肖凱 XIAO Kai

（武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430205）

1 項(xiàng)目概述

在現(xiàn)有技術(shù)培育食用菌的過程中，溫度、濕度、培育環(huán)境等都是至關(guān)重要的因素。但目前食用菌培育過程中，溫室培育的溫度和濕度得不到準(zhǔn)確的感知，菌包和培養(yǎng)基的使用面積得不到有效的調(diào)節(jié)，傳統(tǒng)的竹制培育裝置不易搬運(yùn)、容易腐爛，不環(huán)保，回收利用率低，產(chǎn)生的寄生蟲的問題給培育過程帶來了病菌感染的風(fēng)險(xiǎn)。為了有效解決上述問題，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種菌育寶——食用菌溫室數(shù)字化培育裝置，實(shí)現(xiàn)食用菌在培育過程中，工作人員能準(zhǔn)確地控制其環(huán)境溫度和濕度，保證其高效生長(zhǎng)。同時(shí)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，本裝置安全可靠，操作簡(jiǎn)單，性價(jià)比高，具有很好的市場(chǎng)前景。項(xiàng)目致力于食用菌溫室數(shù)字化培育裝置的研發(fā)和推廣，助力鄉(xiāng)村振興、農(nóng)戶增收，實(shí)現(xiàn)食用菌在生長(zhǎng)中準(zhǔn)確地控制其環(huán)境溫度和濕度，保證其高效生長(zhǎng)，為食用菌產(chǎn)業(yè)鏈培育領(lǐng)域提供數(shù)字治理一體化服務(wù)。

食用菌溫室數(shù)字化培育裝置是利用先進(jìn)的技術(shù)手段，將溫室環(huán)境進(jìn)行數(shù)字化管理和控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)食用菌的培育過程進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和調(diào)控的一種裝置。利用傳感器和儀器對(duì)溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過數(shù)字化方式進(jìn)行采集和記錄。自動(dòng)控制基于數(shù)學(xué)和工程原理，通過建立系統(tǒng)模型、設(shè)計(jì)合適的控制器以及分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能等方面的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的精確控制和優(yōu)化。自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)食用菌的生長(zhǎng)需求，對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行精確調(diào)控。例如，根據(jù)溫度要求自動(dòng)啟動(dòng)和關(guān)閉加熱設(shè)備，根據(jù)濕度要求自動(dòng)啟動(dòng)和關(guān)閉加濕設(shè)備，根據(jù)光照要求自動(dòng)調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度等。通過數(shù)據(jù)采集和記錄，將溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)，形成對(duì)食用菌生長(zhǎng)過程的全面了解。該數(shù)據(jù)可以用于優(yōu)化培育條件，調(diào)整策略和提高生產(chǎn)效率。利用云平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。用戶可以通過手機(jī)、電腦等終端設(shè)備，隨時(shí)隨地監(jiān)測(cè)溫室環(huán)境并進(jìn)行必要的調(diào)整。

2 項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)

食用菌溫室數(shù)字化培育裝置利用先進(jìn)的技術(shù)手段對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和精確調(diào)控，可以提高食用菌的產(chǎn)量和品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)、智能化的食用菌生產(chǎn)管理。

本裝置包括一個(gè)不銹鋼支架、數(shù)字控制箱、溫度和濕度數(shù)據(jù)采集箱、光照強(qiáng)度控制裝置、數(shù)字自動(dòng)滴灌裝置。鋼架可實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)折疊、翻轉(zhuǎn)和傾斜，溫度和濕度數(shù)據(jù)采集箱實(shí)時(shí)檢測(cè)，菌包溫度應(yīng)嚴(yán)格控制在20℃以下，當(dāng)相對(duì)濕度低于50%時(shí)數(shù)字自動(dòng)滴灌裝置開始運(yùn)行，高于60%時(shí)數(shù)字自動(dòng)滴灌裝置停止運(yùn)行，鋼架中有數(shù)字自動(dòng)滴灌裝置，實(shí)時(shí)控制土壤含水量在58%～60%，pH 在7.4～7.6 之間，菌包子實(shí)體生長(zhǎng)期間，開啟關(guān)照強(qiáng)度控制裝置使光強(qiáng)在10 勒～300 勒之間，從而實(shí)現(xiàn)種植數(shù)據(jù)的有效調(diào)節(jié)，也便于食用菌的采摘。（圖1）

