白靈菇養(yǎng)殖監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)

胡學(xué)林 臧乃琿 梁靚 周佳書 甘如玉

摘要 白靈菇是一種食用價值、藥用價值和經(jīng)濟價值都較高的珍稀食用菌，由于白靈菇對溫度、濕度、光照等條件具有較高的敏感度，現(xiàn)有的普通農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖技術(shù)對于白靈菇生長要素的監(jiān)測預(yù)警還有所欠缺。該研究根據(jù)已有的有關(guān)白靈菇的研究數(shù)據(jù)設(shè)計了一種針對白靈菇養(yǎng)殖的農(nóng)業(yè)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，通過電腦和手機來實現(xiàn)遠程控制，實現(xiàn)了對溫度等環(huán)境要素的實時監(jiān)測。

關(guān)鍵詞 白靈菇；養(yǎng)殖農(nóng)業(yè)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)；智能農(nóng)業(yè)

中圖分類號 S127 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）34-323-03

白靈菇（Pleurotus nebrodensis）是阿魏菇的一個變種，它的重要價值主要體現(xiàn)在食用和藥用兩方面，被譽為“草原上的牛肝菌”和“側(cè)耳”。白靈菇通體雪白如玉，菇肉細膩，口感鮮美，狀似靈芝，深受消費者青睞。

白靈菇的食用價值在于它含豐富有益健康的營養(yǎng)成分，其中粗纖維含量高達15.4%，蛋白質(zhì)含量約達14.7%，氨基酸總量約達10.6%，脂肪含量約達4.3%。除此之外，白靈菇還富含維生素D以及鈣、鐵、鋅、錳等礦物質(zhì)元素[1]。

白靈菇的醫(yī)藥價值在于它能殺蟲消炎、鎮(zhèn)咳消積和防治腫瘤。在白靈菇對小鼠免疫功能的影響試驗中發(fā)現(xiàn)：白靈菇多糖能大幅提升小鼠腹腔內(nèi)巨噬細胞的吞噬能力，使生物體內(nèi)保持穩(wěn)定平衡。試驗表明白靈菇內(nèi)的多糖和礦質(zhì)元素能有效調(diào)節(jié)機體生理平衡、增強人體免疫功能。

白靈菇出菇率低、出菇慢，影響了其商品價值?？茖W(xué)栽培的白靈菇出菇率可達90%，而不當(dāng)?shù)脑耘喾绞綍嘴`菇的出菇率降低到70%，甚至更低。錯誤或失當(dāng)?shù)酿B(yǎng)殖環(huán)境給白靈菇的生產(chǎn)帶來了損失，運用先進的計算機技術(shù)進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指導(dǎo)已經(jīng)成為當(dāng)下農(nóng)業(yè)信息化研究的重點。國內(nèi)外對農(nóng)業(yè)預(yù)警系統(tǒng)研究已經(jīng)有了一定的理論基礎(chǔ)，并且也有了一些成功的經(jīng)驗，在很大程度上降低了養(yǎng)殖環(huán)境不當(dāng)對農(nóng)業(yè)作物生產(chǎn)造成的損害[3]。白靈菇有很高的營養(yǎng)價值和經(jīng)濟價值，建立一個針對白靈菇的養(yǎng)殖監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)能對其生長狀況進行實時查詢分析、觀察監(jiān)控十分必要。

1 系統(tǒng)概述

農(nóng)業(yè)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)主要依靠傳感技術(shù)、無線技術(shù)、寬帶技術(shù)、SIP （Standard Inspective Procedure）技術(shù)、視頻技術(shù)、智能控制技術(shù)等對農(nóng)作物生活環(huán)境例如土壤、空氣溫度、水分、二氧化碳、光照等參數(shù)進行監(jiān)控與管理，保證實時監(jiān)控，使作物能夠更好地生長[2]。從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的角度來看，該系統(tǒng)能帶來更高的存活率和產(chǎn)出值；就環(huán)境保護角度而言，該系統(tǒng)可以產(chǎn)出健康放心的農(nóng)產(chǎn)品，而且可以使產(chǎn)品的質(zhì)量更高，獲得更好的收益。在運行該監(jiān)控系統(tǒng)前需要對農(nóng)田進行考察，結(jié)合農(nóng)田自身條件對產(chǎn)品進行改良，調(diào)試出最適合的農(nóng)業(yè)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)工作原理

傳感器將實時數(shù)據(jù)按一定的周期采集到數(shù)據(jù)采集器，通過數(shù)據(jù)采集器對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，最終使數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娦呕静⑦M入互聯(lián)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)通過客戶端發(fā)送給有有需要的農(nóng)戶[4]。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。智能農(nóng)業(yè)管理平臺見圖2。

