銀耳栽培物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(jì)、開(kāi)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(cè)試的結(jié)果表明，該監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)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(shí)用，有助于生產(chǎn)者對(duì)銀耳栽培實(shí)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(hào) TP237文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 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(guó)著名的食藥兼用菌[1]。福建省古田縣是全國(guó)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(guó)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(gè)生產(chǎn)周期僅35～40d，其栽培與環(huán)境的關(guān)系極為密切，對(duì)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(guò)程中，對(duì)環(huán)境條件的調(diào)控手段比較有限，需要長(zhǎng)時(shí)間在栽培房進(jìn)行觀察，側(cè)重對(duì)空氣溫度的觀測(cè)，僅憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工噴霧及開(kāi)窗通風(fēng)，觀測(cè)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(shí)，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(wèn)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(jì)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(jí)，減輕菇農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低銀耳生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。

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(zhǎng)和子實(shí)體的發(fā)育。在銀耳栽培過(guò)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(cè)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(zhǎng)階段對(duì)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(zhǎng)，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(shí)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(zhǎng)發(fā)育過(guò)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(zhǎng)發(fā)育，或引起爛耳，影響產(chǎn)量與品質(zhì)。銀耳不同的生長(zhǎng)階段，對(duì)濕度的要求不同。接菌種時(shí)，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(lái)調(diào)節(jié)空氣濕度;發(fā)菌階段空氣濕度不易超過(guò)70%;出耳期，空氣濕度85%～93%，子實(shí)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(duì)接種時(shí)栽培基質(zhì)水分含量作出要求。在銀耳栽培過(guò)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(duì)銀耳產(chǎn)出的影響尚未見(jiàn)研究報(bào)道。將栽培基質(zhì)濕度作為監(jiān)測(cè)指標(biāo)具有一定的科研價(jià)值。

1.3 CO2濃度 銀耳為好氧真菌，菇房通風(fēng)不良會(huì)導(dǎo)致菇房?jī)?nèi)氧氣不足，CO2濃度偏高，進(jìn)而影響到銀耳子實(shí)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(zhǎng)階段以0.03%～0.04%為最適;出耳階段0.04%為適;子實(shí)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(cè)菇房CO2濃度，調(diào)控通風(fēng)換氣設(shè)備開(kāi)關(guān)，實(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)發(fā)育，又可抑制食用菌的生長(zhǎng)發(fā)育[5]。在銀耳子實(shí)體生長(zhǎng)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(cè)光照強(qiáng)度并適時(shí)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(cè)方法

2.1 監(jiān)測(cè)對(duì)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(gè)環(huán)境參數(shù)作為銀耳栽培環(huán)境的監(jiān)測(cè)對(duì)象。這6個(gè)環(huán)境參數(shù)是銀耳生長(zhǎng)過(guò)程的關(guān)鍵因素，監(jiān)測(cè)這些參數(shù)的變化情況并及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，對(duì)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(cè)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(zhǎng)方形，長(zhǎng)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(gè)菇房選擇1個(gè)適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)立1個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)即可反映整個(gè)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(dòng)較大，采集頻率以這2個(gè)參數(shù)確定。根據(jù)測(cè)試，空氣溫度與空氣濕度在20min以內(nèi)波動(dòng)幅度較?。ā堋?%）。

3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(cè)、預(yù)警與專家決策相結(jié)合的技術(shù)路線，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)銀耳栽培菇房的6個(gè)環(huán)境參數(shù)，運(yùn)用云服務(wù)技術(shù)，為菇農(nóng)提供及時(shí)準(zhǔn)確的溫濕度監(jiān)測(cè)與預(yù)警信息及遠(yuǎn)程電氣控制;同時(shí)，對(duì)接氣象部門相對(duì)精準(zhǔn)的氣象數(shù)據(jù)（菇農(nóng)可以接收到定位點(diǎn)最近氣象站發(fā)報(bào)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(jì)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(wú)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(bào)警器、信號(hào)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(duì)技術(shù)硬件的要求是結(jié)構(gòu)緊湊、裝配簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用：一是各組配件能夠穩(wěn)定運(yùn)行，信息監(jiān)測(cè)與傳輸準(zhǔn)確，尤其是環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)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(shí)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(gè)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)傳感器）;三是采用無(wú)線傳感器，ZigBee組網(wǎng)，最多容納254個(gè)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(jì)一套設(shè)備同時(shí)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(shí)應(yīng)用于空氣溫度與栽培基質(zhì)溫度的監(jiān)測(cè)。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(hào)放大后經(jīng)AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)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(jì)，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、低漂移的特點(diǎn)。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(guò)程中，空氣濕度需要長(zhǎng)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(cè)量精度的問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞傳感器。空氣濕度傳感器內(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(shí)間控制器下達(dá)指令每間隔10min開(kāi)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(diǎn)是在基片上覆蓋感濕材料膜，水分含量發(fā)生變化會(huì)影響電阻值，進(jìn)而測(cè)量含水率。對(duì)基質(zhì)濕度傳感器進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)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(cè)量的精度及傳感器的壽命，而且未做防護(hù)的傳感器在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中精度的長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差，需要防護(hù)處理并及時(shí)校對(duì)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(diǎn)。