圖1 裝置整體效果圖

項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)如下：①具有溫度濕度一體化數(shù)字控制系統(tǒng)，充分保證植物的光合作用；②具有數(shù)字自動(dòng)滴灌系統(tǒng)；③機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組裝方便可靠，結(jié)實(shí)耐用。

產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域：①應(yīng)用于大棚室內(nèi)規(guī)模種植。②應(yīng)用于食用菌工廠溫室培育。③應(yīng)用于疫情防控常態(tài)化情況下，家庭觀賞種植及培育，家庭培育中的裝置為封閉式裝置。

3 裝置硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)需要調(diào)節(jié)食用菌種植面積且易于拆卸和搬運(yùn)，隔板之間的高度也可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，制作材料為不銹鋼，采用45 號(hào)鋼齒輪傳動(dòng)方式，包括數(shù)字化控制箱和不銹鋼培育架。培育架高1.8 米，寬1.63 米，隔板厚度100毫米，隔板距離350 毫米，濕度傳感器長(zhǎng)度900 毫米，隔板傳動(dòng)齒條長(zhǎng)度為700 毫米，LED 晶體串聯(lián)燈長(zhǎng)600 毫米，傳動(dòng)齒輪分度圓直徑為30 毫米。若想增加食用菌菌袋或培養(yǎng)基鋪設(shè)面積，可以將隔板向左右兩側(cè)拉伸，隔板中的齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)隔板伸縮，從而有效控制食用菌菌袋和培養(yǎng)基鋪設(shè)面積，整個(gè)鋼架的最大延展面積可達(dá)到5.66 平方米，每個(gè)鋼架的占用面積為0.95 平米，以20 平米的溫室培養(yǎng)食用菌房為例，至少可以放置12 個(gè)培育裝置。（圖2）

圖2 新型食用菌溫室數(shù)字化培育裝置側(cè)面效果圖

利用控制箱中所顯示的相關(guān)數(shù)據(jù)，有效管理溫室內(nèi)光照強(qiáng)度、溫度和濕度，當(dāng)開啟電源開關(guān)時(shí)，鋼架上的串聯(lián)燈、溫度感應(yīng)器、濕度感應(yīng)器開始工作，LED串聯(lián)燈用于溫室中的培育架照明，溫室培養(yǎng)的室溫以21 至34℃為宜，如果超過或低于該溫度范圍，控制箱會(huì)報(bào)警，提醒工作人員，手動(dòng)調(diào)節(jié)溫度，濕度以75%至95%為宜，不滿足該濕度范圍的話，也會(huì)預(yù)警，提醒工作人員手動(dòng)調(diào)節(jié)濕度，溫度和濕度數(shù)據(jù)采集箱實(shí)時(shí)檢測(cè)，菌包溫度應(yīng)嚴(yán)格控制在21℃～34℃，當(dāng)相對(duì)濕度低于50%時(shí)數(shù)字自動(dòng)滴灌系統(tǒng)會(huì)對(duì)土壤或培育基進(jìn)行自動(dòng)滴灌，高于60%時(shí)數(shù)字自動(dòng)滴灌系統(tǒng)停止運(yùn)行，菌包子實(shí)體生長(zhǎng)期間，開啟關(guān)照強(qiáng)度控制系統(tǒng)使光強(qiáng)在10 勒克斯～300 勒克斯之間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)子實(shí)體生長(zhǎng)能有效控制。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 食用菌培育智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種基于數(shù)字化的食用菌培育智能管理系統(tǒng)，包括：環(huán)境參數(shù)采集模塊，用于獲取食用菌的當(dāng)前生長(zhǎng)階段，并將食用菌當(dāng)前生長(zhǎng)階段之前的各生長(zhǎng)階段作為各歷史生長(zhǎng)階段，提取食用菌在各歷史生長(zhǎng)階段的環(huán)境參數(shù)。環(huán)境參數(shù)分析模塊，用于根據(jù)監(jiān)測(cè)的食用菌在各歷史生長(zhǎng)階段的環(huán)境參數(shù)分析得到食用菌各歷史生長(zhǎng)階段環(huán)境參數(shù)波動(dòng)率。食用菌圖像獲取模塊，用于通過視頻監(jiān)控獲取食用菌各歷史生長(zhǎng)階段的尺寸圖像，將其記為食用菌各歷史生長(zhǎng)階段圖像。生長(zhǎng)影響指數(shù)分析模塊，用于將獲取的食用菌各歷史生長(zhǎng)階段圖像同食用菌對(duì)應(yīng)生長(zhǎng)階段標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行比對(duì)，分析獲得食用菌各歷史生長(zhǎng)階段的生長(zhǎng)影響指數(shù)。環(huán)境參數(shù)偏差評(píng)估模塊，用于根據(jù)食用菌各歷史生長(zhǎng)階段環(huán)境參數(shù)波動(dòng)率和生長(zhǎng)影響指數(shù)，分析食用菌在當(dāng)前生長(zhǎng)階段的環(huán)境參數(shù)偏差系數(shù)，若環(huán)境參數(shù)偏差系數(shù)大于預(yù)設(shè)的環(huán)境參數(shù)偏差系數(shù)閾值，則對(duì)食用菌在當(dāng)前生長(zhǎng)階段的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。生長(zhǎng)情況預(yù)測(cè)模塊，用于根據(jù)獲取的食用菌各歷史生長(zhǎng)階段的生長(zhǎng)影響指數(shù)預(yù)測(cè)食用菌的成熟時(shí)間。質(zhì)量檢測(cè)模塊，用于對(duì)成熟階段食用菌的尺寸偏差率、表面損傷情況、形狀偏離度進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而分析獲得食用菌質(zhì)量指數(shù)，其中表面損傷情況包括霉菌占比值和表面破損率，并對(duì)食用菌進(jìn)行質(zhì)量分析處理。管理數(shù)據(jù)庫(kù)，用于儲(chǔ)存食用菌各歷史生長(zhǎng)階段標(biāo)準(zhǔn)圖像、食用菌在各歷史生長(zhǎng)階段的最佳環(huán)境參數(shù)。

