银耳栽培物联网环境监控系统的设计与实现

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　　摘 要：根据银耳栽培管理的技术要求，应用物联网与云服务技术，经系统设计、开发与优化，研制了一套银耳栽培物联网环境监控技术。经技术测试的结果表明，该监控系统可以对银耳栽培环境的空气温度、空气湿度、栽培基质温度、栽培基质湿度、光照强度、二氧化碳浓度进行智能化监控，准确、稳定、实用，有助于生产者对银耳栽培实现精准化管理，提高银耳栽培的生产效率。
　　关键词：银耳;栽培环境;物联网;智能监控
　　中图分类号 TP237 文献标识码 A 文章编号 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，是我国著名的食药兼用菌[1]。福建省古田县是全国袋栽银耳的发源地和主产区，是“古田银耳”的原产地域，目前古田县银耳产量占全国总产量的95%以上，世界银耳总产的80%以上[2]。
　　银耳栽培整个生产周期仅35～40d，其栽培与环境的关系极为密切，对生产环境的敏感性强。古田县银耳生产方式主要以规模较小的家庭作坊式栽培为主。农户在银耳生产过程中，对环境条件的调控手段比较有限，需要长时间在栽培房进行观察，侧重对空气温度的观测，仅凭经验进行人工喷雾及开窗通风，观测不连贯、调控不准确。一旦遭遇气候变化，如果管理不及时，常常出现银耳发育不良、畸型、病害等情况，甚至2～3h内就可能出现大量生理性病变，导致栽培失败[3]。因此，科学调控栽培环境已成为了银耳生产发展的关键问题。
　　为此，笔者根据银耳栽培管理的技术需求，应用物联网等信息技术，研究设计了一套银耳栽培物联网环境监控技术，旨在为提高菇农银耳栽培的精准管理水平，提升菇品等级，减轻菇农的劳动强度，降低银耳生产风险。
　　1 银耳栽培的环境因素
　　1.1 温度 空气温度和栽培基质温度直接影响着菌丝的生长和子实体的发育。在银耳栽培过程中，空气温度受通风或制冷等因素的影响变化快，栽培基质温度的变化具有滞后性。因此，监测并分析空气温度和栽培基质温度，具有很好的生产指导意义。银耳在不同的生长阶段对温度的要求不同，接种后的前15d为发菌阶段，银耳混合菌丝（银耳纯菌丝与香灰菌丝）在18～28℃能正常生长，以23～26℃为适;发菌阶段前3d，可提高温度至28℃抢温发菌，之后控温25℃，以促进菌丝发育;出耳期，室温控制在23℃;子实体展片期，室温控制在25℃最佳;采收前7d，温度控制在20～23℃。
　　1.2 湿度 湿度是银耳生长发育过程中重要的影响因子，一旦超出适宜的湿度阈值，则不利于银耳的生长发育，或引起烂耳，影响产量与品质。银耳不同的生长阶段，对湿度的要求不同。接菌种时，栽培基质的含水量要求控制在60%～65%。生产阶段，主要靠空气加湿的方式来调节空气湿度;发菌阶段空气湿度不易超过70%;出耳期，空气湿度85%～93%，子实体展片期空气湿度控制在90%～95%;银耳采收前停湿造型，湿度控制在80%～85%。目前，银耳栽培管理上只对接种时栽培基质水分含量作出要求。在银耳栽培过程中，栽培基质水分含量的变化及其与空气湿度的相关性，对银耳产出的影响尚未见研究报道。将栽培基质湿度作为监测指标具有一定的科研价值。
　　1.3 CO2浓度 银耳为好氧真菌，菇房通风不良会导致菇房内氧气不足，CO2浓度偏高，进而影响到银耳子实体展片，朵型不好甚至出现畸形。目前，生产上菇房通风主要集中在出耳期至成熟期，频次为每天3～4次，每次20～30min。CO2浓度在菌丝生长阶段以0.03%～0.04%为最适;出耳阶段0.04%为适;子实体发育阶段0.06%为适;成熟采收阶段维持在0.03%最适[4]。监测菇房CO2浓度，调控通风换气设备开关，实现CO2浓度的超限预警与调控，有利于进一步优化银耳栽培环境，促进银耳栽培技术的提升。
　　1.4 光照强度 光照是影响食用菌生长发育不可或缺的因素。光照的作用机制是复杂的，既能促进食用菌的生长发育，又可抑制食用菌的生长发育[5]。在银耳子实体生长阶段，利用自然散射光或低光照适当补光，光照强度在400～500lx能够促使耳片增厚，色泽洁白，提高银耳品质。成熟采收期，光照强度500～600lx最适[4]。监测光照强度并适时调控，有利于进一步提高银耳的生产技术水平。 　　2 银耳栽培环境监测方法
