王琢 肖進(jìn) 何雨霜 王銳 田滿洲 張俊峰

摘要：針對當(dāng)前菇房環(huán)境調(diào)控準(zhǔn)確性低以及各環(huán)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(huán)境多因子協(xié)同調(diào)控技術(shù)進(jìn)行研究。根據(jù)食用菌對溫、濕、氣、光的環(huán)境需求，搭建一套集裝箱式菇房，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)一套菇房環(huán)境控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場傳感數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備的控制，以及數(shù)據(jù)存儲和遠(yuǎn)程訪問等功能，重點(diǎn)研究空調(diào)和新風(fēng)機(jī)的多因子協(xié)同調(diào)控算法。在羊肚菌栽培試驗(yàn)過程中，對調(diào)控效果進(jìn)行測試，試驗(yàn)結(jié)果表明：空調(diào)在加熱模式下，菇房溫度控制偏差小于0.4℃；空調(diào)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(qiáng)度均滿足工廠化栽培農(nóng)藝要求。試驗(yàn)證明采用多因子協(xié)同調(diào)控算法的菇房環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)能進(jìn)一步提升食用菌種植精細(xì)化程度。

關(guān)鍵詞：食用菌；菇房；環(huán)境控制；多因子協(xié)同調(diào)控；工廠化栽培

中圖分類號：S646： S625.5

文獻(xiàn)標(biāo)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(zhì)、活性多糖等對人體健康的物質(zhì)，具有重要的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、文化價(jià)值［1］。我國食用菌產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的70%以上，栽培種類已達(dá)70多種，2022年全國食用菌總產(chǎn)量達(dá)41758.5kt。食用菌為中國繼糧食、蔬菜、果樹、油料之后的第五大產(chǎn)業(yè)。食用菌栽培需要適宜的溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照等環(huán)境因子。目前，我國除金針菇、海鮮菇等少數(shù)食用菌品種之外，大多數(shù)食用菌生產(chǎn)采用傳統(tǒng)的農(nóng)法栽培或簡易的設(shè)施栽培，生產(chǎn)管理較為粗放，產(chǎn)品品質(zhì)和產(chǎn)能易受氣候和季節(jié)影響，無法進(jìn)行周年生產(chǎn)。

工廠化栽培是一種現(xiàn)代化的食用菌設(shè)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(fēng)控、光控設(shè)備創(chuàng)造人工環(huán)境，在單位空間內(nèi)，立體化、規(guī)?；⒅苣昊耘噙_(dá)到產(chǎn)品的安全綠色、有機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)質(zhì)食用菌。目前，金針菇、海鮮菇、雙孢菇等品種實(shí)現(xiàn)了工廠化栽培，而羊肚菌、香菇等品種的室內(nèi)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(shù)體系［27］。設(shè)施環(huán)境多因子協(xié)同調(diào)控技術(shù)融合了控制科學(xué)與工程、農(nóng)業(yè)工程等多學(xué)科知識，目的是為農(nóng)作物提供最佳人工環(huán)境。在該領(lǐng)域，徐立鴻等［8］針對溫室藍(lán)莓研究了光溫協(xié)調(diào)優(yōu)化模型與控制策略。杜尚豐等［9］針對溫室環(huán)境遠(yuǎn)程調(diào)控過程中自動控制參數(shù)無法修改或缺少遠(yuǎn)程手動控制模式的問題，設(shè)計(jì)了溫室環(huán)境遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)。鄒平等［10］在新疆南部地區(qū)進(jìn)行了日光溫室環(huán)境調(diào)控試驗(yàn)研究。Pahua等［11］研究了一套用于溫室環(huán)境控制的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。Nagesh等［12］研發(fā)了基于ARM的溫室環(huán)境因子遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制系統(tǒng)。王君等［13］針對人工光植物工廠，研究了風(fēng)機(jī)和空調(diào)協(xié)同降溫技術(shù)。國內(nèi)外現(xiàn)有關(guān)于設(shè)施環(huán)境多因子協(xié)同調(diào)控技術(shù)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(huán)境精準(zhǔn)調(diào)控技術(shù)的研究還不多。白雪萍等［14］基于傳感器技術(shù)、組態(tài)監(jiān)控技術(shù)、PLC技術(shù)及模糊控制技術(shù)，設(shè)計(jì)一種海鮮菇菇棚環(huán)境因子監(jiān)控系統(tǒng)。然而這些菇房環(huán)境因子調(diào)控系統(tǒng)沒有涉及溫、濕、氣、光的協(xié)同調(diào)控技術(shù)。

