基于大數據的智慧香菇平臺開發與設計

摘" 要：該文旨在探討基于大數據的智慧香菇平臺的開發與設計。介紹大數據在農業領域的應用，重點分析大數據在香菇種植中的應用潛力。詳細介紹智慧香菇平臺的架構設計，采用大數據、物聯網、云計算等現代信息化技術，開發智慧香菇平臺，實現對香菇種植的精細化管理，為助力智慧農業發展提供技術支持。通過該文的研究，可以實現對香菇種植環節的精細化管理，增產增效、縮減成本，為菇農安全、高效生產保駕護航，既增加菇農收益，縮減開支，同時也助力香菇種植突破產業瓶頸，實現跨越式、高質量發展，助力鄉村振興。

關鍵詞：大數據；智慧香菇平臺；智慧農業；物聯網；精細化管理

中圖分類號：F323" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2024）12-0007-05

Abstract： This article aims to explore the development and design of a smart mushroom platform based on big data. Introduced the application of big data in the agricultural field， with a focus on analyzing the potential application of big data in mushroom cultivation. This article provides a detailed introduction to the architecture design of the Smart Mushroom Platform， which adopts modern information technologies such as big data， Internet of Things， and cloud computing to develop the Smart Mushroom Platform and achieve fine management of mushroom cultivation， providing technical support for the development of smart agriculture. Through the research in this article， it is possible to achieve refined management of the mushroom cultivation process， increase production and efficiency， reduce costs， and safeguard the safe and efficient production of mushroom farmers. This not only increases the income of mushroom farmers， reduces expenses， but also helps mushroom cultivation break through industry bottlenecks， achieve leapfrog and high-quality development， and assist in rural revitalization.

Keywords： big data; smart mushroom platform; smart agriculture; Internet of Things; fine management

香菇作為一種重要的食用菌，具有豐富的營養價值和廣泛的市場需求。然而，傳統的香菇種植方式存在著生產周期長、產量不穩定、病蟲害防治困難等問題。近些年，頻發的極端天氣，如夏季氣溫偏高，冬季出菇時氣溫偏低或出現連陰天氣等，均會對菌棒的生長管理、香菇的品相產生致命影響，小則收益縮水，嚴重則顆粒無收，嚴重影響菇農的種植效益，同時又嚴重制約香菇的高質量發展。而采用物聯網、云計算、大數據等現代信息化技術，開發智慧香菇平臺，為香菇種植、生產、加工等環節提供了全新的解決方案[1]。

本文旨在探討采用大數據、物聯網、云計算等現代信息化技術，開發智慧香菇平臺，對香菇的種植環節進行有效跟蹤，實現對香菇種植的精細化管理，為香菇種植提供科學、高效的解決方案，推動智慧農業的發展，促進農業的可持續發展。

1" 智慧香菇平臺的概述

1.1" 大數據在農業領域的應用

1.1.1" 大數據對農業生產的影響

隨著信息技術的快速發展，大數據在農業領域的應用日益廣泛。大數據的引入為農業生產帶來了巨大的變革，大數據可以通過對農田土壤、氣象、水質等多種數據的采集和分析，為農民提供準確的農業生產指導，幫助他們更好地管理農田和農作物。大數據可以通過對農產品市場需求、價格波動等數據的分析，為農民提供科學的決策依據，幫助他們合理安排生產和銷售[2]。大數據還可以通過對農業生產過程中的病蟲害、氣候變化等因素的監測和預警，提前發現問題并采取相應措施，從而降低農業生產風險。

1.1.2" 大數據在香菇種植中的潛力

香菇作為一種重要的食用菌，具有豐富的營養價值和廣泛的市場需求。然而，傳統的香菇種植方式存在著生產周期長、產量不穩定、病蟲害防治困難等問題。大數據技術的引入為香菇種植帶來了新的機遇和挑戰。通過對香菇種植過程中的溫濕度、CO2濃度、光照強度等關鍵指標的實時監測和分析，可以幫助農民精確控制環境條件，提高香菇的產量和質量。大數據還可以通過對香菇種植過程中的病蟲害、疾病傳播等因素的監測和預警，幫助農民及時采取防治措施，減少損失。

