基于溫濕度傳感器的食用菌培養(yǎng)室環(huán)境設(shè)計*

肖俊華，陳凡亮

（南昌大學(xué)共青學(xué)院，江西 九江 332020）

隨著社會和技術(shù)進(jìn)步，食用菌栽培正向著工廠化、規(guī)模化的方向發(fā)展[1]。許多食用菌已經(jīng)開始在現(xiàn)代化的大棚和工廠廠房中栽培，外界環(huán)境、氣候的變化對食用菌生長的影響慢慢變小。從廣義上理解，培養(yǎng)室是指栽培食用菌所用的大棚、房屋甚至山洞等場所；而狹義上專指在食用菌工廠化生產(chǎn)過程中所使用的廠房。在這種廠房中，人們可以自由控制食用菌生長的環(huán)境，控制光照、通風(fēng)和溫濕度，給各種食用菌創(chuàng)造一個適于生長的小環(huán)境[2]。通過各種傳感器采集食用培養(yǎng)室環(huán)境信息并進(jìn)行控制，從而人為地控制培養(yǎng)室環(huán)境以有利于食用菌的生長。

培養(yǎng)室克服了外界不利環(huán)境帶來的影響，這對食用菌栽培至關(guān)重要[3]。特別是對于培養(yǎng)室的溫濕度控制，是保障食用菌正常生長的重要因素。溫濕度控制是典型的自動化控制問題[4]，用人工經(jīng)驗控制的精度和準(zhǔn)確性不高，不可控因素較大。而且經(jīng)驗和技術(shù)是一種事后控制，往往發(fā)現(xiàn)問題時已經(jīng)造成了一定的不良反應(yīng)，不具有實時性。

因此，通過對培養(yǎng)室中的溫濕度這一重要環(huán)境信息進(jìn)行控制，提出采用溫濕度傳感器來解決培養(yǎng)室溫濕度環(huán)境信息的采集問題。力求安全、穩(wěn)定地采集、傳輸培養(yǎng)室溫濕度數(shù)據(jù)，保障整個培養(yǎng)室環(huán)境控制系統(tǒng)的正常運行。

1 培養(yǎng)室溫濕度傳感器

1.1 溫濕度傳感器的工作原理

溫濕度傳感器是一種疊加了溫度和濕度2種測量功能的數(shù)據(jù)采集元件，用于采集環(huán)境中的溫度和濕度信號。其中溫度信號是通過熱敏元件來完成，多采用熱電阻（resistance temperature detector）和熱電偶（thermocouple）元件；而濕度信號是通過濕敏元件，主要有電阻式、電容式兩大類[5]。溫濕度傳感器通過元件材料的物理或化學(xué)性質(zhì)變化，將環(huán)境中的溫濕度轉(zhuǎn)化成有用的電信號，再經(jīng)過傳感器內(nèi)部自帶的運算放大、視覺識別（visual identity） 轉(zhuǎn)換等數(shù)字處理電路，將數(shù)字電信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)模擬的電流或電壓信號輸出。與相應(yīng)的儀表和控制電器連接后，這種輸出的模擬信號就可以用于溫濕度的自動化控制。

1.2 培養(yǎng)室溫濕度傳感器的選型

培養(yǎng)室環(huán)境溫濕度的控制要求較高、食用菌生長環(huán)境需要較大的空氣濕度和陰暗的環(huán)境，由于工作環(huán)境的特殊性，培養(yǎng)室內(nèi)安裝的溫濕度傳感器的要求也與一般工業(yè)控制的傳感器要求有所不同。

1）培養(yǎng)室濕度較大，潮濕的環(huán)境對傳感器的元件的性能有一定的要求。如熱電阻傳感器中常用的電阻材料有鎳、銅和鉑等[6]，在潮濕環(huán)境下，鉑金屬本身的化學(xué)穩(wěn)定性較好，電信號輸出也更加線性，因此應(yīng)采用鉑金電阻的傳感器。同時，也可以考慮采用激光傳感器、紅外傳感器和微波傳感器等不受潮濕環(huán)境影響的傳感器。但除了傳感器元件的防潮外，傳感器配套電子元件的防潮也需要加以重視。在培養(yǎng)室潮濕環(huán)境下，經(jīng)常會噴水保溫，雖然傳感器是非密封性的，但為了保護測量的準(zhǔn)確度，裸露在外的傳感器也需要有對傳輸電路板、顯示器等有相應(yīng)的防水保護裝置。