為使食用菌在工廠菇房內(nèi)獲取適宜的環(huán)境因子，本文根據(jù)羊肚菌的農(nóng)藝特點(diǎn)，搭建一間集裝箱式菇房，集成溫控、濕控、風(fēng)控、光控設(shè)備，設(shè)計(jì)一套食用菌菇房環(huán)境因子精準(zhǔn)調(diào)控系統(tǒng)，并研究菇房環(huán)境多因子協(xié)同控制算法。

1 食用菌菇房總體設(shè)計(jì)

1.1 羊肚菌農(nóng)藝特點(diǎn)

根據(jù)項(xiàng)目研究內(nèi)容，對羊肚菌工廠化栽培菇房環(huán)境控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。羊肚菌在菇房內(nèi)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(gè)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(fā)7～10d后放置外源營養(yǎng)袋。菌絲長滿后10～15d后進(jìn)入原基分化階段，大約需要3d，進(jìn)行5℃低溫刺激7d后移除外源營養(yǎng)袋后進(jìn)行霧化補(bǔ)水。幼菇生長階段大約需要7d，溫度每2～3d上調(diào)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(fēng)，直至采摘［1518］。

1.2 集裝箱式菇房的搭建

本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)菇房位于武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院北部園區(qū)，該區(qū)域?qū)賮啛峒撅L(fēng)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(diǎn)。年均降雨量1282.8mm，平均氣溫17℃。

試驗(yàn)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(huán)境調(diào)控設(shè)備有：（1）空調(diào)。具有制冷和加熱兩種運(yùn)行模式，溫度調(diào)控范圍為5～30℃?？照{(diào)為一體式空調(diào)，送風(fēng)管道位于菇房正中間頂部，出風(fēng)口分布在送風(fēng)管道兩側(cè)，風(fēng)量柔和、均勻，滿足羊肚菌室內(nèi)生長要求。（2）加濕機(jī)。超聲波加濕機(jī)的加濕量為3kg/h，可以將菇房內(nèi)濕度調(diào)節(jié)至100%，霧化管道位于空調(diào)送風(fēng)管道旁，霧氣出口分布在霧化管道兩側(cè)。（3）新風(fēng)機(jī)。安裝在菇房頂部，可以引入室外空氣，降低室內(nèi)二氧化碳濃度和空氣濕度，在菇房側(cè)墻離地面10cm處安裝有兩個(gè)排風(fēng)口。（4）燈光。一共6組LED，分別安裝在菇房頂部和側(cè)墻，開啟后菇房照度控制在258Lux左右。（5）環(huán)境傳感器，菇房內(nèi)外墻面離地面1.5m處各安裝一個(gè)，能夠檢測菇房內(nèi)部和外部的空氣溫度、空氣濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度。

2 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)概述

近年來，隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷推進(jìn)，智能測控技術(shù)逐漸滲透到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一種先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，將各種傳感檢測設(shè)備、現(xiàn)場調(diào)控設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系起來，在任何時(shí)間和地點(diǎn)可以進(jìn)行人、機(jī)、物的互聯(lián)互通［19］。菇房物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層組成。其中，感知層環(huán)境調(diào)控設(shè)備包括空調(diào)、加濕機(jī)、新風(fēng)機(jī)、燈光、環(huán)境傳感器。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括菇房環(huán)境傳感器、菇房外環(huán)境傳感器、空調(diào)、加濕機(jī)、新風(fēng)機(jī)、燈光、PLC控制裝置、HMI。菇房環(huán)境傳感器和菇房外環(huán)境傳感器通過RS485總線與PLC控制裝置連接；空調(diào)的制冷機(jī)組和加熱機(jī)組均為兩線無源控制；加濕機(jī)電壓和功率為220V AC/300W，開關(guān)控制。新風(fēng)機(jī)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(guān)控制。PLC采用S7-200smart CPU20，HMI采用Smart 700 IE V3觸摸屏?？刂蒲b置如圖3所示。

