基于物联网技术的食用菌“数智”远程预警监控系统及应用研究.pdf

物联网技术 2023年/第9期 全面感知 Comprehensive Perception380 引 言我国是食用菌生产和出口大国，食用菌产量、产值仅次于粮食、蔬菜、果品、油料，居于种植业第五位，已成为农民增收和脱贫攻坚的特色支柱产业，它既是菜篮子的重要组成，也是保健品、健康食品开发关注的热点。我国是世界上最早进行食用菌栽培的国家之一，目前作为商品栽培的食用菌有 60 多个种类1，实现规模化生产的约 30 多个种类，生产发展水平不一，栽培模式多样共存。据中国食用菌协会官方统计，2020 年我国食用菌产量、产值分别超过 4 000 万吨和 3 400 亿元，涉及 28 个省（直辖市、自治区），其中排名前七位的菇种依次为香菇、黑木耳、平菇、金针菇、杏鲍菇、双孢蘑菇和毛木耳，它们占到了全国产量的 83.97%2。金针菇、杏鲍菇基本已经实现工厂化生产，而香菇、黑木耳、平菇、双孢蘑菇和毛木耳基本仍采用传统农业式生产，农户作坊式分散生产占据主导地位，种植过程具有劳动强度大、繁琐和“凭经验办事”的特点，常引发高温热害、干旱、污染、病虫害、“死种”、“烧菌烂棒”、“流耳”、子实体干死或涝害等一系列生产问题，导致种植户遭受大量损失。如何有效预判灾情发生实现防灾减灾也是广大菇农的一致愿望。早在 1999 年被提出的物联网概念，是基于互联网技术实现“物”与“网”互连、物与物之间和互联网间的信息交流，达到“人”“机”“物”有效交流，实现物的智能化感知、识别、定位和管理等3-4。将物联网技术运用到食用菌智能生产中，是促进食用菌高质量生产的重要技术之一5-8，是实现食用菌智能生产的全新模式，能够提升食用菌生产水平，预防生产过程灾害，进而保障食用菌产业健康发展。我国食用菌仍将长期处于农业式生产阶段，开展食用菌传统栽培模式与数字技术的结合，有利于我国食用菌产业进步，提档升级。1 物联网在食用菌“数智”远程预警监控系统中的 应用框架物联网实现了“万物互联”9。在食用菌“数智”远程预警监控系统中，智能控制模块实现了各类感知数据的智能化采集、记录、管控和预测，对环境二氧化碳浓度、相对湿度、温度、光照强度等食用菌生长环境参数进行智能预警监控，确保环境参数能满足食用菌生长要求，实现防灾减灾。用户端借助通信网络通过电脑PC端或智能手机APP客户端，可以实现的功能包括：一是实现对食用菌生长环境参数的“看数”；二是实现对食用菌生长环境因子和气候环境的“预警”；三是实现视频远程管控食用菌生长情况；四是实现食用菌生长环境温度、湿度等参数因子的智能控制；五是借助平台实现与专家和技术能手直接交流栽培技术，获得技术指导、最新科技成果（品种）、共性技术交流、生产和栽培技术等。无论用户在何时何地都能借助网络实现“人”“机”“物”信息交换与通信，达到物的智能化感知、定位、监控与管理，实现用户、专家、技术能手的精密协作。在食用菌“数智”远程预警监控系统中物联网系统应用架构由感知模块、网络基于物联网技术的食用菌“数智”远程 预警监控系统及应用研究叶 雷1,2，李小林1，张 波1，杨学圳1，谭 伟1（1.四川省食用菌研究所，四川 成都 610066；2.四川农业大学 资源学院，四川 成都 611130）摘 要：为解决食用菌发菌和出菇期“凭经验办事”的问题，利用“视频+物联网设备+AI”的预警监控系统，做好食用菌栽培中的数字化“体检”，结合科研专家权威数据和本地专家的经验做好食用菌生产的指导和建议。实践证明，农户/农场主通过远程操作平台 APP 可提前获得气象预警，远程管理食用菌，降低种植风险、减少损失、减少工作量、提高效率。关键词：食用菌；物联网；远程；智慧乡村；预警；监测；控制中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2023）09-0038-03DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2023.09.011收稿日期：2023-02-08 修回日期：2023-03-06基金项目：财政部和农业农村部项目“国家现代农业产业技术体系”（CARS-20）；四川食用菌创新团队项目“食用菌工厂化和设施化栽培”（SCCXTD-2023-07）；德阳市科技计划项目（重点研发）“黄背木耳新型木粒菌种研发与配套接种技术应用创新”（2022NZ019）2023年/第9期 物联网技术全面感知 Comprehensive Perception39层和应用层组成，实现三者有机连接互通，如图 1 所示。