楊際偉，蔡守平，陳玉珍，陳為雄，何學(xué)友

（1.福建省科技廳農(nóng)牧業(yè)科研中試中心，福建福州 350012；2.福建省林業(yè)科學(xué)研究院，福建福州 350012）

白僵菌（Beauveria bassiana）是一種寄主范圍廣、致病力強(qiáng)和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的昆蟲病原真菌，在松毛蟲（Dendrolimusspp.）等重要林業(yè)害蟲的防治中發(fā)揮重要作用。白僵菌易于工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)，白僵菌殺蟲劑是目前林業(yè)有害生物防治中應(yīng)用最廣泛的生物制劑之一，具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。

白僵菌的生產(chǎn)工藝有3種，即液體發(fā)酵、固體發(fā)酵和液固雙相發(fā)酵[4]。液固雙相發(fā)酵法運(yùn)用最多，即通過液體培養(yǎng)獲得白僵菌菌液（菌絲或芽生孢子），接種于固體培養(yǎng)基上進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵。液體培養(yǎng)階段較成熟；固態(tài)發(fā)酵階段多為人工或半機(jī)械化方式，受到發(fā)酵基質(zhì)、發(fā)酵容器和環(huán)境因素等多種因素的影響，且固態(tài)發(fā)酵為開放式培養(yǎng)，存在環(huán)境調(diào)控不到位、雜菌污染、發(fā)酵不充分、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、產(chǎn)孢量低及質(zhì)量不穩(wěn)定等問題[4]。

本研究根據(jù)白僵菌生長(zhǎng)特性及其在發(fā)酵過程中對(duì)環(huán)境的調(diào)控要求，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)（IOT）、云服務(wù)等技術(shù)，開發(fā)一套白僵菌固態(tài)發(fā)酵過程環(huán)境智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)能對(duì)白僵菌固態(tài)發(fā)酵過程的環(huán)境條件進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)、預(yù)警與調(diào)控，降低白僵菌污染率，提高產(chǎn)量與品質(zhì)。該系統(tǒng)的應(yīng)用有利于提升白僵菌生產(chǎn)效率，促進(jìn)生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。

1 白僵菌固態(tài)發(fā)酵對(duì)環(huán)境因素的要求

白僵菌固態(tài)發(fā)酵過程受環(huán)境因素影響，常見的環(huán)境因素有溫度和CO2濃度等。

1.1 溫度

白僵菌菌絲的生長(zhǎng)釋放大量熱量，改變空氣和固體培養(yǎng)料溫度，溫度的變化又會(huì)直接影響菌絲的生長(zhǎng)和孢子的形成[5]?？諝夂凸腆w培養(yǎng)料溫度間因熱量的傳遞相互影響。白僵菌固態(tài)發(fā)酵的不同階段對(duì)溫度各有要求，適應(yīng)期為24～26 ℃，快速生長(zhǎng)期為27～28 ℃，穩(wěn)定期為28～29 ℃[6]。

1.2 CO2濃度

CO2濃度是研究蟲生真菌固態(tài)發(fā)酵生物特性變化及生產(chǎn)周期、效率等的有效、準(zhǔn)確指標(biāo)[6-7]。白僵菌為好氧蟲生真菌，固態(tài)發(fā)酵過程中會(huì)產(chǎn)生大量的CO2，推高發(fā)酵空間CO2濃度。目前，關(guān)于CO2對(duì)白僵菌固態(tài)發(fā)酵影響的研究鮮有報(bào)道。

2 硬件設(shè)計(jì)與配置

硬件設(shè)計(jì)需滿足環(huán)境監(jiān)測(cè)與調(diào)控的要求。白僵菌固態(tài)發(fā)酵過程需要很高的空氣濕度，配置的元器件需有很好的防水、防銹性能，并需要有效措施解除高濕環(huán)境對(duì)元器件的干擾，保持硬件正常運(yùn)行。對(duì)發(fā)酵箱進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，滿足結(jié)構(gòu)與容積合理、箱體內(nèi)部空氣溫度與濕度相對(duì)均衡及保濕性能較好的要求。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備