4.2 優(yōu)選算法設(shè)計(jì)

食用菌各歷史生長(zhǎng)階段的生長(zhǎng)影響指數(shù)的具體分析方法包括以下步驟：第一步，獲取食用菌各歷史生長(zhǎng)階段圖像并單獨(dú)劃分出食用菌各歷史生長(zhǎng)階段圖像中的菌體部分，提取菌體部分的尺寸，記為食用菌各歷史生長(zhǎng)階段尺寸，將食用菌各歷史生長(zhǎng)階段尺寸同設(shè)定的食用菌對(duì)應(yīng)歷史生長(zhǎng)階段標(biāo)準(zhǔn)尺寸進(jìn)行比對(duì)，獲得食用菌各歷史生長(zhǎng)階段尺寸與食用菌對(duì)應(yīng)歷史生長(zhǎng)階段標(biāo)準(zhǔn)尺寸的比值，記為Δεi，i 表示為食用菌第i 個(gè)生長(zhǎng)階段的編號(hào)，i=1，2，…，n。

食用菌各歷史生長(zhǎng)階段環(huán)境參數(shù)波動(dòng)率的具體分析方法為：提取食用菌在各歷史生長(zhǎng)階段的各時(shí)間段的環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、光照強(qiáng)度和二氧化碳值，分別記為αim、βim、τim、σim，m 表示為各時(shí)間段的編號(hào)，m=1，2，…，q，通過求取平均值獲得食用菌各歷史生長(zhǎng)階段環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、光照強(qiáng)度和二氧化碳值的平均值，分別記為，通過公式+獲得食用菌各歷史生長(zhǎng)階段環(huán)境參數(shù)波動(dòng)率γi，φ3、φ4、φ5、φ6分別表示為預(yù)設(shè)的環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、光照強(qiáng)度和二氧化碳值的權(quán)值因子，η2表示為設(shè)定的食用菌環(huán)境參數(shù)波動(dòng)率的修正系數(shù)。

食用菌在當(dāng)前生長(zhǎng)階段的環(huán)境參數(shù)偏差系數(shù)的具體分析方法包括以下步驟：第一步，讀取食用菌各歷史生長(zhǎng)階段環(huán)境參數(shù)波動(dòng)率γi和生長(zhǎng)影響指數(shù)Ψi，通過公式獲得食用菌在當(dāng)期生長(zhǎng)階段的環(huán)境參數(shù)偏差系數(shù)φ當(dāng)，β1為設(shè)定的食用菌所在生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)波動(dòng)率的影響權(quán)重，Δγi′為設(shè)定的食用菌第i 個(gè)歷史生長(zhǎng)階段的允許環(huán)境參數(shù)波動(dòng)率閾值，n 為歷史生長(zhǎng)階段的數(shù)量。

