城市微型食用菌工廠控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李佳丹，詹 柴，王 凱，徐志豪

（寧波市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院農(nóng)村發(fā)展和信息研究所，浙江寧波 315040）

植物工廠作為一種通過高精度控制設(shè)施內(nèi)生態(tài)環(huán)境的高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，成為破解自然資源緊缺現(xiàn)狀、變革勞動(dòng)關(guān)系、掙脫初級(jí)農(nóng)業(yè)市場(chǎng)低迷困境的有力實(shí)踐，也為現(xiàn)代都市人群開辟了一道通往自然、連結(jié)生態(tài)、關(guān)聯(lián)科學(xué)的寶貴路徑，引領(lǐng)未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。近些年，植物工廠的普及率大幅提高，但也存在諸多問題，如投入成本高，包括初裝成本、設(shè)施成本和物聯(lián)網(wǎng)成本，還有運(yùn)營和維護(hù)成本高，包括人工光源和環(huán)境控制等能耗大；其次是標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化程度低，集成度不高，增加了人工操作難度。目前市場(chǎng)上的規(guī)模化植物工廠基本處于虧損狀態(tài)，主要靠政府補(bǔ)貼維持，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展存在諸多瓶頸。

我國每年廢棄的集裝箱有30萬個(gè)左右，若利用廢棄的集裝箱進(jìn)行改造，打造城市微型植物工廠，投放在社區(qū)等城市公共空間及閑置空間，不但可以提高資源利用率，降低植物工廠建設(shè)和運(yùn)行成本，還能突破城市用地局限，符合智慧農(nóng)業(yè)、未來社區(qū)發(fā)展趨勢(shì)和消費(fèi)潮流，成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的新思路，前景廣闊。相較于大型智慧溫室，集裝箱式植物工廠具有模塊組合靈活、清潔安全、移動(dòng)方便、投入門檻低、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)勢(shì)，且系統(tǒng)集成和產(chǎn)品組件模塊化，便于運(yùn)輸和安裝。本研究設(shè)計(jì)開發(fā)城市微型食用菌工廠，可用于種植銀耳、蟹味菇、花菇等高附加值的菌類作物。這些菌類作物對(duì)溫濕度和空氣質(zhì)量等環(huán)境要求非常嚴(yán)格，微型食用菌工廠能滿足其在冬夏、炎熱或寒冷區(qū)域的部署，實(shí)現(xiàn)從菌種到收割完全無人值守情況下的周年生產(chǎn)。

本研究為測(cè)試集裝箱式食用菌工廠應(yīng)用于食用菌栽培的適應(yīng)性，選擇鮮銀耳開展栽培試驗(yàn)。鮮銀耳是一種營養(yǎng)價(jià)值高的藥食兩用菌類，其含水量極高、組織脆嫩，但菌體外表缺少保護(hù)，極易產(chǎn)生水分損失、營養(yǎng)價(jià)值下降、微生物感染等問題，極大地限制了鮮銀耳的儲(chǔ)運(yùn)、銷售和消費(fèi)[1-2]。因此，實(shí)現(xiàn)地產(chǎn)鮮銀耳的周年持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，不僅能夠滿足城市居民對(duì)安全高品質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品的需求，而且能助推新鮮食用菌產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 總體設(shè)計(jì)方案

城市微型食用菌工廠采用標(biāo)準(zhǔn)的40尺集裝箱高柜進(jìn)行改造，配置空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)、栽培系統(tǒng)、補(bǔ)光系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用定制菌棒進(jìn)行食用菌種植，食用菌生長所需的養(yǎng)分由菌棒提供，集裝箱內(nèi)只需搭設(shè)栽培架和LED 補(bǔ)光單元，無需另外配置水肥系統(tǒng)。采用總線方式接入濕度傳感器、空調(diào)模塊、風(fēng)機(jī)、集控面板、攝像頭、氣象站、空調(diào)面板、二氧化碳發(fā)生器、加濕器、智能空開等設(shè)備，并通過5G 邊緣網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)本地化的數(shù)據(jù)接入、設(shè)備識(shí)別、自動(dòng)策略、記錄保存，通過云存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)云端集中管控、歷史記錄分析、智能策略下發(fā)等功能，空間設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 集裝箱食用菌工廠設(shè)計(jì)圖

