食用菌溫室數(shù)字化培育裝置項目的研究

肖凱 XIAO Kai

（武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430205）

1 項目概述

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、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。為了有效解決上述問題，項目團隊設(shè)計出一種菌育寶——食用菌溫室數(shù)字化培育裝置，實現(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。同時，經(jīng)過實驗應(yīng)用，本裝置安全可靠，操作簡單，性價比高，具有很好的市場前景。項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，實現(xiàn)食用菌在生長中準(zhǔn)確地控制其環(huán)境溫度和濕度，保證其高效生長，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的技術(shù)手段，將溫室環(huán)境進行數(shù)字化管理和控制，實現(xiàn)對食用菌的培育過程進行精準(zhǔn)監(jiān)測和調(diào)控的一種裝置。利用傳感器和儀器對溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照強度等環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過數(shù)字化方式進行采集和記錄。自動控制基于數(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，實現(xiàn)對系統(tǒng)的精確控制和優(yōu)化。自動控制系統(tǒng)根據(jù)食用菌的生長需求，對溫室環(huán)境進行精確調(diào)控。例如，根據(jù)溫度要求自動啟動和關(guān)閉加熱設(shè)備，根據(jù)濕度要求自動啟動和關(guān)閉加濕設(shè)備，根據(jù)光照要求自動調(diào)節(jié)光照強度等。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)進行分析和統(tǒng)計，形成對食用菌生長過程的全面了解。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。利用云平臺和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)對溫室環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。用戶可以通過手機、電腦等終端設(shè)備，隨時隨地監(jiān)測溫室環(huán)境并進行必要的調(diào)整。

2 項目總體設(shè)計

食用菌溫室數(shù)字化培育裝置利用先進的技術(shù)手段對溫室環(huán)境進行實時監(jiān)測和精確調(diào)控，可以提高食用菌的產(chǎn)量和品質(zhì)，實現(xiàn)科學(xué)、智能化的食用菌生產(chǎn)管理。

本裝置包括一個不銹鋼支架、數(shù)字控制箱、溫度和濕度數(shù)據(jù)采集箱、光照強度控制裝置、數(shù)字自動滴灌裝置。鋼架可實現(xiàn)的自動折疊、翻轉(zhuǎn)和傾斜，溫度和濕度數(shù)據(jù)采集箱實時檢測，菌包溫度應(yīng)嚴(yán)格控制在20℃以下，當(dāng)相對濕度低于50%時數(shù)字自動滴灌裝置開始運行，高于60%時數(shù)字自動滴灌裝置停止運行，鋼架中有數(shù)字自動滴灌裝置，實時控制土壤含水量在58%～60%，pH 在7.4～7.6 之間，菌包子實體生長期間，開啟關(guān)照強度控制裝置使光強在10 勒～300 勒之間，從而實現(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

項目的創(chuàng)新點如下：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)字自動滴灌系統(tǒng)；③機械裝置結(jié)構(gòu)簡單，組裝方便可靠，結(jié)實耐用。

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

根據(jù)需要調(diào)節(jié)食用菌種植面積且易于拆卸和搬運，隔板之間的高度也可以根據(jù)實際情況進行調(diào)節(jié)，制作材料為不銹鋼，采用45 號鋼齒輪傳動方式，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，濕度傳感器長度900 毫米，隔板傳動齒條長度為700 毫米，LED 晶體串聯(lián)燈長600 毫米，傳動齒輪分度圓直徑為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，隔板中的齒輪傳動帶動隔板伸縮，從而有效控制食用菌菌袋和培養(yǎng)基鋪設(shè)面積，整個鋼架的最大延展面積可達(dá)到5.66 平方米，每個鋼架的占用面積為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)光照強度、溫度和濕度，當(dāng)開啟電源開關(guān)時，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，控制箱會報警，提醒工作人員，手動調(diào)節(jié)溫度，濕度以75%至95%為宜，不滿足該濕度范圍的話，也會預(yù)警，提醒工作人員手動調(diào)節(jié)濕度，溫度和濕度數(shù)據(jù)采集箱實時檢測，菌包溫度應(yīng)嚴(yán)格控制在21℃～34℃，當(dāng)相對濕度低于50%時數(shù)字自動滴灌系統(tǒng)會對土壤或培育基進行自動滴灌，高于60%時數(shù)字自動滴灌系統(tǒng)停止運行，菌包子實體生長期間，開啟關(guān)照強度控制系統(tǒng)使光強在10 勒克斯～300 勒克斯之間，從而實現(xiàn)對子實體生長能有效控制。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 食用菌培育智能管理系統(tǒng)設(shè)計