1.2" 智慧農業與智慧香菇平臺的關系

1.2.1" 智慧農業的概念與特點

智慧農業是指運用先進的信息技術和大數據分析方法，實現農業生產的智能化、自動化和精細化管理。智慧農業的特點主要體現在以下幾個方面。數據化：智慧農業以數據為核心，通過傳感器、監測設備等采集農業生產數據，對農作物生長、土壤狀況、氣象變化等進行實時監測和分析，為農業生產提供精準的數據支持。精準化：利用大數據、云計算等技術手段對農業生產過程進行精準管理，實現精準施肥、精準灌溉、精準防病等操作，提高農業生產效率和質量。自動化：智慧農業將自動化技術應用于農業生產過程，實現農業機械化、智能化和自動化，減輕農民的勞動負擔，提高生產效率。生態化：智慧農業注重生態環境保護，通過優化種植結構、合理施肥、科學管理等手段，實現農業可持續發展，保護土壤、水資源等生態環境。智能化：利用人工智能、機器學習等技術手段，對農業生產過程進行智能化管理和決策，提高農業生產效率和管理水平。通過運用大數據技術，智慧農業可以實現對農田土壤、氣象、水質等多種數據的實時采集和分析，為農民提供準確的農業生產指導。智慧農業還可以通過對農產品市場需求、價格波動等數據的分析，為農民提供科學的決策依據。

1.2.2" 智慧香菇平臺的定義與功能

智慧香菇平臺是基于大數據技術開發的一種專門用于香菇種植管理的平臺。該平臺通過對香菇種植過程中的溫濕度、CO2濃度、光照強度等關鍵指標的實時監測和分析，幫助農民精確控制環境條件，提高香菇的產量和質量。

智慧香菇平臺核心功能目標是實現實時監測，自動化及科學管理，大數據收集、分析、決策，遠程智能控制，使得香菇種植管理方便快捷。核心目標如圖1所示。

該平臺的功能描述如下。①實時監測。能夠對香菇種植過程實現24小時監測環境信息，包括溫濕度、CO2濃度、光照強度、培養質情況等。監測信息同步呈現到控制平臺上，以數字、曲線圖形式反饋，用戶登錄控制平臺，即可直觀反映食用菌的生長環境和動態。②自動預警。支持用戶設置監測閾值、預警方式（包括短信、郵件、微信、自動電話等方式預警，設置后系統以設置的方式向用戶發送預警信息/或自動語音通話）。能對香菇種植基地的空氣溫濕度、CO2濃度、光照強度等環境參數超限、控制設備異常等情況，進行預警通知。還可以對香菇種植過程中的病蟲害、疾病傳播等因素進行監測和預警，幫助農民及時采取防治措施，減少損失。③遠程控制。香菇種植基地的風機、噴霧、燈光等裝置均已接入智慧香菇平臺，平臺支持預先設定管理準則、設備啟動閾值，以及各項控制參數。平臺根據設定的閾值參數及與現場監測參數的偏差以及環境實時變化進行計算，實現自動控制設備的開關條件，實現自動通風、補/遮光、加濕，以保證香菇生長所需的適宜環境；同時也支持手機、電腦、平板等終端設備的智慧香菇平臺的人工手動控制。④參數及權限設置。參數設置，環境監測參數：設置溫度、濕度、光照、CO2濃度等環境因子的閾值范圍。香菇生長參數：根據香菇品種和生長階段，設置不同階段的生長周期、條件、管理規則。報警參數：設置監測數據超出閾值時的預警方式和預警頻率等。權限設置，用戶角色：定義不同的用戶角色，如管理員、工人、農業專家等，并分配相應的權限。數據訪問權限：設置角色對平臺數據的訪問權限。設備控制權限：分配角色對監測設備的不同控制權限，如啟動、停止、校準等。系統操作權限：平臺配置、參數設置等高級功能設置。⑤數據信息分析/管理。包括：各項監測數據的分析、香菇種植趨勢分析等各種分析；數據存儲、查詢、下載、打印等。此外，智慧香菇平臺還具有智能決策、優化，以及拓展功能，可以根據智能決策建議，為菇民提供種植計劃和香菇銷售策略，以及具備功能拓展，不斷改進升級系統，提高經濟效益和社會效益。