第二步，將食用菌在當(dāng)前生長(zhǎng)階段的環(huán)境參數(shù)偏差系數(shù)同預(yù)設(shè)的環(huán)境參數(shù)偏差系數(shù)閾值進(jìn)行比對(duì)，若食用菌在當(dāng)前生長(zhǎng)階段的環(huán)境參數(shù)偏差系數(shù)大于預(yù)設(shè)的環(huán)境參數(shù)偏差系數(shù)閾值，則對(duì)食用菌在當(dāng)前生長(zhǎng)階段的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。

食用菌在當(dāng)前生長(zhǎng)階段的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)控的具體方法為：第一步，讀取預(yù)設(shè)的食用菌當(dāng)前生長(zhǎng)階段標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境參數(shù)并提取食用菌當(dāng)前生長(zhǎng)階段的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度，通過公式得到食用菌當(dāng)前生長(zhǎng)階段環(huán)境溫度的調(diào)控值Δα′，Δ標(biāo)準(zhǔn)′表示食用菌當(dāng)前生長(zhǎng)階段標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度，e 表示為自然常數(shù)。

第二步，同理分析得到食用菌當(dāng)前生長(zhǎng)階段環(huán)境濕度、光照強(qiáng)度和二氧化碳值的調(diào)控值，并根據(jù)實(shí)際調(diào)控值將環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

預(yù)測(cè)食用菌的成熟時(shí)間的具體方法為：獲取食用菌各歷史生長(zhǎng)階段的生長(zhǎng)影響指數(shù)，對(duì)其求取平均值獲得食用菌在歷史生長(zhǎng)階段的平均生長(zhǎng)影響指數(shù)，記為Ψ，并提取食用菌成長(zhǎng)至當(dāng)前成長(zhǎng)階段的時(shí)間，記為θ當(dāng)，通過公式獲得食用菌的成熟時(shí)間v，θ′表示為設(shè)定的食用菌從開始生長(zhǎng)到完全成熟所需的總時(shí)間。

食用菌質(zhì)量指數(shù)的具體分析方法包括以下步驟：第一步，獲取食用菌成熟階段圖像中菌體的尺寸，記為食用菌成熟尺寸，將食用菌成熟尺寸同設(shè)定的食用菌成熟標(biāo)準(zhǔn)尺寸進(jìn)行比對(duì)，獲得食用菌成熟尺寸與食用菌成熟標(biāo)準(zhǔn)尺寸的偏差率，記為尺寸偏差率Δζ成熟。

第二步，提取食用菌成熟圖像中的像素總數(shù)，記為ρ總，將食用菌成熟圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，檢測(cè)轉(zhuǎn)換后的灰度圖像中每一個(gè)像素點(diǎn)的灰度值，將其與設(shè)定的食用菌成熟階段標(biāo)準(zhǔn)圖像對(duì)應(yīng)的灰度值范圍進(jìn)行對(duì)比，得到符合范圍的像素點(diǎn)數(shù)量，記為ρ′，并將其和食用菌成熟圖像中的像素總數(shù)進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)而通過公式獲得食用菌表面的霉菌占比值κ；同時(shí)將食用菌成熟圖像與純白色背景圖像進(jìn)行重疊，將重疊后的圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像并檢測(cè)各像素灰度值，統(tǒng)計(jì)處灰度值處于食用菌表面破損標(biāo)準(zhǔn)圖像灰度值范圍的像素點(diǎn)數(shù)量，將其和食用菌成熟圖像中的像素總數(shù)進(jìn)行比對(duì)，得到食用菌的表面破損率。

第三步，將食用菌成熟圖像與食用菌成熟階段標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行圖像重疊，并對(duì)重疊后的圖像進(jìn)行二值化處理，將重疊區(qū)域設(shè)置為白色，非重疊區(qū)域設(shè)置為黑色，統(tǒng)計(jì)食用菌成熟圖像中白色像素的數(shù)量，記為ρ白色，通過公式ζ=1-進(jìn)而獲得食用菌的形狀偏離度ζ。