图 1 食用菌“数智”远程预警监控系统应用框架模式1.1 感知模块感知模块利用各种传感器设备实现对食用菌生长环境参数的感知、测定、传送和调节，并均可与基站无线网络通信实现数据“上网”。食用菌生长环境（除基质营养条件、pH、C/N、基质水分外）主要外部参数有温度、湿度、光照和二氧化碳浓度。如图 2 所示，感知模块主要有网络基站、温度传感器（可外接传感器（棒），测量范围为-10 60，误差 0.5）、湿度传感器（测量范围为 0%100%RH，误差 4%RH）、二氧化碳浓度传感器（测量范围为 0 50 000 mg/L，误差 5%FSD）、光照传感器（0 50 000 lx，误差 4%）、网络摄像机、喷水控制电磁阀、水流量电磁阀、水位传感器（含探头）以及其他个性化功能设备（网络卷帘机、百叶窗、网络通风机、自动遮阳网等）。感知模块硬件组件各子模块均可采用弱电系统，在实现各模块信号稳定的同时，延长使用期限。系统性设计各感知模块实现了食用菌生长环境的实时查看、记录反馈。传感器是低功耗设备，内置电池可管 3 年，农户/农场主无须考虑接电、电费问题。图 2 部分感知模块组件1.2 网格模块网络层主要由基站网络、通信网络、网络服务平台等组成。各种感知模块将食用菌生长环境监测数据无线传输到基站，并借助网络传输到服务平台，经平台加工处理传送到应用模块，实现用户终端预警、提示。在食用菌“数智”远程预警监控系统中网格模块起着非常重要的中间桥梁作用，负责大量的数据存储任务、终端服务工作和数据能力响应协调调用等，是本研究系统的最核心组成部分。网络服务平台除了向用户端提供感知模块预警、提示外，还能实现个性化服务，如提供“菌事”管理月历：用户可在终端查看专家或平台提供的食用菌生产注意事项（图文、视频、语音）。灾害或极端天气预警消息推送：大风、冰雹、大雨等灾害天气多方式（短信、推送消息）主动预警通知用户预防灾害。数字广播：每日播报行业政策、价格销售走势、新闻、生产指导、天气预报、防灾预警等。食用菌生长预警、害虫预警：平台预制食用菌生长模型，监测到温度、湿度、二氧化碳浓度等环境参数超过用户自定或平台食用菌适宜生产范围，则向用户端预警。还可通过高清摄像机画面捕捉以及根据平台算法，对食用菌生长环境中的害虫进行预警提醒。1.3 应用模块应用模块主要包括用户“看数”、“预警”、视频及控制管理功能。一是数据快看。对于食用菌生长环境的光、温、水、气等参数，用户通过视频的远程 PC 端或智能手机 APP 客户端快速看，随时掌握生产环境情况。二是异常主动预警。平台将实时数据与专家、技能能手提供的种植算法库阈值匹配，如果温、光、水、气监测值超过阈值，手机主动预警通知农户，并提供处理参考办法，同时提供平台入驻专家信息，以寻求帮助。三是生产环境远程控制。用户端通过网络视频实时查看食用菌现场情况，并根据实时环境参数和平台参考数据进行预判，根据需要进行远程喷水（雾）、通风、升降温、调光等控制，实时记录呈现过程数据，实现数据多跑路、农户少跑腿、一机在手，线上看数，生产无忧。2 食用菌“数智”远程预警监控系统的应用研究2.1 在食用菌发菌期的应用目前全部人工栽培的食用菌在菌丝发菌期间都不需要光照，因为光照会促进菌丝从营养生长向生殖生长的转变和引起菌丝老化、分泌色素等。在人工栽培食用菌菌丝生长阶段，种植户更关心的是生长环境温度、湿度、二氧化碳浓度。由高温引起香菇、木耳、平菇、杏鲍菇等食用菌“烧菌烂棒”10的事情常有发生；高温高湿环境更是不利于食用菌的发菌，不仅会引起“烧菌”，还会引起大面积的料袋污染，带来严重经济损失；食用菌都是好氧真菌，除金针菇等生长环境要求较高二氧化碳浓度外，几乎人工栽培食用菌在发菌阶段都需要通风良好，若通风不良将导致菌丝长势弱、长速慢10。物联网技术 2023年/第9期 全面感知 Comprehensive Perception40食用菌“数智”远程预警监控系统在食用菌发菌期的应用能够解决发菌期“烧菌烂棒”问题，为种植户更好地掌握发菌环境情况提供新方案，避免高温、高湿、高二氧化碳等不利情况发生，通过温度、湿度、二氧化碳、光传感器等设备对发菌环境进行监测预警，实现防灾减灾。2.2 在食用菌出菇期的应用食用菌出菇期与发菌期是两个完全不同的阶段。