2nbsp; 智慧香菇平臺的架構設計

2.1" 物聯網智能控制系統

系統分為4層架構，如圖2所示，分別是感知層、傳輸層、平臺層和應用層。其中感知層主要是依托于各類傳感器對香菇生長的各項環境指標進行監測以及通過繼電器對大棚內的各類設備進行控制，比如：溫濕度傳感器、光照傳感器、氣體傳感器等；傳輸層是依托Wi-Fi、4G/5G、NB-Iot（無線網絡通信協議）、Zigbee（無線網絡通信協議）等技術將傳感器數據傳給平臺層，并能傳輸平臺層下發的各項控制指令；平臺層是物聯網云平臺，主要用來管理各類傳感器和設備數據，以便應用層可以對數據進行整理，存儲及分析；應用層是依托平臺層設計的物聯網控制軟件，面向的對象是香菇生產企業、合作社以及菇農，可以通過控制軟件實現香菇生產的精細化管理，節能增效增產。

2.2" 數據采集與傳輸模塊

2.2.1" 傳感器技術在香菇種植中的應用

為了實現對香菇種植環境的實時監測，智慧香菇平臺需要采集多種關鍵指標的數據[3]。其中，溫度、濕度、CO2濃度和光照強度是影響香菇生長的重要因素。為了準確地獲取這些數據，可以使用各種傳感器技術。例如，溫度和濕度可以使用溫濕度傳感器進行監測，CO2濃度可以使用CO2傳感器進行監測，光照強度可以使用光照傳感器進行監測。這些傳感器可以將采集到的數據轉化為電信號，并通過無線或有線方式傳輸給智慧香菇平臺。

2.2.2" 數據傳輸與存儲方案的選擇

為了保證數據的及時性和準確性，智慧香菇平臺需要選擇合適的數據傳輸與存儲方案。對于數據傳輸，可以選擇無線傳輸技術，如Wi-Fi、藍牙或LoRaWAN（LoRa Wide Area Network，是基于LoRa射頻技術構建的一種低功耗、廣域通信協議，用于連接和管理廣域范圍內的LoRaWAN設備）等，以實現數據的實時傳輸。對于數據存儲，可以選擇云存儲技術，將采集到的數據上傳至云服務器進行存儲和管理。云存儲具有容量大、可擴展性強、數據安全性高等優點，可以滿足智慧香菇平臺對大量數據的存儲和處理需求。

2.3" 數據處理與分析模塊

2.3.1" 大數據處理技術的選擇

智慧香菇平臺需要處理大量的數據，因此需要選擇合適的大數據處理技術[4]。常用的大數據處理技術包括分布式存儲系統和分布式計算框架。分布式存儲系統可以將數據分散存儲在多個節點上，提高數據的存儲和訪問效率，分布式存儲系統還具有數據冗余和容錯機制，以確保數據的高可用性和可靠性。常見的分布式存儲系統包括HDFS、GFS、Ceph和GlusterFS。分布式計算框架可以將數據分布式地進行計算和分析，通過提供編程模型和API（應用程序編程接口），提高數據處理的速度和效率。常用的分布式計算框架包括Hadoop、基于內存的分布式計算框架Spark、基于流處理和批處理的分布式計算框架Flink和批處理和流處理數據Beam等。分布式存儲系統與分布式計算框架通常結合以構建一個完整的大數據處理和分析平臺。例如，HDFS與Hadoop MapReduce或Spark結合使用，以存儲和處理大規模數據集；Ceph或GlusterFS與其他分布式計算框架結合使用，以滿足特定的數據處理需求。

