目，導(dǎo)出監(jiān)測數(shù)據(jù)，添加或刪除菇農(nóng)聯(lián)系用手機(jī)號碼，設(shè)置數(shù)據(jù)推送頻率、記錄頻率等。

菇農(nóng)通過手機(jī)客戶端實現(xiàn)銀耳栽培環(huán)境的智能監(jiān)控、設(shè)備管理等功能：查看菇房相關(guān)設(shè)備的運行情況，查看環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)的實時數(shù)據(jù)，獲得報警信息，進(jìn)行環(huán)境調(diào)控;分析歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，調(diào)整栽培管理技術(shù);設(shè)置銀耳生產(chǎn)周期及不同生產(chǎn)階段，備注菇房、主機(jī)及傳感器名稱;設(shè)置環(huán)境監(jiān)測參數(shù)報警閾值;通過調(diào)整“+”、“-”參數(shù)以校正傳感器，利于提高傳感器的準(zhǔn)確性，延長傳感器的使用壽命;接收專家數(shù)據(jù)庫給出的生產(chǎn)技術(shù)指導(dǎo)，如不同生產(chǎn)階段的病蟲害防治要點等;接收精準(zhǔn)推送的局域氣象預(yù)警信息，方便菇農(nóng)及時進(jìn)行預(yù)判與處置。

云平臺通過多種監(jiān)測預(yù)警方式確保監(jiān)測預(yù)警信息有效送達(dá)：手機(jī)客戶端與電腦客戶端推送彈窗信息，向綁定的聯(lián)系人發(fā)送短信或撥打電話，通過微信小程序推送消息等。其中，撥打電話的信息推送方式需要選擇具有SIM卡通訊模塊的智能監(jiān)控主機(jī)，可設(shè)置5個聯(lián)系人手機(jī)號碼，云平臺根據(jù)預(yù)警處理情況依次撥打。云平臺同步開發(fā)微信小程序，綁定菇農(nóng)賬號后，菇農(nóng)可以在微信上查看、接收監(jiān)測、預(yù)警信息，更加方便實用。

6 系統(tǒng)的功能實現(xiàn)

經(jīng)技術(shù)測試，銀耳栽培物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)具有準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性與實用性，系統(tǒng)運行的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽妶D2。

7 結(jié)語

本研究應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云服務(wù)技術(shù)，設(shè)計了一套銀耳栽培物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控技術(shù)系統(tǒng)，對于降低生產(chǎn)風(fēng)險、提高銀耳生產(chǎn)效率、增加菇農(nóng)收入有著直接的促進(jìn)作用。同時，數(shù)據(jù)中心的菇房信息數(shù)據(jù)庫為研究人員提供了大量的技術(shù)數(shù)據(jù)，有助于開展銀耳栽培技術(shù)研究，具有良好的技術(shù)推廣前景。

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（責(zé)編：張宏民）