2）對培養(yǎng)室的溫度和濕度控制來說，一般食用菌生長并不需要過高的精度控制，溫濕度在一個大致的范圍內(nèi)即可。因此，使用相對濕度RH為±5%的精度的傳感器就已足夠，該精度也在25℃下的測量值，符合食用菌生長要求的環(huán)境溫度，可控制的溫度變化范圍為0.1℃；濕度控制屬于RH 80%～100%的高濕段，適合食用菌生長的空氣濕度范圍。

3）在培養(yǎng)室使用時，還需要考慮傳感器的維護和使用壽命，由于溫濕度傳感器需要裸露在外進(jìn)行測量，培養(yǎng)室內(nèi)有濕氣和上下料時的灰塵，也會有消毒、殺蟲時的化學(xué)試劑腐蝕，這些都會造成傳感器電氣元件測量精度的下降，產(chǎn)生時間、溫濕度數(shù)據(jù)的漂移。一般每隔半年需要校對一次傳感器的精度。使用2年左右的傳感器要考慮老化問題，及時更換或重新標(biāo)定有效期。

1.3 培養(yǎng)室溫濕度傳感器的安裝

濕度傳感器是非密封性的，為保護測量的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，應(yīng)盡量避免在酸性、堿性及含有機溶劑的環(huán)境中使用，也避免在粉塵較大的環(huán)境中使用。為正確反映欲測空間的濕度，還應(yīng)避免將傳感器安放在離墻壁太近或空氣不流通的死角處。如果被測的房間太大，就應(yīng)放置多個傳感器。有的濕度傳感器對供電電源要求比較高，否則將影響測量精度，或者傳感器之間相互干擾，甚至無法工作。使用時應(yīng)按照技術(shù)要求提供合適的、符合精度要求的供電電源。傳感器需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離信號傳輸時，要注意信號的衰減問題，當(dāng)傳輸距離超過200 m以上時，建議選用頻率輸出信號的濕度傳感器。

培養(yǎng)室如果安裝了溫濕度傳感器，那也一定會有一套與之匹配的自動化控制或監(jiān)控系統(tǒng)，用于接收溫濕度傳感器采集的信號并進(jìn)行調(diào)控。為保障濕度傳感器采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要選擇正確的安裝位置和安裝方式。在培養(yǎng)室內(nèi)平面空間一般20 m2～30 m2安裝一個溫濕度傳感器，立體空間垂直3 m～5 m安裝一個傳感器。傳感器之間要有間隔，安裝的位置要避免在培養(yǎng)室的拐角、門口和通風(fēng)口旁邊，也避免安裝在培養(yǎng)室加熱升溫、噴淋和電機等有振動的設(shè)備附近。在安裝方式上根據(jù)培養(yǎng)室的實地情況，可以采用壁掛式安裝，避免淋水，也便于后期的維護和管理。

2 培養(yǎng)室生產(chǎn)環(huán)境的設(shè)計

2.1 培養(yǎng)室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計思路

由于傳感器技術(shù)的進(jìn)步和食用菌工廠化栽培的需要，培養(yǎng)室栽培環(huán)境的自動化控制技術(shù)也日臻成熟。在食用菌工廠化栽培的培養(yǎng)室內(nèi)，除了溫濕度傳感器外，還安裝有光照強度、二氧化碳濃度、pH檢測等多種傳感器，實現(xiàn)對食用菌栽培全過程的環(huán)境監(jiān)控管理。

由于采用了溫濕度傳感器采集數(shù)據(jù)，當(dāng)傳感器監(jiān)測到溫濕度數(shù)值超過設(shè)定參數(shù)值范圍時，就自動通過發(fā)送控制信號，啟動制冷或加熱，進(jìn)行通風(fēng)或啟動加濕器工作，以調(diào)節(jié)培養(yǎng)室內(nèi)的溫度和濕度，給各種食用菌生長提供最佳的生長環(huán)境。這種監(jiān)控和調(diào)節(jié)都是實時自動完成的，已經(jīng)有部分監(jiān)控系統(tǒng)達(dá)到了智能化控制的水平。