2.3.2" 數據分析算法的設計與優化

為了從采集到的數據中提取有價值的信息，智慧香菇平臺需要設計和優化數據分析算法[5]。可以使用統計分析方法對數據進行描述性統計和趨勢分析，了解香菇生長環境的變化規律。可以使用機器學習算法對數據進行建模和預測，選擇合適的機器學習或深度學習模型進行訓練。例如，可以使用回歸模型來預測香菇生長周期、產量等連續變量；使用分類模型來識別病蟲害發生的風險；或者使用聚類模型來分析不同生長條件下的香菇品質差異。在模型訓練過程中，需要采用合適的優化算法和損失函數，以確保模型的準確性和泛化能力。通過交叉驗證、繪制學習曲線和混淆矩陣等方法來評估模型的性能。根據評估結果，對模型進行調參和優化，以提高預測精度和魯棒性。此外，還可以使用集成學習方法（如隨機森林、梯度提升樹等）來結合多個模型的優點，進一步提高性能。還可以使用數據挖掘算法發現隱藏在數據中的規律和關聯性，為決策提供支持。

3" 智慧香菇平臺的功能實現

智慧香菇平臺的功能模塊設計如圖3所示。

3.1" 實時監測與預警功能

3.1.1" 溫濕度監測與控制

智慧香菇平臺通過溫濕度傳感器實時監測香菇種植環境的溫度和濕度。通過采集到的數據，可以分析香菇生長所需的最適宜溫濕度范圍，并與實際環境數據進行對比。如果溫濕度超出了合理范圍，智慧香菇平臺會發出警報并自動調整環境條件，例如啟動降溫設備或增加濕度控制裝置，以保持溫濕度在合適的范圍內，促進香菇的正常生長。平臺的整體功能如圖3所示。

3.1.2" 病蟲害預警與防治

智慧香菇平臺通過病蟲害監測傳感器實時監測香菇種植環境中的病蟲害情況。通過采集到的數據，可以分析病蟲害的發生規律和傳播趨勢。當病蟲害的發生概率超過預設閾值時，智慧香菇平臺會發出預警，并提供相應的防治建議。例如，可以根據病蟲害類型和嚴重程度，推薦使用合適的農藥或生物防治方法，以減少病蟲害對香菇產量和質量的影響。

3.2" 智能決策與優化功能

3.2.1" 生產計劃與調度優化

智慧香菇平臺通過對大量的數據進行分析和建模，可以為農民提供科學的生產計劃和調度優化建議。根據歷史數據和當前環境數據，智慧香菇平臺可以預測香菇的生長速度和產量，并根據市場需求和價格波動情況，推薦合理的生產計劃。智慧香菇平臺還可以根據香菇生長的特點和需求，優化生產調度，例如合理安排溫濕度控制、光照強度調節等操作，以提高香菇的產量和質量。

3.2.2" 營銷策略與市場預測

智慧香菇平臺通過對市場需求、價格波動等數據的分析，可以為農民提供科學的營銷策略和市場預測。根據歷史數據和當前市場情況，智慧香菇平臺可以預測香菇的市場需求和價格趨勢，并根據農民的生產能力和資源情況，推薦合理的銷售策略。例如，在市場需求旺盛時增加產量，以獲取更高的利潤；在市場需求低迷時減少產量，以避免庫存積壓和損失。

4" 智慧香菇平臺的應用案例

4.1" 智慧香菇種植示范基地

4.1.1" 平臺在種植過程中的應用效果

為了評估智慧香菇平臺在實際種植過程中的應用效果，選擇了一家香菇種植示范基地進行案例分析。該基地使用智慧香菇平臺進行香菇種植管理，通過溫濕度傳感器、CO2傳感器和光照傳感器實時監測香菇種植環境的溫濕度、CO2濃度和光照強度。通過對采集到的數據進行處理和分析，智慧香菇平臺可以提供精確的環境控制建議，幫助農民調整溫濕度、CO2濃度和光照強度，以促進香菇的正常生長。示范基地如圖4所示。