環(huán)境傳感器為四參數(shù)傳感器，能夠測量空氣溫度、空氣濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)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(qiáng)度測量范圍為0～65 535Lux。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括本地端的PLC控制裝置軟件和遠(yuǎn)程端的云平臺監(jiān)控系統(tǒng)軟件。根據(jù)羊肚菌室內(nèi)栽培的生理特性，軟件系統(tǒng)具有溫度控制、濕度控制、新風(fēng)控制、燈光控制4項(xiàng)主要功能。溫度為傳感器控制，通過將設(shè)定溫度值與菇房內(nèi)外實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行計(jì)算，得出空調(diào)制冷機(jī)組和加熱機(jī)組應(yīng)該調(diào)節(jié)到的工作狀態(tài)。濕度和新風(fēng)具有手動控制、時(shí)間控制、傳感器控制3種模式可選。燈光具有手動控制、時(shí)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(xié)同控制算法

菇房內(nèi)的空氣溫度、空氣濕度、二氧化碳濃度、光照等環(huán)境因子相互關(guān)聯(lián)，菇房內(nèi)環(huán)境調(diào)控設(shè)備有空調(diào)、加濕機(jī)、新風(fēng)機(jī)、燈光。菇房內(nèi)各個(gè)環(huán)境因子和調(diào)控設(shè)備并不是一一對應(yīng)的關(guān)系，且與菇房外部環(huán)境有關(guān)，菇房環(huán)境是一個(gè)非線性、多輸入多輸出的復(fù)雜系統(tǒng)［2， 20］。本設(shè)計(jì)針對空調(diào)、加濕機(jī)、新風(fēng)機(jī)研究了菇房環(huán)境多因子協(xié)同調(diào)控技術(shù)，并對調(diào)試效果進(jìn)行了測試。

3.1 空調(diào)控制算法

空調(diào)具有制冷開啟、加熱開啟、停機(jī)三種工作狀態(tài)，控制模型如式（1）所示。

UX=F（Tin，Tout，Tset，Toffset）（1）

式中：

UX——空調(diào)制冷機(jī)組和加熱機(jī)組啟停工作狀態(tài)；

Tin——菇房空氣溫度，℃；

Tout——菇房外空氣溫度，℃；

Tset——設(shè)定溫度，℃；

Toffset——設(shè)定溫度偏差值，℃。

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

當(dāng)Mair為1時(shí)，空調(diào)工作在制冷模式，制冷機(jī)組的啟?？刂撇呗匀缡剑?）所示。

當(dāng)Mair為-1時(shí)，空調(diào)工作在加熱模式，加熱機(jī)組的啟?？刂撇呗匀缡剑?）所示。

3.2 加濕機(jī)控制算法

絕大多數(shù)食用菌在菇房種植時(shí)，需要較高的空氣濕度，空調(diào)、新風(fēng)機(jī)開啟時(shí)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(jī)的傳感器控制方式采用傳統(tǒng)的單閾值控制，當(dāng)菇房濕度低于設(shè)定的濕度下限值時(shí)，加濕機(jī)開啟；當(dāng)菇房濕度高設(shè)定的濕度上限值時(shí)，加濕機(jī)關(guān)閉。當(dāng)其他環(huán)境調(diào)控設(shè)備影響到菇房濕度時(shí)，加濕機(jī)自動觸發(fā)。

3.3 新風(fēng)控制算法

新風(fēng)機(jī)是菇房內(nèi)外進(jìn)行空氣交換的通道，是二氧化碳濃度、溫度、濕度調(diào)節(jié)樞紐。食用菌在生長過程中會產(chǎn)生二氧化碳，新風(fēng)機(jī)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(shè)定范圍內(nèi)，但新風(fēng)機(jī)開啟后不僅會降低二氧化碳濃度，也會對菇房溫度、濕度產(chǎn)生影響。本設(shè)計(jì)以設(shè)定的二氧化碳濃度上下限為閾值對新風(fēng)機(jī)的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制，再通過菇房內(nèi)外溫度差和濕度差協(xié)同調(diào)節(jié)新風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而使得菇房內(nèi)的二氧化碳濃度、溫度、濕度均動態(tài)地保持在相對適宜條件下。