物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備主要由控制主機(jī)與傳感器組成?？刂浦鳈C(jī)包括解碼器、可編程邏輯控制器（PLC）和多功能一體觸摸屏等，可實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)采集、轉(zhuǎn)換和交互以及客戶端指令的解析、下達(dá)和反饋（圖1～2）。解碼器采用電源數(shù)據(jù)共線傳輸技術(shù)，減少發(fā)酵箱布線；內(nèi)置Modbus RTU 協(xié)議，支持前端傳感器與環(huán)境調(diào)控設(shè)備的通信；支持9-24V 低壓開關(guān)量控制，滿足散熱扇、鼓風(fēng)機(jī)低壓輸出。傳感器包括空氣溫濕度傳感器、固體培養(yǎng)料溫度傳感器、CO2傳感器和網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)?？諝鉁貪穸葌鞲衅餍吞?hào)為HSTL-104WS。固體培養(yǎng)料溫度傳感器選用NTC熱敏電阻傳感器（型號(hào)：NTCALUG03A103G），不銹鋼封裝，熱導(dǎo)性與耐腐蝕性好[8]。CO2傳感器采用內(nèi)置式紅外吸收型傳感模塊，內(nèi)置微型通風(fēng)扇與時(shí)控繼電器相連，通過定時(shí)空氣流動(dòng)去除電子元器件表面結(jié)露，解決氣敏型傳感器因高濕結(jié)露引起的故障[9]。光照傳感器采用光敏電阻型（型號(hào)：HSTL-GZD），易受溫度影響，但通過本系統(tǒng)調(diào)控后白僵菌固態(tài)發(fā)酵過程中的環(huán)境溫度變化幅度小，因而適用性較好。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)在JJR-NETCAM-01A 型號(hào)基礎(chǔ)上定制近焦高清單反鏡頭，鏡頭具有納米防霧涂層。

圖1 白僵菌固態(tài)發(fā)酵過程物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備示意圖Fig.1 Technical structure diagram of IOT monitoring equipments for B.bassiana solid-state fermentation

PLC支持遠(yuǎn)程編程，實(shí)現(xiàn)云端編寫控制器程序。多功能一體觸摸屏對(duì)接云服務(wù)器，支持云透?jìng)?，方便設(shè)備遠(yuǎn)程檢修與固件升級(jí)；采用js技術(shù)，實(shí)現(xiàn)本地與遠(yuǎn)程客戶端操作界面同步，提高便捷性與用戶體驗(yàn)。

圖2 白僵菌固態(tài)發(fā)酵過程物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備與固態(tài)發(fā)酵箱Fig.2 IOT monitoring equipment and tank for B.bassiana solid-state fermentation

2.2 固態(tài)發(fā)酵箱

發(fā)酵箱結(jié)構(gòu)相對(duì)密封，保溫、保濕性能較好，長(zhǎng)寬高為1.5 m×0.8 m×2.3 m，箱內(nèi)左右兩列配備不銹鋼或塑料材質(zhì)培養(yǎng)盤，每列10 個(gè)，培養(yǎng)盤底部均勻打孔。將傳感器、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、散熱扇和鼓風(fēng)機(jī)安裝在發(fā)酵箱中。發(fā)酵箱內(nèi)部的上部中間裝入雙渦輪鼓風(fēng)機(jī)，頂板開孔安裝散熱扇，不啟動(dòng)時(shí)由百葉封閉。發(fā)酵箱內(nèi)部上、中和下3 個(gè)位置各安裝1組傳感器，每組傳感器包括1 個(gè)固體培養(yǎng)料溫度傳感器（置于培養(yǎng)盤中，關(guān)聯(lián)散熱扇）和1 個(gè)CO2濃度傳感器（懸空掛，關(guān)聯(lián)鼓風(fēng)機(jī)）。發(fā)酵箱內(nèi)部中部安裝網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)設(shè)備的主機(jī)安裝在發(fā)酵箱外側(cè)，發(fā)酵室內(nèi)安裝空氣溫濕度傳感器，關(guān)聯(lián)溫控設(shè)備。

2.3 環(huán)境監(jiān)控指標(biāo)與方法

因?yàn)榘l(fā)酵箱結(jié)構(gòu)相對(duì)密封，在短期固態(tài)發(fā)酵過程中，空氣濕度處于飽和狀態(tài)，不需要監(jiān)測(cè)。固態(tài)發(fā)酵過程升溫快速，空氣溫度監(jiān)測(cè)相對(duì)滯后，影響內(nèi)部調(diào)控，不再監(jiān)測(cè)發(fā)酵箱空氣溫度。白僵菌固態(tài)發(fā)酵過程中一直保持黑暗狀態(tài)。

基于上述分析，確定發(fā)酵室空氣溫度與濕度、發(fā)酵箱固體培養(yǎng)料溫度和CO2濃度4 個(gè)環(huán)境參數(shù)作為環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

固態(tài)發(fā)酵箱放置于發(fā)酵室，發(fā)酵室內(nèi)的溫控設(shè)備監(jiān)測(cè)發(fā)酵室空氣溫度與濕度，用于調(diào)整大環(huán)境中的影響因素。物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)固態(tài)發(fā)酵箱內(nèi)CO2濃度和固體培養(yǎng)料溫度，用于調(diào)整或研究小環(huán)境中的影響因素。經(jīng)發(fā)酵試驗(yàn)測(cè)試，空氣溫度與固體培養(yǎng)料溫度在30 min 內(nèi)波動(dòng)幅度較?。ā?%），因此各監(jiān)測(cè)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)定為1次∕30 min。