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(tái)智能監(jiān)控主機(jī)設(shè)有唯一的ID識(shí)別號(hào)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(chǔ)、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(wàn)組的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，當(dāng)通訊信號(hào)異常時(shí)，數(shù)據(jù)先在主機(jī)存儲(chǔ)，恢復(fù)正常運(yùn)行后集中上報(bào)服務(wù)器。每間菇房配置1個(gè)聲光報(bào)警器，方便菇農(nóng)更直觀的現(xiàn)場(chǎng)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(cè)數(shù)據(jù)、電氣啟閉狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置、通訊信號(hào)、日期與時(shí)間、報(bào)警情況等，主機(jī)整機(jī)大小45cm×35cm×20cm，上線速度快，開(kāi)機(jī)后5min即可在線查看數(shù)據(jù)。

5 軟件子系統(tǒng)的開(kāi)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(shí)現(xiàn)的要求，軟件子系統(tǒng)即銀耳栽培智能監(jiān)控云平臺(tái)信息管理系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱云平臺(tái)），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(tái)，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(tái)，基于安卓操作系統(tǒng)，采用H5技術(shù)開(kāi)發(fā)，上線快速、穩(wěn)定。

電腦客戶端由管理員使用，完成對(duì)云平臺(tái)及菇農(nóng)賬號(hào)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(hào)，添加、刪除、轉(zhuǎn)移產(chǎn)品，管理項(xiàng)目，導(dǎo)出監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，添加或刪除菇農(nóng)聯(lián)系用手機(jī)號(hào)碼，設(shè)置數(shù)據(jù)推送頻率、記錄頻率等。

菇農(nóng)通過(guò)手機(jī)客戶端實(shí)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(yùn)行情況，查看環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，獲得報(bào)警信息，進(jìn)行環(huán)境調(diào)控;分析歷史監(jiān)測(cè)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(cè)參數(shù)報(bào)警閾值;通過(guò)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(zhǎng)傳感器的使用壽命;接收專家數(shù)據(jù)庫(kù)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(diǎn)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(shí)進(jìn)行預(yù)判與處置。

云平臺(tái)通過(guò)多種監(jiān)測(cè)預(yù)警方式確保監(jiān)測(cè)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(guò)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(gè)聯(lián)系人手機(jī)號(hào)碼，云平臺(tái)根據(jù)預(yù)警處理情況依次撥打。云平臺(tái)同步開(kāi)發(fā)微信小程序，綁定菇農(nóng)賬號(hào)后，菇農(nóng)可以在微信上查看、接收監(jiān)測(cè)、預(yù)警信息，更加方便實(shí)用。

6 系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

經(jīng)技術(shù)測(cè)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(shí)用性，系統(tǒng)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽?jiàn)圖2。

7 結(jié)語(yǔ)

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(jì)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(duì)于降低生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)、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(shí)，數(shù)據(jù)中心的菇房信息數(shù)據(jù)庫(kù)為研究人員提供了大量的技術(shù)數(shù)據(jù)，有助于開(kāi)展銀耳栽培技術(shù)研究，具有良好的技術(shù)推廣前景。

參考文獻(xiàn)

[1]李建.食用菌與藥用菌栽培工藝手冊(cè)[M].北京：中國(guó)展望出版社，1991.

[2]李怡彬，陳虹，鄭明初，等.罐藏新鮮銀耳生產(chǎn)工藝參數(shù)的研究[J].福建輕紡，2006（11）：86-90.

[3]江善賜，孟冰祥，葉德彪.小氣候調(diào)控設(shè)施栽培銀耳的技術(shù)及效益分析[J].食藥用菌，2015，23（2）：118-120.

[4]江善賜，孟冰祥，葉德彪.小氣候調(diào)控設(shè)施栽培銀耳的技術(shù)及效益分析[J].食藥用菌，2015（2）：118-120.

[5]李玉，于海龍，周峰，等.光照對(duì)食用菌生長(zhǎng)發(fā)育影響的研究進(jìn)展[J].食用菌，2011（2）：3-4.

[6]汪亮，劉洋，彭庶修.熱敏溫度傳感器基本特性與應(yīng)用[J]教育教學(xué)論壇，2017，02：194-195.

[7]烏海榮.濕度傳感器特性分類及發(fā)展趨勢(shì)的分析研究[J].科技信息，2012（23）：143.

（責(zé)編：張宏民）