2.2 基于溫濕度傳感器的培養(yǎng)室環(huán)境設(shè)計

以工廠化比較成熟的金針菇生產(chǎn)為例。金針菇工廠化生產(chǎn)主要的工藝流程有前期的培養(yǎng)料制備、裝瓶、滅菌、接種和菌絲培養(yǎng)等環(huán)節(jié)，后期還有催蕾、出菇管理和采收包裝等環(huán)節(jié)。每個階段都有相應(yīng)的溫濕度傳感器。

2.2.1 培養(yǎng)料制備環(huán)境設(shè)計

在培養(yǎng)料制備階段，無論采用那種配方，都需要對培養(yǎng)料進(jìn)行充分的攪拌，采用攪拌機進(jìn)行攪拌時，需要對原材料進(jìn)行預(yù)濕浸透水分，還需要控制加水的水溫。在攪拌機內(nèi)壁安裝溫濕度傳感器，將注水溫度控制在15℃～20℃；控制培養(yǎng)料含水量保持在65%左右，以保障攪拌的效果。同時，還可以安裝pH傳感器，控制培養(yǎng)料中的pH 6.6～7.0之間，通過這些傳感器可以精確控制攪拌過程，保障生產(chǎn)出合格標(biāo)準(zhǔn)含水量的培養(yǎng)料。

2.2.2 滅菌與接種環(huán)境設(shè)計

金針菇的工廠化栽培多采用全自動化的機械裝瓶方式，裝瓶后采用高壓滅菌，以減少雜菌污染。滅菌時的溫度由高壓滅菌設(shè)備控制，培養(yǎng)料瓶從滅菌鍋中搬出時溫度很高，需要冷卻至20°C～25°C才能接種，溫度太高會造成菌種發(fā)育變異，溫度太低也會影響菌絲生長速度。利用栽培瓶的余熱加快菌比定殖速度是工廠化生產(chǎn)常用的方法，在冷卻室使用溫濕度傳感器控制冷卻溫度在合理的范圍內(nèi)，即可以利用余熱，又能夠保證低溫接種要求。工廠化栽培已經(jīng)多采用自動接種機在無菌車間接種。

2.2.3 菌絲培養(yǎng)

接完種后的栽培瓶在安裝有溫濕度傳感器的發(fā)菌室發(fā)菌。發(fā)菌室環(huán)境溫度控制在（20±2）℃，空氣相對濕度控制在65%左右。金針菇發(fā)菌期間的溫度管理十分重要，溫度過高容易產(chǎn)生雜菌，菌絲變黃萎縮，高于34℃時金針菇菌絲會停止生長；而溫度過低也會造成發(fā)菌后期菌絲生長緩慢。但人工栽培中往往會因自然環(huán)境溫度的過高或過低，直接影響金針菇的發(fā)菌。人工培養(yǎng)很難均衡地保持理想的發(fā)菌溫度。

因此，可以利用溫濕度傳感器監(jiān)測發(fā)菌室內(nèi)的空氣環(huán)境溫濕度，并對采用到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析運算、經(jīng)過模擬電子和數(shù)字電子（analog and digital）轉(zhuǎn)換送入單片機處理，驅(qū)動加熱或制冷設(shè)備工作，從而實現(xiàn)發(fā)菌室環(huán)境溫濕度的自動智能調(diào)節(jié)。而且還可以把現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)通過有線、無線、3G/2G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街锌財?shù)據(jù)平臺，用戶從終端可以遠(yuǎn)程查看培養(yǎng)室現(xiàn)場的溫濕度實時數(shù)據(jù)，并使用遠(yuǎn)程控制功能，利用繼電器控制設(shè)備或模擬輸出模塊對培養(yǎng)室的加熱、加濕、制冷、通風(fēng)等設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。當(dāng)然，也可以安裝二氧化碳傳感器、光照傳感器等進(jìn)行氧氣和光照的控制，從而形成一整套自動通風(fēng)排放系統(tǒng)、自動加濕系統(tǒng)和自動升溫降溫系統(tǒng)，全方位保障發(fā)菌質(zhì)量。