3 技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)構(gòu)架

遵從感知、傳輸和應(yīng)用的3 層物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)。通過前端傳感設(shè)備采集白僵菌生產(chǎn)環(huán)境的關(guān)鍵參數(shù)，數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換后集中定時(shí)傳輸，由云管理平臺(tái)存儲(chǔ)并分析數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程預(yù)警與環(huán)境調(diào)控管理（圖3）。

圖3 白僵菌固態(tài)發(fā)酵過程環(huán)境智能監(jiān)測(cè)預(yù)警示意圖Fig.3 Schematic diagram of intelligent monitoring and warning system for B.bassiana solid-state fermentation

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)為固態(tài)發(fā)酵過程中的智能調(diào)控云管理系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱云管理系統(tǒng)），包括電腦客戶端web 版軟件與手機(jī)微信小程序。

軟件設(shè)計(jì)遵循通用邏輯。系統(tǒng)開發(fā)操作系統(tǒng)平臺(tái)為Windows XP∕7∕10，服務(wù)器操作系統(tǒng)為Cen?teOS 7.6。文件存儲(chǔ)使用阿里OSS，支持多種類型圖片轉(zhuǎn)換預(yù)處理，保障用戶在線及時(shí)瀏覽圖片。服務(wù)端編程語言使用Java。系統(tǒng)開發(fā)關(guān)鍵邏輯層技術(shù)有：后端采用SpringBoot 技術(shù)，解決大量框架的版本沖突與不穩(wěn)定問題[10]；管理端操作頁面與PC 端編程語言采用Vue JavaScript 框架；UI 框架采用基于Vue 2.0 的Elementui；物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)對(duì)接與指令控制采用Empx 服務(wù)；小程序采用uni-app 框架。系統(tǒng)開發(fā)層結(jié)構(gòu)與部署層結(jié)構(gòu)如圖4 和圖5 所示，系統(tǒng)客戶端應(yīng)用模塊結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖4 白僵菌固態(tài)發(fā)酵過程環(huán)境智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of development layer of intelli?gent monitoring and warning system for B.bassiana solidstate fermentation

圖5 白僵菌固態(tài)發(fā)酵過程環(huán)境智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)部署層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of deployment layer of intelligent monitoring and warning system for B.bassiana solid-state fermentation

圖6 白僵菌固態(tài)發(fā)酵過程環(huán)境智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)功能模塊示意圖Fig.6 Structure diagram of functional modules of intelligent monitoring and warning system for B.bassiana solid-state fermentation

用戶界面主要操作功能有實(shí)時(shí)在線查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、接收預(yù)警信息、調(diào)閱及下載歷史數(shù)據(jù)、在線分析數(shù)據(jù)及遠(yuǎn)程下達(dá)調(diào)控指令等。同時(shí)具備用戶管理、設(shè)備管理和數(shù)據(jù)庫安全備份等功能（圖7）。

圖7 白僵菌固態(tài)發(fā)酵過程環(huán)境智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)PC端與微信小程序界面Fig.7 Interfaces of PC and WeChat mini program of intelligent monitoring and warning system for B.bassiana solid-state fermentation

4 系統(tǒng)測(cè)試

在發(fā)酵室中開展對(duì)比試驗(yàn)。設(shè)置兩個(gè)發(fā)酵箱，分別為不裝備物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控設(shè)備（1 號(hào)箱）和裝備并開啟物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控設(shè)備（2號(hào)箱）。2號(hào)箱內(nèi)，當(dāng)上部與下部CO2濃度差大于200 ppm 時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)啟動(dòng)；當(dāng)固體培養(yǎng)料溫度超過30 ℃時(shí)，散熱扇啟動(dòng)。菌種為球孢白僵菌（Beauveria bassianaBbFZ-51）菌株，由福建省林業(yè)科學(xué)研究院森林保護(hù)研究所提供。固體培養(yǎng)料由麥麩和谷殼組成，經(jīng)水高壓蒸汽滅菌處理。發(fā)酵室、發(fā)酵箱與培養(yǎng)盤使用前均預(yù)消毒。監(jiān)測(cè)96 h內(nèi)發(fā)酵室和固體培養(yǎng)料溫度及CO2濃度情況。