通過以下技術(shù)方案實現(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)前生長階段，并將食用菌當(dāng)前生長階段之前的各生長階段作為各歷史生長階段，提取食用菌在各歷史生長階段的環(huán)境參數(shù)。環(huán)境參數(shù)分析模塊，用于根據(jù)監(jiān)測的食用菌在各歷史生長階段的環(huán)境參數(shù)分析得到食用菌各歷史生長階段環(huán)境參數(shù)波動率。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階段的尺寸圖像，將其記為食用菌各歷史生長階段圖像。生長影響指數(shù)分析模塊，用于將獲取的食用菌各歷史生長階段圖像同食用菌對應(yīng)生長階段標(biāo)準(zhǔn)圖像進行比對，分析獲得食用菌各歷史生長階段的生長影響指數(shù)。環(huán)境參數(shù)偏差評估模塊，用于根據(jù)食用菌各歷史生長階段環(huán)境參數(shù)波動率和生長影響指數(shù)，分析食用菌在當(dāng)前生長階段的環(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，則對食用菌在當(dāng)前生長階段的環(huán)境參數(shù)進行調(diào)控。生長情況預(yù)測模塊，用于根據(jù)獲取的食用菌各歷史生長階段的生長影響指數(shù)預(yù)測食用菌的成熟時間。質(zhì)量檢測模塊，用于對成熟階段食用菌的尺寸偏差率、表面損傷情況、形狀偏離度進行檢測，進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，并對食用菌進行質(zhì)量分析處理。管理數(shù)據(jù)庫，用于儲存食用菌各歷史生長階段標(biāo)準(zhǔn)圖像、食用菌在各歷史生長階段的最佳環(huán)境參數(shù)。

4.2 優(yōu)選算法設(shè)計

食用菌各歷史生長階段的生長影響指數(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階段圖像并單獨劃分出食用菌各歷史生長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階段尺寸，將食用菌各歷史生長階段尺寸同設(shè)定的食用菌對應(yīng)歷史生長階段標(biāo)準(zhǔn)尺寸進行比對，獲得食用菌各歷史生長階段尺寸與食用菌對應(yīng)歷史生長階段標(biāo)準(zhǔn)尺寸的比值，記為Δεi，i 表示為食用菌第i 個生長階段的編號，i=1，2，…，n。

食用菌各歷史生長階段環(huán)境參數(shù)波動率的具體分析方法為：提取食用菌在各歷史生長階段的各時間段的環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、光照強度和二氧化碳值，分別記為αim、βim、τim、σim，m 表示為各時間段的編號，m=1，2，…，q，通過求取平均值獲得食用菌各歷史生長階段環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、光照強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階段環(huán)境參數(shù)波動率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)波動率的修正系數(shù)。

食用菌在當(dāng)前生長階段的環(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階段環(huán)境參數(shù)波動率γi和生長影響指數(shù)Ψi，通過公式獲得食用菌在當(dāng)期生長階段的環(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環(huán)境參數(shù)波動率的影響權(quán)重，Δγi′為設(shè)定的食用菌第i 個歷史生長階段的允許環(huán)境參數(shù)波動率閾值，n 為歷史生長階段的數(shù)量。

第二步，將食用菌在當(dāng)前生長階段的環(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)閾值進行比對，若食用菌在當(dāng)前生長階段的環(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，則對食用菌在當(dāng)前生長階段的環(huán)境參數(shù)進行調(diào)控。

食用菌在當(dāng)前生長階段的環(huán)境參數(shù)進行調(diào)控的具體方法為：第一步，讀取預(yù)設(shè)的食用菌當(dāng)前生長階段標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境參數(shù)并提取食用菌當(dāng)前生長階段的標(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)前生長階段環(huán)境濕度、光照強度和二氧化碳值的調(diào)控值，并根據(jù)實際調(diào)控值將環(huán)境參數(shù)進行調(diào)整。

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

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)尺寸進行比對，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，檢測轉(zhuǎn)換后的灰度圖像中每一個像素點的灰度值，將其與設(shè)定的食用菌成熟階段標(biāo)準(zhǔn)圖像對應(yīng)的灰度值范圍進行對比，得到符合范圍的像素點數(shù)量，記為ρ′，并將其和食用菌成熟圖像中的像素總數(shù)進行比對，進而通過公式獲得食用菌表面的霉菌占比值κ；同時將食用菌成熟圖像與純白色背景圖像進行重疊，將重疊后的圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像并檢測各像素灰度值，統(tǒng)計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數(shù)量，將其和食用菌成熟圖像中的像素總數(shù)進行比對，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)圖像進行圖像重疊，并對重疊后的圖像進行二值化處理，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)量最低值進行比對，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行處理措施。

5 裝置標(biāo)定及性能測試

相對于現(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)在食用菌生長過程中根據(jù)視頻監(jiān)控的方式來監(jiān)測食用菌的生長程度，并將其各個時期菌菇標(biāo)準(zhǔn)的圖像進行比對得到生長影響指數(shù)，進而對溫度、濕度、光照強度、二氧化碳值進行調(diào)控，這樣無需人工親臨現(xiàn)場便可以及時發(fā)現(xiàn)潛在的問題或異常情況，并快速采取措施進行調(diào)整，從而優(yōu)化食用菌的生長條件，提高食用菌的生長效率和產(chǎn)量；本系統(tǒng)通過對食用菌生長的情況對其成熟的時間進行預(yù)測，可以更好地掌握收獲的時機，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，同時預(yù)測成熟時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)，可以快速評估食用菌的質(zhì)量，并及時采取相應(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，同時也提高了消費者對食用菌的滿意度。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。項目團隊開展了大量實驗工作，根據(jù)實驗得知，數(shù)字化培育裝置對食用菌的生長具有明顯優(yōu)勢。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)字化培育裝置對食用菌生長環(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)境變化對食用菌生長的影響，提高其耐病性。

6 結(jié)論

通過對比不同品種食用菌在溫室數(shù)字化培育裝置和傳統(tǒng)培育方式下的生長情況，項目團隊證實了食用菌溫室數(shù)字化培育裝置對食用菌生長具有顯著優(yōu)勢。食用菌溫室數(shù)字化培育裝置能更好地控制食用菌生長環(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。