經過一段時間的實際應用，智慧香菇平臺在香菇種植示范基地取得了顯著的效果。平臺實時監測和控制溫濕度、CO2濃度和光照強度，使得香菇的生長環境始終保持在最適宜的范圍內，促進了香菇的快速生長和高產量。平臺通過病蟲害監測傳感器實時監測病蟲害的發生情況，并提供相應的防治建議，有效降低了病蟲害對香菇產量和質量的影響。平臺還通過智能決策與優化功能，為農民提供科學的生產計劃和調度優化建議，提高了經濟效益和社會效益。

4.1.2" 經濟效益與社會效益的評估

為了評估智慧香菇平臺在經濟效益和社會效益方面的影響，進行了經濟效益和社會效益的評估。在經濟效益方面，通過智慧香菇平臺的應用，香菇種植示范基地的產量顯著增加，銷售收入大幅提升。由于病蟲害的有效防治，減少了農藥的使用量，降低了生產成本。在社會效益方面，智慧香菇平臺的應用提高了農民的生產技術水平和管理能力，促進了農業現代化的發展。智慧香菇平臺的應用還減少了對環境的污染，提高了農業的可持續發展水平。

4.2" 智慧香菇產業鏈的優化

4.2.1" 平臺在供應鏈管理中的應用效果

除了在香菇種植示范基地的應用，智慧香菇平臺還可以在整個香菇產業鏈中發揮重要作用。通過與供應商、加工廠和銷售商的信息共享和協同，智慧香菇平臺可以實現供應鏈的優化。例如，平臺可以根據市場需求和價格波動情況，預測香菇的供應量和價格趨勢，幫助供應商合理安排生產和采購計劃。平臺還可以實時監測香菇的質量和運輸狀況，提供質量追溯和物流管理服務，保證香菇的品質和安全。

4.2.2" 產業鏈協同與創新的推動

智慧香菇平臺的應用不僅可以優化香菇產業鏈的運作，還可以推動產業鏈的協同和創新。通過平臺的信息共享和協同，不同環節的參與者可以更好地協調合作，提高整個產業鏈的效率和競爭力。平臺還可以通過數據分析和挖掘，發現潛在的創新機會和市場需求，促進產業鏈的創新發展。

5" 結束語

通過本文的研究，可以得出以下結論。

智慧香菇平臺的應用可以顯著提高香菇的產量和質量。通過實時監測和控制溫濕度、CO2濃度和光照強度，提供精確的環境控制建議；通過病蟲害的實時監測和預警，幫助農民及時采取防治措施，減少病蟲害對香菇產量和質量的影響。

智慧香菇平臺的應用可以優化香菇產業鏈的運作。通過與供應商、加工廠和銷售商的信息共享和協同，實現供應鏈的優化，提高整個產業鏈的效率和競爭力；通過數據分析和挖掘，發現潛在的創新機會和市場需求，促進產業鏈的創新發展。

智慧香菇平臺的應用對農業的可持續發展具有重要意義。通過減少農藥的使用量、優化生產計劃和調度，降低農業對環境的污染，提高農業的可持續性；還可以提高農民的生產技術水平和管理能力，促進農業現代化的發展。

智慧香菇平臺的開發與設計為香菇種植提供了科學、高效的解決方案，推動了智慧農業的發展，促進了農業的可持續發展。然而，智慧香菇平臺的應用仍面臨一些挑戰，例如數據安全性和隱私保護等問題。因此，未來的研究還需要進一步探索和解決這些問題，以推動智慧香菇平臺的廣泛應用和發展。

參考文獻：

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基金項目：河南省高等學校重點科研項目計劃支持（24B520028）

第一作者簡介：吳爽（1987-），女，碩士，講師。研究方向為數據挖掘、生物信息計算。