出菇期重在对环境湿度、温度、光照强度、二氧化碳浓度等参数的适应性控制。食用菌“数智”远程预警监控系统的感知模块设计了温度传感器、湿度传感器和光照传感器，对食用菌出菇期环境参数进行监测预警和控制，当环境某单一或多一参数不满足食用菌出菇要求时，对用户端提供预警和解决方案。具体来说，是通过传感器监测环境参数数据，当数据异常时，向用户端推送数据异常预警信息，提供控制或解决方案，从而达到对温度、湿度、二氧化碳浓度等参数的追溯、预警和提醒。对于水分的控制，还能根据环境湿度监测数据，通过远程的喷水控制电磁阀、水流量电磁阀和实时视频，实现出菇期的远程浇水，还可以实现远程通风、调光等控制，达到减少生产劳动力、提高栽培效益的目的。2.3 在大数据预测中的应用本研究设计的食用菌“数智”远程预警监控系统在大数据预测中的应用主要体现在食用菌生长环境虫害测报和极端气象的预警。在食用菌生长环境病虫害测报方面，通过高清摄像机画面捕捉，对害虫进行拍照和基数记录；并借助平台害虫形态学分析和大数据算法，对食用菌生长环境害虫（菌蝇菌蚊等）种类和数量进行判断、预警，向用户终端提供虫害防控相关信息，同时推送提醒信息给同类菇种植户，生成虫害识别报告。在极端气象的预警方面，主要是关注当前官方气象发布数据和往年气象数据，并结合菇种的生长环境因子参数阈值进行气象预判的一种方案，如对冰雹、大风、高温等极端天气的提前预警。3 食用菌“数智”远程预警监控系统的发展策略在数字信息化环境下，构建食用菌“数智”远程预警监控平台，需要采取有效的措施，主要体现在发挥政府引导作用、健全系统设施体系、培养菌类信息技术人才和降低用户成本方面，这有利于促进食用菌产业技术和信息化的发展。食用菌“数智”远程预警监控系统切实可实现食用菌生产过程的预警、监测和控制，在食用菌主产区应大力推广，政府应积极引导和引进，提供必要的政策支持和优惠，引导种植户使用前沿科技信息，鼓励种植户健全系统设施体系，享受科技和信息化带来的便利，从而使得市场逐步扩大，系统应用普及，用户使用成本也会得到极大的降低，符合种植户预期。专家、技术队伍要跟上服务，培养本土技术人才，切实为种植户排忧解难，防灾减灾，降低损失。4 结 语本文设计的食用菌远程预警监控系统符合我国当下食用菌产业实际和发展需求，能够实现食用菌生长环境数据的监测、记录、可视化，并对环境温度、湿度、光照、二氧化碳等参数指标进行适应性控制，以满足食用菌种植需求，提高了食用菌生产管理水平和效率，达到了防灾减灾的目的。该系统可扩展应用到食用菌生产、销售等全过程，以及类似的农业行业，对我国智慧乡村建设具有较强参考价值。注：本文通讯作者为谭伟。参考文献1 钟华，段丽华，周彬，等.昆明食用菌林下栽培现状及其发展对策 J.西部林业科学，2017，46（2）：83-87.2 中国食用菌协会.2020 年度全国食用菌统计调查结果分析 J.中国食用菌，2022，41（1）：85-91.3 向岚.物联网技术在农业中的应用探讨 J.农村实用技术，2021，24（11）：3-4.4 杨凡，郑小南，李富忠.农业物联网技术在食用菌栽培中的应用 J.物联网技术，2020，10（12）：64-66.5 孙传恒，于华竟，徐大明，等.农产品供应链区块链追溯技术研究进展与展望 J.农业机械学报，2021，52（1）：1-13.6 李忠武.香菇菌棒烧菌烂棒的原因及预防措施 J.河南农业，2018，29（5）：15.7 李燕萍，李艳婷，徐莉娜.环境条件和营养因素对食用菌生长发育的影响 J.安徽农学通报，2022，28（3）：39-40.8 刘洋.基于云计算的食用菌栽培环境参数自动监测系统 J.中国食用菌，2020，39（2）：32-34.9 蔡杰，杨立新，徐红星.食用菌菇房物联网系统组成与设备选型分析 J.绿色科技，2017，8（21）：74-76.10 牛贞福，冀永杰，国淑梅，等.食用菌栽培管理多媒体专家系统的设计及开发 J.中国食用菌，2007，26（1）：31-33.作者简介：叶 雷（1992），男，博士研究生，助理研究员，研究方向为食用菌高效栽培。李小林（1985），男，博士，副研究员，研究方向为食用菌高效栽培。张 波（1987），男，博士，助理研究员，研究方向为食用菌高效栽培。杨学圳（1986），男，硕士，助理研究员，研究方向为食用菌高效栽培。谭 伟（1964），男，本科，研究员，研究方向为食用菌高效栽培。