2.2.4 搔菌和催蕾

菌絲滿瓶后即可進(jìn)行搔菌，現(xiàn)在已經(jīng)采用專用的搔菌機進(jìn)行作業(yè)。搔菌后隨即進(jìn)行催蕾。溫度控制10℃～13℃，給予足夠低溫刺激，并輔之以弱散光刺激和新鮮的空氣增加氧，促使金針菇原基的形成。這一過程中需要分段設(shè)定溫濕度傳感器的參數(shù)，在開始的前三天一般設(shè)置空氣相對濕度保持在90%～95%，使菌絲恢復(fù)生長，后期再設(shè)定傳感器濕度參數(shù)到85%～90%。

2.2.5 均育和抑制

金針菇均育是抑制處理的過渡階段，此時的溫濕度傳感器設(shè)置溫度應(yīng)控制在（8±1）℃，空氣相對濕度設(shè)定在85%～90%，以促菇蕾在低溫環(huán)境中分化分枝。此時的傳感器溫度設(shè)定十分重要，目前不同企業(yè)在實際生產(chǎn)中對抑制溫度的控制有高有低，但多在3℃～8℃之間，一般金針菇菌柄長至0.5 cm～1.0 cm時即可進(jìn)行抑制培養(yǎng)。無論采用吹風(fēng)抑制還是光照抑制方法，都需要實時控制環(huán)境的溫度、濕度參數(shù)。避免溫度變化對金針菇品質(zhì)的影響。

2.2.6 子實體生長與采收

金針菇子實體生長時的空氣相對濕度控制在80%～90%，栽培瓶內(nèi)的濕度控制在70%左右，子實體生長最適溫度控制在10℃～15℃。環(huán)境濕度和栽培瓶濕度都可以通過傳感器采集，給環(huán)境自動控制系統(tǒng)向噴霧設(shè)備發(fā)送控制信號，調(diào)節(jié)環(huán)境濕度。避免因環(huán)境濕度過低影響金針菇生長或者過高造成爛菇等情況。同理也可以利用傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)生長溫度。

當(dāng)金針菇長出栽培瓶3 cm時要進(jìn)行套筒，以促使菌柄增長，當(dāng)菌柄長度達(dá)到15 cm左右時即可進(jìn)行采收。但在采收前要降低空氣濕度到70%～80%，濕度過大會造成金針菇含水量超常出現(xiàn)黏液，不利于金針菇的保鮮。

2.2.7 包裝、存儲與運輸

由于是工廠化生產(chǎn)，后期的金針菇包裝要與子實體生長時的溫度一致，控制在10℃～15℃的范圍內(nèi)，在包裝車間安排的多點溫濕度傳感器可以實時監(jiān)控包裝溫度，對包裝車間的環(huán)境自動監(jiān)控。而包裝好的金針菇產(chǎn)品隨后就進(jìn)入了冷鏈存儲和運輸?shù)沫h(huán)節(jié)，在冷庫存儲的溫度為1℃～4℃，相對濕度在控制在60%～65%，這也是冷鏈運輸時的保鮮溫濕度范圍。這些溫濕度數(shù)據(jù)的采集都可以應(yīng)用溫濕度傳感器來完成。

3 結(jié)論

培養(yǎng)室應(yīng)用溫濕度傳感器來進(jìn)行生產(chǎn)環(huán)境的自動化控制，有效利用了傳感器技術(shù)、自動化控制和計算機技術(shù)。能夠自動采集培養(yǎng)室的溫度、濕度，并且自帶通訊接口，可以和計算機系統(tǒng)共同構(gòu)成菇房環(huán)境自動監(jiān)控系統(tǒng)。對食用菌栽培的不同階段進(jìn)行實時溫濕度控制，為食用菌工廠化栽培提供技術(shù)支撐。幫助食用菌產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化和現(xiàn)代化的栽培管理。