　　2.1 监测对象 根据上述分析，本研究确定空气温度、空气湿度、栽培基质温度、栽培基质湿度、CO2浓度、光照强度等6个环境参数作为银耳栽培环境的监测对象。这6个环境参数是银耳生长过程的关键因素，监测这些参数的变化情况并及时发出预警信息，对于银耳栽培精准管理具有直接的指导作用。
　　2.2 监测范围和频率 目前，古田菇农栽培菇房为砖墙结构;房屋结构为长方形，长10～12m，高3.5～4m，1条通道的菇房宽3.3m，布2排栽培架，栽培面积220～320m2;2条通道的菇房宽4.4m，布3排栽培架，栽培面积270～400m2。1个菇房选择1个适当的位置设立1个环境监测点即可反映整个菇房环境温湿度变化情况。空气温度与空气湿度变化快，波动较大，采集频率以这2个参数确定。根据测试，空气温度与空气湿度在20min以内波动幅度较小（≤±5%）。
　　3 系统整体设计
　　系统设计遵循物联网技术基本构架分为感知层、传输层、应用层。采用智能监测、预警与专家决策相结合的技术路线，通过实时监测银耳栽培菇房的6个环境参数，运用云服务技术，为菇农提供及时准确的温湿度监测与预警信息及远程电气控制;同时，对接气象部门相对精准的气象数据（菇农可以接收到定位点最近气象站发报的气象信息），做到预警、预判并提前采取措施。技术系统如1所示。
　　4 硬件的配置与优化
　　设计的硬件子系统包含智能监控主机（具有采集、传输、控制等功能）、天线、4G无线路由器（或SIM卡通讯模块）、空气温度传感器、基质温度传感器、空气湿度传感器、基质湿度传感器、CO2浓度传感器、光照强度传感器、电源适配器、内置锂电池、声光报警器、信号增强天线等组成的硬件子系统，并根据银耳栽培管理需求进行了技术优化。对技术硬件的要求是结构紧凑、装配简单、经济实用：一是各组配件能够稳定运行，信息监测与传输准确，尤其是环境参数监测传感器，要能够适应银耳菇房高湿的环境;二是一套设备能够同时监控多间菇房（每间菇房至少布置一组传感器，每组传感器包括上述6个环境参数监测传感器）;三是采用无线传感器，ZigBee组网，最多容纳254个传感器。古田银耳菇房为联排式，每排菇房有2～6间甚至更多。设计一套设备同时监控6间菇房，不仅在硬件结构上更加紧凑，技术经济性较好;应用上也能减少繁琐的布线拉网，采收后方便菇房的清理整修工作。
　　4.1 传感器的配置与选择 温度传感器选择不锈钢封装的NTC热敏电阻传感器，该传感器可同时应用于空气温度与栽培基质温度的监测。NTC热敏电阻传感器的原理是将温度变化转為电压变化，信号放大后经AD转换为数字信号传输给主机处理[6]。
　　空气湿度传感器选择霍尼韦尔型板载式传感元件，采用激光微调设计，具有稳定性强、低漂移的特点。该传感器为模拟量型，需经AD转换后远程传输[7]。在银耳生产过程中，空气湿度需要长期保持在很高的水平，而使用空气湿度传感器存在传感器易冷凝影响测量精度的问题，严重时还会损坏传感器。空气湿度传感器内置于定制的百叶箱中，并内置5V风扇，由单片机上集成的微型时间控制器下达指令每间隔10min开启5min，即保证百叶箱内外空气温湿度一致，又可去除结露。
　　基质湿度传感器采用离子导电电阻型传感器，敏感元件为湿敏电阻。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖感湿材料膜，水分含量发生变化会影响电阻值，进而测量含水率。对基质湿度传感器进行优化，通过使用小尺寸传感器和高阻值电阻膜，改善传感器在应用中的电流损耗，提高准确性及稳定性。
　　CO2浓度传感器为气敏型传感器，在菇房中使用可能出现结露现象，影响测量的精度及传感器的寿命，而且未做防护的传感器在实际应用过程中精度的长期稳定性较差，需要防护处理并及时校对探头。可选择红外吸收型CO2传感器，此类传感器是基于气体的吸收光谱随物质的不同而存在差异的原理制作而成的，具有灵敏度高、响应快、稳定性好、不易结露等优点。
　　光照强度传感器采用光敏电阻型传感器，该类型传感器灵敏度高，体积小，重量轻，性能稳定，经济性好。光敏电阻型光照强度传感器虽然易受温度影响，但菇房生产环境温度并不高，且银耳生产周期内温度变化幅度不大，因此，此类传感器较为适用。