1.1 結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和圖像視頻數(shù)據(jù)融合一體化

硬件配置包括5G 邊緣主機(jī)、通訊模塊、交換機(jī)、氣象站、室內(nèi)溫濕度傳感器、攝像頭、空調(diào)模塊、加濕器、風(fēng)機(jī)和智能空開等，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、圖片自動(dòng)抓拍記錄、實(shí)時(shí)瀏覽計(jì)入一體化融合接入，通過5G 實(shí)現(xiàn)云端同步進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和視頻反饋，無需額外配置圖像視頻管理終端、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)服務(wù)器等。

1.2 多柜共享一個(gè)控制網(wǎng)關(guān)下的低延時(shí)管控

主機(jī)采用5G 邊緣主機(jī)（NAYOTA 公司），集軟硬件一體，采用瀏覽器訪問平臺(tái)，免除下載軟件的步驟；滿足多種協(xié)議類型，能夠快速方便地接入各種類型設(shè)備，以及對(duì)接BIM、VR等平臺(tái)，具有強(qiáng)大的兼容性和開放性；支持多機(jī)熱備，自動(dòng)切換，主機(jī)故障自動(dòng)切換到備份主機(jī)；自定義數(shù)據(jù)清洗，具備上下行的私有協(xié)議二次開發(fā)功能。5G的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)云端同步進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和視頻反饋，適應(yīng)多個(gè)種植柜的高效數(shù)據(jù)傳輸和自動(dòng)控制。

1.3 內(nèi)置成長模型滿足隨時(shí)移動(dòng)的快捷部署

通過5G 邊緣網(wǎng)關(guān)，可以實(shí)時(shí)同步各種成長模型，并有效進(jìn)行集中管控，滿足未來多品類的生產(chǎn)策略及多級(jí)營銷管控。

2 食用菌生產(chǎn)測(cè)試

銀耳是一種優(yōu)質(zhì)的藥食兩用菌，其中所含有的活性成分銀耳多糖可通過刺激效應(yīng)使巨噬細(xì)胞分泌細(xì)胞因子，進(jìn)而調(diào)節(jié)機(jī)體免疫系統(tǒng)和相關(guān)免疫通路，在免疫調(diào)節(jié)、降血糖、降血脂、抗癌和護(hù)肝等方面具有顯著效果[3-4]。鮮銀耳含水量高，具有較高的營養(yǎng)價(jià)值和較好的口感，產(chǎn)品附加值較高，但在采收后極易變質(zhì)。銀耳的生產(chǎn)周期為35～40 d，對(duì)栽培環(huán)境的敏感性強(qiáng)，目前的生產(chǎn)方式主要為小規(guī)模家庭作坊式栽培，但農(nóng)戶對(duì)環(huán)境條件的調(diào)控手段比較有限，需要頻繁進(jìn)入栽培房觀察，僅憑經(jīng)驗(yàn)和體感進(jìn)行人工噴霧及開窗通風(fēng)，管理不及時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)銀耳發(fā)育不良、畸形和病變等情況，甚至2～3 h 就可能出現(xiàn)大的生理性病變，導(dǎo)致栽培失敗。本研究利用設(shè)計(jì)開發(fā)的5G 智能種植箱（見圖2）通過場(chǎng)景設(shè)置實(shí)現(xiàn)設(shè)備批量控制、定時(shí)控制、循環(huán)控制。通過智能設(shè)置實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的條件控制、設(shè)備之間的聯(lián)動(dòng)控制、事件預(yù)警，在銀耳不同生長階段提供最適宜的成長環(huán)境。銀耳選擇菌株Tr21 品種，該品種深受江浙地區(qū)的消費(fèi)者青睞，多熬湯食用。

圖2 集裝箱食用菌工廠外觀圖

2.1 生長數(shù)據(jù)庫建設(shè)

2.1.1 Tr21銀耳生長模型數(shù)據(jù)

古田銀耳Tr21 是興華真菌研究所從家栽香灰菌株1 號(hào)與家栽銀耳芽孢分離單株02 號(hào)配對(duì)篩選得到的一個(gè)性狀優(yōu)良的變異單株[5]。Tr21 優(yōu)良菌株全生育期35～42 d，具有朵形美、耳片較白、產(chǎn)量高、品質(zhì)好、抗逆性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，生物學(xué)轉(zhuǎn)化率達(dá)134%，可作為銀耳工廠化栽培的主要推廣品種。Tr21 銀耳多銷往江浙地區(qū)用來熬湯食用，而東北地區(qū)消費(fèi)者則偏愛將Tr01銀耳涼拌。Tr21銀耳生長模型數(shù)據(jù)庫信息列于表1。