新風(fēng)機(jī)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(shè)定二氧化碳濃度上限值，μmol/mol；

Pmin——設(shè)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(fēng)機(jī)開關(guān)控制策略如式（6）所示。

菇房內(nèi)外溫度差和濕度差對新風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響的權(quán)重分別為WΔT和WΔH，如式（7）、式（8）所示。

式中：

MaxΔT——最大負(fù)影響溫度差，℃；

MinΔT——最小負(fù)影響溫度差，℃；

MaxΔH——最大負(fù)影響濕度差，℃；

MinΔH——最小負(fù)影響濕度差，℃。

MaxΔT、MinΔT、MaxΔH、MinΔH根據(jù)羊肚菌室內(nèi)栽培種植經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，也可根據(jù)其他品種食用菌進(jìn)行調(diào)整。通過式（9）可以計(jì)算得到新風(fēng)機(jī)的調(diào)速頻率。

ffans=（WΔT+WΔH）×50×Ufans（9）

4 調(diào)控效果測試

在菇房兩側(cè)放置不銹鋼栽培架，采用透氣性好的不銹鋼漏盆（規(guī)格60cm×40cm×15cm）進(jìn)行羊肚菌栽培試驗(yàn)。

根據(jù)羊肚菌室內(nèi)栽培農(nóng)藝特點(diǎn)，入庫時(shí)將菇房溫度設(shè)置為18℃，溫度偏差值設(shè)為1℃，濕度設(shè)置為85%～90%，二氧化碳設(shè)置為550～600μmol/mol。菇房環(huán)境因子變化曲線及調(diào)控效果如圖5所示。如圖5（a）所示，當(dāng)外界溫度在10℃～12.5℃范圍內(nèi)變化時(shí)，空調(diào)進(jìn)入加熱模式，菇房實(shí)時(shí)溫度在17℃～18.4℃之間波動。如圖5（b）所示，當(dāng)外界溫度高于19℃時(shí)，空調(diào)進(jìn)入制冷模式，菇房實(shí)時(shí)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(nèi)，在誤差允許范圍內(nèi)，這是因?yàn)楣椒恐煌ㄟ^加濕機(jī)進(jìn)行加濕，一般不降濕。如圖5（d）所示，當(dāng)菇房溫度降低導(dǎo)致空調(diào)加熱機(jī)組開啟后，溫度上升的同時(shí)濕度會下降，降幅在4%左右，若濕度低于設(shè)定最低值時(shí)，多因子協(xié)同控制程序會開啟加濕機(jī)，將濕度調(diào)控到94%。如圖5（e）所示，當(dāng)菇房溫度上升導(dǎo)致空調(diào)制冷機(jī)組開啟后，溫度下降的同時(shí)濕度也會下降，降幅在16%左右，若濕度低于設(shè)定最低值時(shí)，多因子協(xié)同控制程序會開啟加濕機(jī)，將濕度調(diào)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(nèi)，在誤差允許范圍內(nèi)。

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

5 結(jié)論

1）針對食用菌工廠化栽培的環(huán)境要求如溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度等因子進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)研，圍繞小氣候動態(tài)變化條件下環(huán)境控制策略和系統(tǒng)開展了研究，設(shè)計(jì)了多因子協(xié)同調(diào)控模型和算法，實(shí)現(xiàn)菇房環(huán)境的精準(zhǔn)調(diào)控。

2）以羊肚菌為例，進(jìn)行室內(nèi)栽培試驗(yàn)，結(jié)果表明：空調(diào)在加熱模式下，菇房溫度控制偏差小于0.4℃；空調(diào)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(biāo)均滿足羊肚菌工廠化栽培的菇房環(huán)境要求，采用多因子協(xié)同調(diào)控算法可以保證菇房各環(huán)境因子平穩(wěn)地運(yùn)行在設(shè)定區(qū)間范圍。

3）本文設(shè)計(jì)的食用菌菇房環(huán)境因子精準(zhǔn)調(diào)控系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景，不僅能較好地應(yīng)用在羊肚菌的工廠化栽培過程中，通過簡單的參數(shù)調(diào)整也能應(yīng)用于海鮮菇、香菇等其他的食用菌品種。

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