　　4.2 智能监控主机的配置与优化 每一台智能监控主机设有唯一的ID识别号码，用于设备的添加、转移、删除、定位等管理。主机具有数据采集、存储、传输、接收于下达远程指令等功能。传感器均采用防水航空接头，方便菇农根据使用需求灵活调整。主机自身具备不少于10万组的数据存储功能，当通讯信号异常时，数据先在主机存储，恢复正常运行后集中上报服务器。每间菇房配置1个声光报警器，方便菇农更直观的现场应急响应。主机内置22400mA锂电池，作为应急电源可续航6h以上。主机配电容式触摸屏165cm×114cm，主要显示监测数据、电气启闭状态、参数设置、通讯信号、日期与时间、报警情况等，主机整机大小45cm×35cm×20cm，上线速度快，开机后5min即可在线查看数据。
　　5 软件子系统的开发
　　根据银耳栽培物联网环境监控系统功能实现的要求，软件子系统即银耳栽培智能监控云平台信息管理系统（简称云平台），包括电脑客户端web版软件与手机客户端APP软件。电脑客户端为管理员应用平台，采用Tomcat+Java+MySQL构成3层式Web结构，具有良好的扩展性和解耦性。手机客户端为菇农应用平台，基于安卓操作系统，采用H5技术开发，上线快速、稳定。
　　电脑客户端由管理员使用，完成对云平台及菇农账号的管理。电脑客户端除具有手机客户端的所有功能外，还具备以下功能：管理菇农账号，添加、删除、转移产品，管理项目，导出监测数据，添加或删除菇农联系用手机号码，设置数据推送频率、记录频率等。
　　菇农通过手机客户端实现银耳栽培环境的智能监控、设备管理等功能：查看菇房相关设备的运行情况，查看环境监测指标的实时数据，获得报警信息，进行环境调控;分析历史监测数据，调整栽培管理技术;设置银耳生产周期及不同生产阶段，备注菇房、主机及传感器名称;设置环境监测参数报警阈值;通过调整“+”、“-”参数以校正传感器，利于提高传感器的准确性，延长传感器的使用寿命;接收专家数据库给出的生产技术指导，如不同生产阶段的病虫害防治要点等;接收精准推送的局域气象预警信息，方便菇农及时进行预判与处置。
　　云平台通过多种监测预警方式确保监测预警信息有效送达：手机客户端与电脑客户端推送弹窗信息，向绑定的联系人发送短信或拨打电话，通过微信小程序推送消息等。其中，拨打电话的信息推送方式需要选择具有SIM卡通讯模块的智能监控主机，可设置5个联系人手机号码，云平台根据预警处理情况依次拨打。云平台同步开发微信小程序，绑定菇农账号后，菇农可以在微信上查看、接收监测、预警信息，更加方便实用。
　　6 系统的功能实现
　　经技术测试，银耳栽培物联网环境监控系统具有准确性、稳定性与实用性，系统运行的网络拓扑示见图2。
　　7 结语
　　本研究应用物联网技术和云服务技术，设计了一套银耳栽培物联网环境监控技术系统，对于降低生产风险、提高银耳生产效率、增加菇农收入有着直接的促进作用。同时，数据中心的菇房信息数据库为研究人员提供了大量的技术数据，有助于开展银耳栽培技术研究，具有良好的技术推广前景。
　　参考文献
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　　[2]李怡彬，陈虹，郑明初，等.罐藏新鲜银耳生产工艺参数的研究[J].福建轻纺，2006（11）：86-90.
　　[3]江善赐，孟冰祥，叶德彪.小气候调控设施栽培银耳的技术及效益分析[J].食药用菌，2015，23（2）：118-120.
　　[4]江善赐，孟冰祥，叶德彪.小气候调控设施栽培银耳的技术及效益分析[J].食药用菌，2015（2）：118-120.
　　[5]李玉，于海龙，周峰，等.光照对食用菌生长发育影响的研究进展[J].食用菌，2011（2）：3-4.
　　[6]汪亮，刘洋，彭庶修.热敏温度传感器基本特性与应用[J]教育教学论坛，2017，02：194-195.
　　[7]乌海荣.湿度传感器特性分类及发展趋势的分析研究[J].科技信息，2012（23）：143.
　　（责编：张宏民）
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