表1 Tr21銀耳生長數(shù)據(jù)庫

2.1.2 銀耳生長環(huán)境數(shù)據(jù)

菌棒基質(zhì)栽培銀耳主要受溫度、濕度、CO2濃度和光照四個(gè)環(huán)境因素的影響。菌棒放入集裝箱食用菌工廠之后便進(jìn)入出耳期，室溫控制在23 ℃，需定時(shí)噴霧加濕，確保空氣濕度維持在85%～93%，每天通風(fēng)3～4次，每次20～30 min，光照以自然光為主。子實(shí)體展片期，室溫控制在25 ℃，增加噴霧加濕頻率，空氣濕度控制在90%～95%，每日通風(fēng)2～3次，光照以自然光為主。采收前7 d，室溫控制在20～23 ℃，停濕造型，濕度控制在80%～85%，適當(dāng)增加通風(fēng)次數(shù)，每天4～5 次，通過LED燈適當(dāng)補(bǔ)光[6]。銀耳栽培的環(huán)境因素調(diào)控要求見表2。

表2 銀耳栽培的環(huán)境因素調(diào)控

2.2 無人值守下的食用菌生產(chǎn)

該產(chǎn)品于2020 年8 月開展第一批銀耳種植，投入300 根菌棒，每根菌棒出三朵菇。生產(chǎn)周期為2020 年8 月5 日至9 月6 日，出菇良好。銀耳生產(chǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)控圖像見圖3。種植試驗(yàn)及運(yùn)營結(jié)果表明，集裝箱食用菌工廠可以成功用于食用菌生產(chǎn)，為城市微型植物工廠技術(shù)發(fā)展拓寬思路。

圖3 銀耳生產(chǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)控圖像

3 商業(yè)化營銷模式探討

3.1 多功能產(chǎn)品開發(fā)

針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景，以集裝箱式植物工廠為核心載體，開發(fā)多種集裝模塊化組合栽培設(shè)施，以種植為主要功能做加法，如搭載休閑水吧、咖啡吧和觀景臺(tái)等休閑空間，還能進(jìn)行家居、辦公、商業(yè)、種植實(shí)驗(yàn)室的融合，滿足細(xì)分市場(chǎng)的差異化需求。同時(shí)，不斷優(yōu)化節(jié)能設(shè)施裝備的集成應(yīng)用，通過加載太陽能光伏板、雨水蓄水，降低投入和運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)零消耗、零能耗的無人值守系統(tǒng)，推動(dòng)集裝箱植物工廠的產(chǎn)業(yè)化、智能化、多功能化、可定制化發(fā)展。

3.2 多品類種植策略

集裝箱食用菌工廠全封閉或半封閉的生產(chǎn)環(huán)境可以有效防止害蟲和病原菌的入侵，減少殺蟲劑、殺菌劑等化學(xué)農(nóng)藥的使用，確保食用菌的安全，滿足都市居民對(duì)綠色、安全、高品質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品的需求。在銀耳自動(dòng)化生產(chǎn)模型的基礎(chǔ)上，拓展金針菇、蟹味菇、花菇、白玉菇等食用菌品類，在網(wǎng)關(guān)引入AI 控制模型，滿足多品類的種植策略。

3.3 多場(chǎng)景推廣應(yīng)用

隨著社會(huì)的發(fā)展、人民生活水平的提高，社區(qū)新鮮直售、教學(xué)實(shí)驗(yàn)、科研科普、休閑體驗(yàn)及園藝康養(yǎng)的需求旺盛。利用城市微型食用菌工廠實(shí)現(xiàn)城市居住環(huán)境下的智慧種植，簡(jiǎn)化種植養(yǎng)護(hù)過程，高效利用空間，滿足都市人群的多功能需求。同時(shí)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)洋貨輪、邊防哨所、高山海島、海軍艦艇等場(chǎng)景的周年高效穩(wěn)定產(chǎn)出，滿足少量群體的新鮮植物自給需求，具有重要的經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略意義。