3 系統(tǒng)硬件組成

3.1 環(huán)境采集傳感器

通過對白靈菇生長環(huán)境的深入研究，同時考慮并參考了目前國內(nèi)傳感器相關(guān)產(chǎn)品的發(fā)展成熟程度，白靈菇養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)的前端主要部署了4種類型的傳感器來對白靈菇的生長環(huán)境要素指數(shù)進行監(jiān)測（圖3）。

3.1.1 空氣溫度傳感器。

溫度主要影響酶及細胞器和細胞膜的活性，可以控制白靈菇的吸收與蒸騰、光合作用與呼吸等重要的生理功能。空氣溫濕度是影響白靈菇生長最直觀、重要的因素，通過對空氣溫濕度的監(jiān)測可以實時了解白靈菇的基本生產(chǎn)環(huán)境，及時采取措施將生長環(huán)境調(diào)控到最佳狀態(tài)。白靈菇是低溫型的菌類，其菌絲一般的生長溫度為5～32 ℃。如果環(huán)境溫度在5 ℃以下，白靈菇的生長會十分緩慢，甚至停止生長；而若環(huán)境溫度為35～37 ℃，菌絲就會停止生長，所以白靈菇生長的最適宜環(huán)境溫度為22～25 ℃。在白靈菇的菌絲體后熟階段，需要用30～45 d左右才能達到生理性的成熟，此階段的環(huán)境溫度一般控制在-3～15 ℃，當(dāng)溫度為 7～12 ℃時，白靈菇的子實體才能進行分化。白靈菇出菇階段的生長溫度一般在3～22 ℃[1]，其中最適宜的溫度是13～18 ℃。由于白靈菇對生長的環(huán)境溫度要求十分嚴(yán)格，所以需要安裝空氣溫度傳感器，實時監(jiān)控白靈菇生長基地溫度，保證處在適宜溫度。

3.1.2 光照傳感器。

光照對白靈菇的生長、發(fā)育和品質(zhì)均有重要影響。光以光強、光質(zhì)和日照時間的長短對白靈菇產(chǎn)生生態(tài)效應(yīng)。光強高低對光和效率有重要影響。通過光照傳感器采集白靈菇培育溫室中的光照程度并傳回終端與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進行對比，根據(jù)對比結(jié)果遠程調(diào)控光照條件。在發(fā)菌階段，無光條件下的白靈菇可以完全正常地生長；在菇體生長發(fā)育的階段，完全黑暗的條件下子實體幾乎不能分化，所以需要一定的光照；然而強光照射下白靈菇也不易形成子實體。白靈菇生長所需要的光照條件一般為照度800～1 500 lux，而光照時間則要達到每天12～14 h。光照傳感器主要監(jiān)控菇體生長發(fā)育階段的光照條件，避免出現(xiàn)過強或過弱的光線。

3.1.3 空氣濕度傳感器。

白靈菇在果實生長迅速期和營養(yǎng)生長初期對水分要求比較高，如果這個時候缺水會對白靈菇的生長產(chǎn)生較大的影響。當(dāng)不能及時給白靈菇提供水補償時白靈菇的光合作用速率就會下降，合成酶的活性也會受到抑制，此時白靈菇的生長就會受阻。

根據(jù)大棚溫室白靈菇生長環(huán)境來確定濕度傳感器的數(shù)量。查閱資料可知，白靈菇的生長需要料水比為1∶1，水分為65%的培養(yǎng)料[1]，空氣相對濕度85%～90%是白靈菇生長的最適濕度。當(dāng)相對濕度過高時出現(xiàn)黃菇的概率比較高，但空氣濕度過小時常發(fā)生菌蓋龜裂。所以需要實時監(jiān)控白靈菇生長大棚濕度。

3.1.4 氧氣、二氧化碳傳感器。

白靈菇屬于好氧性菌類。在白靈菇子實體形成時期需要充足的氧氣，才能促進白靈菇的正常生長。同時白靈菇對二氧化碳較敏感，當(dāng)二氧化碳的濃度達到0.4%或以上時，就可能會產(chǎn)生畸形菇，而產(chǎn)生畸形菇可能會引起菇體腐爛、發(fā)臭從而停止生長發(fā)育，影響白靈菇的品質(zhì)。所以必須時刻監(jiān)測大棚中的二氧化碳濃度，保證其小于0.4%。

3.2 系統(tǒng)各項功能

3.2.1 遠程控制功能。大棚內(nèi)一般安裝帶有控制箱控制功能的風(fēng)機、照明燈、噴灌設(shè)備等常見設(shè)備，管理人員可以根據(jù)平臺監(jiān)測到的傳感器數(shù)據(jù)，判斷異常情況并通過平臺遠程控制某個設(shè)備的開、關(guān)。