第四步，根據(jù)獲得的尺寸偏差率、霉菌占比值、表面破損率、形狀偏離度，將其代入公式獲得食用菌質(zhì)量指數(shù)，其中，a1、a2、a3、a4 分別為設(shè)定的尺寸偏差率、霉菌占比值、表面破損率、形狀偏離度對(duì)應(yīng)的食用菌質(zhì)量指數(shù)占比權(quán)重，ζ′、κ′、′、ξ′分別為設(shè)定參照的尺寸偏差率、霉菌占比值、表面破損率、形狀偏離度，μ1為設(shè)定參照食用菌質(zhì)量指數(shù)占比權(quán)重；將食用菌質(zhì)量指數(shù)和設(shè)定的食用菌質(zhì)量最低值進(jìn)行比對(duì)，若食用菌質(zhì)量指數(shù)低于食用菌質(zhì)量最低值，則記為不合格食用菌并通知工作人員進(jìn)行處理措施。

5 裝置標(biāo)定及性能測(cè)試

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，基于數(shù)字化的食用菌培育智能管理系統(tǒng)具有以下有益效果：本系統(tǒng)在食用菌生長(zhǎng)過程中根據(jù)視頻監(jiān)控的方式來監(jiān)測(cè)食用菌的生長(zhǎng)程度，并將其各個(gè)時(shí)期菌菇標(biāo)準(zhǔn)的圖像進(jìn)行比對(duì)得到生長(zhǎng)影響指數(shù)，進(jìn)而對(duì)溫度、濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳值進(jìn)行調(diào)控，這樣無需人工親臨現(xiàn)場(chǎng)便可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的問題或異常情況，并快速采取措施進(jìn)行調(diào)整，從而優(yōu)化食用菌的生長(zhǎng)條件，提高食用菌的生長(zhǎng)效率和產(chǎn)量；本系統(tǒng)通過對(duì)食用菌生長(zhǎng)的情況對(duì)其成熟的時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)，可以更好地掌握收獲的時(shí)機(jī)，避免過早或過晚收獲導(dǎo)致產(chǎn)量降低或品質(zhì)下降的情況發(fā)生，同時(shí)預(yù)測(cè)成熟時(shí)期還可以幫助合理安排工作流程和資源調(diào)度，提高生產(chǎn)的效率和經(jīng)濟(jì)效益；本系統(tǒng)通過采集食用菌成熟階段的尺寸偏差、表面損傷情況、形狀偏離度分析得到食用菌質(zhì)量指數(shù)，可以快速評(píng)估食用菌的質(zhì)量，并及時(shí)采取相應(yīng)措施來改善培育過程，提高產(chǎn)量和質(zhì)量。這有助于提高食用菌生產(chǎn)的效率和可靠性，同時(shí)也提高了消費(fèi)者對(duì)食用菌的滿意度。食用菌的溫室數(shù)字化培育裝置作為一種新型現(xiàn)代化培育工具，可用于提高食用菌的產(chǎn)量和質(zhì)量。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開展了大量實(shí)驗(yàn)工作，根據(jù)實(shí)驗(yàn)得知，數(shù)字化培育裝置對(duì)食用菌的生長(zhǎng)具有明顯優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)培育方式相比，數(shù)字化培育裝置下食用菌的生長(zhǎng)速度更快，品質(zhì)更高，生物量更大。這些結(jié)果表明數(shù)字化培育裝置對(duì)食用菌生長(zhǎng)環(huán)境的控制更為精準(zhǔn)和穩(wěn)定，有利于提高食用菌的生長(zhǎng)性能和產(chǎn)量。此外，數(shù)字化培育裝置還能有效降低環(huán)境變化對(duì)食用菌生長(zhǎng)的影響，提高其耐病性。

6 結(jié)論

通過對(duì)比不同品種食用菌在溫室數(shù)字化培育裝置和傳統(tǒng)培育方式下的生長(zhǎng)情況，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)證實(shí)了食用菌溫室數(shù)字化培育裝置對(duì)食用菌生長(zhǎng)具有顯著優(yōu)勢(shì)。食用菌溫室數(shù)字化培育裝置能更好地控制食用菌生長(zhǎng)環(huán)境中的溫濕度和光照等關(guān)鍵因素，使得食用菌的生長(zhǎng)速度更快、品質(zhì)更高、生物量更大。此外，食用菌溫室數(shù)字化培育裝置還能有效提高食用菌的耐病性。因此，食用菌溫室數(shù)字化培育裝置具有很好的應(yīng)用前景，可為現(xiàn)代化食用菌產(chǎn)業(yè)提供新的發(fā)展模式和技術(shù)支持，助力鄉(xiāng)村振興。