4.1 固體培養(yǎng)料溫度和CO2濃度變化情況

0 ～ 24 h，固體培養(yǎng)料溫度變化緩慢，與發(fā)酵室溫度基本一致；24 ～ 60 h，固體培養(yǎng)料溫度快速升高，說明此階段白僵菌增殖快，代謝產(chǎn)生的熱量快速積累，50 h 左右達(dá)到頂峰；60 ～ 96 h，固體培養(yǎng)料溫度緩慢下降，培養(yǎng)盤表面出現(xiàn)大量白色菌絲，說明此階段為菌絲快速生長(zhǎng)期（圖8a～b）。這與李尊華等[6]的研究結(jié)果基本一致。CO2濃度也呈現(xiàn)出相同的階段性變化規(guī)律（圖8c ～ d）。CO2濃度反映白僵菌繁殖過程呼吸代謝強(qiáng)度，與溫度變化有直接的相關(guān)性。

在48～60 h 高峰階段，1 號(hào)發(fā)酵箱上、中和下層的固體培養(yǎng)料最高溫度分別為30.2、31.2和26.0 ℃，呈現(xiàn)明顯的溫度梯度（圖8a）；上層CO2濃度最高值為6 662 ppm，下層CO2濃度最高值為3 395 ppm，為兩條差異明顯的曲線（圖8c）。2 號(hào)發(fā)酵箱上、中和下層的固體培養(yǎng)料溫度變化基本一致（圖8b），上、下層CO2濃度變化曲線也接近一致（圖8d）。說明開啟空氣內(nèi)循環(huán)與散熱系統(tǒng)，能有效地交換發(fā)酵箱內(nèi)上、下層氣體與熱量，使箱內(nèi)溫度（或熱量）與CO2濃度均勻。鼓風(fēng)機(jī)通過自上而下的氣體循環(huán)管道將頂部空氣交換至發(fā)酵柜底部，并左右分流。

4.2 空氣循環(huán)對(duì)白僵菌固態(tài)發(fā)酵質(zhì)量的影響

2 號(hào)發(fā)酵箱上、下層固體培養(yǎng)料中的白僵菌菌絲生長(zhǎng)較為均勻，呈現(xiàn)均勻的乳白色；1 號(hào)發(fā)酵箱下層培養(yǎng)盤中的白僵菌菌絲生長(zhǎng)不均勻，多盤邊緣沒有布滿菌絲，露出固體培養(yǎng)料（圖9）。說明均勻的空氣溫度與CO2濃度能促進(jìn)白僵菌均勻生長(zhǎng)，有利于生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化。

圖9 開啟空氣內(nèi)循環(huán)與散熱系統(tǒng)的優(yōu)化效果Fig.9 Optimization effect of turning on air internal circulation and heat dissipation system

5 討論

白僵菌生產(chǎn)方式有袋式或淺盤式等粗放生產(chǎn)方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低；或填充床式、脈動(dòng)發(fā)酵罐式等方式[11-12]，需較高資本投入；這些生產(chǎn)方式制約了白僵菌產(chǎn)品的推廣應(yīng)用。新研發(fā)的白僵菌固態(tài)發(fā)酵過程環(huán)境智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)能提高信息化與智能調(diào)控水平。通過合理設(shè)計(jì)發(fā)酵空間與發(fā)酵密度，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)發(fā)酵室空氣溫度、固體培養(yǎng)料溫度和CO2濃度等生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)；通過空氣內(nèi)循環(huán)與散熱系統(tǒng)有效改善箱體內(nèi)熱量與CO2氣體均勻度，有利于提高白僵菌生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)化水平。

固體培養(yǎng)料中的水分含量是白僵菌固態(tài)發(fā)酵階段影響因子之一。本團(tuán)隊(duì)曾嘗試用土壤水分傳感器監(jiān)測(cè)固體培養(yǎng)料水分變化，但由于土壤與固體培養(yǎng)料成分的理化性質(zhì)完全不同，土壤水分傳感器并不適用于固體培養(yǎng)料，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)失真，今后可研究適用于監(jiān)測(cè)固體培養(yǎng)料水分含量的傳感器。有研究表明CO2影響真菌的生長(zhǎng)[7,13]，CO2濃度的調(diào)控區(qū)間需通過進(jìn)一步試驗(yàn)論證。有研究表明，用日光燈連續(xù)光照比間歇光照有利于白僵菌產(chǎn)孢，產(chǎn)孢量提高96.89%[6]。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的光照強(qiáng)度傳感器可用于研究不同光照強(qiáng)度對(duì)白僵菌固態(tài)發(fā)酵的影響。本系統(tǒng)在固態(tài)發(fā)酵結(jié)束后，可繼續(xù)用于白僵菌產(chǎn)孢生產(chǎn)（已初步試驗(yàn)驗(yàn)證），產(chǎn)孢階段的環(huán)境因素調(diào)控方式及產(chǎn)孢率可在今后進(jìn)一步論證與優(yōu)化。