①大棚控制器采用有線方式與現(xiàn)場控制器通訊在主控設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)交換；②遠程控制內(nèi)容主要包括補光系統(tǒng)、遮陽系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)。遠程控制終端除了通過電腦客戶端平臺實現(xiàn)遠程控制外，還可以通過手機Web方式實現(xiàn)遠程控制。

3.2.2 閾值設(shè)置功能。此功能指系統(tǒng)中具有相應(yīng)權(quán)限的用戶可以設(shè)置各傳感器的閾值上下限，包括對溫度、濕度、二氧化碳、光照等各傳感器的閾值設(shè)置。

3.2.3 系統(tǒng)報警功能。

系統(tǒng)會根據(jù)設(shè)定的閾值與傳感器上采集的數(shù)據(jù)進行比對，如果采集的數(shù)據(jù)超出閾值，平臺將會自動在監(jiān)控頁面上進行報警。管理平臺可以實現(xiàn)界面報警、聲音報警和短信聯(lián)動報警，確保工作人員在第一時間收到告警信息，及時采取措施，將損失降到最低。當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)正常后，平臺告警標(biāo)識解除。

3.2.4 自動生成分析報表?？筛鶕?jù)用戶的需求，將數(shù)據(jù)庫中存儲的不同時間段白靈菇種植信息、生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)信息等以圖表或曲線的形式自動生成各種分析報表，為白靈菇的生長研究提供數(shù)據(jù)，為今后白靈菇的種植提供參考。整個環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的作用就是使白靈菇生長在一個相對恒定的環(huán)境中，盡量減少外界環(huán)境變化對其生長產(chǎn)生的影響。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

該研究在了解白靈菇的生長環(huán)境、生長過程中易產(chǎn)生的問題以及成因的基礎(chǔ)上，結(jié)合多方試驗所得的白靈菇最適生長環(huán)境的相關(guān)數(shù)據(jù)，建立了較為完善的數(shù)據(jù)庫及養(yǎng)殖監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的設(shè)計背景、各項功能、硬件設(shè)施、以及預(yù)期效果做了詳細的闡述。該系統(tǒng)的研究與開發(fā)可以總結(jié)為以下幾個方面：

（1）在對多年歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上確定了白靈菇養(yǎng)殖監(jiān)測預(yù)警的各項指標(biāo)，包括溫度、濕度、酸堿度、氧氣和光照指標(biāo)等。

（2）利用溫度、濕度、光照、酸堿度、含氧量等傳感器作為系統(tǒng)的硬件設(shè)施將實際種植處的各項數(shù)據(jù)傳輸回終端。

（3）將傳輸回終端的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中各項指標(biāo)的對比，從而按照結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的預(yù)警信號。

（4）系統(tǒng)控制者接收預(yù)警信號后，通過遠程控制端或其他手段，對養(yǎng)殖環(huán)境進行適當(dāng)調(diào)控。

4.2 系統(tǒng)特點與展望

該研究基于一定的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持，是一套相對完整的、系統(tǒng)的、全面的白靈菇養(yǎng)殖監(jiān)測、預(yù)警與遠程控制系統(tǒng)[8]，實現(xiàn)了白靈菇養(yǎng)殖過程中生長環(huán)境突變的警情分析、預(yù)測預(yù)報功能，為相關(guān)生產(chǎn)提供統(tǒng)一、權(quán)威、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持與信息服務(wù)，具有以下特點：

①該系統(tǒng)具有功能穩(wěn)定、界面簡單、可擴展性強以及安全性等特點，方便管理人員進行系統(tǒng)的維護與管理[5]；②利用信息化手段對白靈菇養(yǎng)殖環(huán)境進行監(jiān)測并預(yù)警分析，機理性和可靠性強[9]；③統(tǒng)計分析與數(shù)值模擬相結(jié)合，定性和定量相結(jié)合，研究白靈菇生長環(huán)境指標(biāo)體系，集成與創(chuàng)新并舉。

應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將農(nóng)業(yè)預(yù)警提高到一個新的高度[10]。采用溫室無線傳感器管理調(diào)控溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度等使白靈菇的生長條件達到最適宜水平。該系統(tǒng)的應(yīng)用能提高白靈菇的產(chǎn)量和質(zhì)量，做到農(nóng)業(yè)高效化；并且綠色環(huán)保，做到了有機生產(chǎn)。

農(nóng)業(yè)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)實施后可以先在白靈菇生產(chǎn)基地進行運營，后期可以增加物聯(lián)網(wǎng)全程追溯系統(tǒng)[8]對白靈菇來源、生產(chǎn)、檢測體系到現(xiàn)代物流等環(huán)節(jié)進行數(shù)字化管理，并為消費者提供全過程可視的追溯查詢平臺，在使白靈菇大批量增產(chǎn)的同時也能保障消費者的食品安全。

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