農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在食用菌栽培中的應(yīng)用

楊 凡，鄭小南，李富忠

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 軟件學(xué)院，山西 晉中 030801）

0 引 言

我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式長期憑借經(jīng)驗管理，借助傳統(tǒng)方法實現(xiàn)生產(chǎn)率的提升。然而，現(xiàn)階段我國正逐步與發(fā)達(dá)國家縮小差距，農(nóng)業(yè)越來越趨向于智能化、信息化，其中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)揮著重要作用。

目前，食用菌栽培的各個環(huán)節(jié)逐步實現(xiàn)機(jī)械化、自動化，但缺乏集成的技術(shù)將每個階段的信息進(jìn)行整合，在食用菌的科研投入上存在著較大的缺失，與食用菌相關(guān)的人才明顯不足，農(nóng)民等技術(shù)人員也需要學(xué)習(xí)新的技術(shù)，與之相關(guān)的信息化設(shè)備同樣需要更新?lián)Q代。

為推進(jìn)食用菌從種植到收獲的全過程信息化，本文通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立現(xiàn)代食用菌栽培系統(tǒng)，提高管理效率，降低生產(chǎn)風(fēng)險。

1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述及食用菌栽培現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things，IoT）概念的提出最早在1999年，2005年國際電信聯(lián)盟的年度報告明確了物聯(lián)網(wǎng)的概念，即通過射頻識別、傳感器、RS、GPS等信息感知設(shè)備，結(jié)合無線自組織通信網(wǎng)絡(luò)，將互聯(lián)網(wǎng)與物品構(gòu)建聯(lián)系，實現(xiàn)互聯(lián)互通。

物聯(lián)網(wǎng)是一種能夠智能識別、定位、監(jiān)管的智能化網(wǎng)絡(luò)[1]。物聯(lián)網(wǎng)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用是多種學(xué)科與新技術(shù)的融合，包含現(xiàn)代信息技術(shù)、生物工程技術(shù)、移動通信技術(shù)等。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)即通過各種感知設(shè)備，在生產(chǎn)、種植、管理等環(huán)節(jié)進(jìn)行信息的采集，再按照協(xié)議通過各類現(xiàn)代信息傳輸通道將農(nóng)業(yè)信息進(jìn)行傳輸、處理，最終通過智能化終端進(jìn)行控制、管理、交易等[2-3]。

食用菌作為我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)中的一項重要產(chǎn)業(yè)，其行業(yè)具有良好的生產(chǎn)效益。食用菌生產(chǎn)裝備也從初始發(fā)展階段到如今的穩(wěn)定調(diào)整與創(chuàng)新階段，生產(chǎn)方式由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式向工業(yè)生產(chǎn)方式發(fā)生全過程轉(zhuǎn)變，但由于外界環(huán)境對食用菌栽培有著重要影響，其栽培過程面臨諸多風(fēng)險，因此為了保障食用菌的數(shù)量和質(zhì)量，還應(yīng)提供最適宜的溫度、濕度、氧氣濃度、光照強(qiáng)度等[4]。

2 需求方案設(shè)計

系統(tǒng)需結(jié)合各類現(xiàn)代信息化技術(shù)，依據(jù)食用菌不同生長階段所需的生長條件，合理調(diào)控溫度、濕度、CO2濃度，最大限度提升食用菌栽培環(huán)境[5]。

本系統(tǒng)滿足以下需求。

（1）對氣象條件如溫度濕度等進(jìn)行實時動態(tài)檢測。氣象數(shù)據(jù)的獲取有利于栽培人員更好地了解種植對象的生長條件。

（2）對栽培環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實時動態(tài)監(jiān)測。為保障食用菌處在最適環(huán)境下，相關(guān)技術(shù)人員可憑借移動設(shè)備遠(yuǎn)程操控。當(dāng)某一參數(shù)較正常值發(fā)生變化時，預(yù)警機(jī)制啟動并發(fā)送信號，如光照條件不足，技術(shù)人員可通過遠(yuǎn)程控制補(bǔ)光；缺水時通過控制灌溉設(shè)備澆水等。

（3）對栽培環(huán)境進(jìn)行定點實時動態(tài)視頻監(jiān)控。種植人員可遠(yuǎn)程掌握食用菌的生長勢，采取合理舉措管理栽培，嚴(yán)格控制采摘時間。

（4）在系統(tǒng)建設(shè)時預(yù)留相應(yīng)的接口，為食用菌安全溯源和電子商務(wù)系統(tǒng)的建立提供支持，真正做到便民惠民[6]。

3 基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的食用菌栽培系統(tǒng)設(shè)計

本文系統(tǒng)包含的模塊分為：栽培環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制終端、自動灌溉系統(tǒng)、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、戶外LED監(jiān)測屏系統(tǒng)、智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)綜合服務(wù)平臺、農(nóng)產(chǎn)品安全追溯系統(tǒng)、移動終端客戶端和微信公眾號服務(wù)平臺等，系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

3.1 栽培環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

栽培環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)涉及到諸多智能傳感器，布控不同類型的傳感器在不同位置，可以合理地監(jiān)測到栽培環(huán)境的各項參數(shù)[7]，具體可選參數(shù)見表1所列。

表1 栽培環(huán)境參數(shù)

3.1.1 遠(yuǎn)程智能采集終端

遠(yuǎn)程智能采集終端將上述傳感器采集到的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等統(tǒng)一獲取，借助移動基站傳輸至遠(yuǎn)程綜合服務(wù)平臺。這些數(shù)據(jù)在顯示終端上即可查看，各個傳感器的數(shù)值都顯而易見，用戶也可通過手機(jī)等移動設(shè)備對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理[8]。

3.1.2 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器用于檢測食用菌栽培大棚中空氣的溫度和濕度[9]。技術(shù)參數(shù)包括以下內(nèi)容：

溫度測量范圍：-40～85 ℃；

溫度測量精度：±0.5 ℃；

重復(fù)性：±0.1 ℃；

響應(yīng)時間：5～30 s；

濕度測量范圍：0～100%RH；

濕度測量精度：±0.1%RH；

重復(fù)性：±4.5%RH；

響應(yīng)時間：8 s。

3.1.3 光照強(qiáng)度傳感器

光照強(qiáng)度傳感器通過硅藍(lán)光伏探測器監(jiān)測，它的優(yōu)勢顯著，靈敏度高、測量范圍廣、精度高、防水性能好、安裝便捷、易于遠(yuǎn)距離傳輸[10]，其技術(shù)參數(shù)如下：

光照度范圍：0～65 535 Lux；

傳感器內(nèi)置16 bit A/D 轉(zhuǎn)換器；

測量精度：±20%。

3.1.4 CO2濃度傳感器

CO2濃度傳感器采用世界上最小、最輕的NDIR技術(shù)CO2傳感器模塊，該模塊用途廣泛，能夠安裝至機(jī)器人、通風(fēng)系統(tǒng)、控制器、汽車等地，也能安裝至其余設(shè)備用來控制空氣質(zhì)量[11]，其技術(shù)參數(shù)為：

測量范圍：0～5 000 ppm；

最大允許誤差：5%FSD；

重復(fù)測試：3%FDS；

耗電：4 W；

存儲與運(yùn)行環(huán)境：-40～85 ℃。

3.1.5 語音自動播報終端

語音自動播報終端包含無線通信、TTS文本轉(zhuǎn)語音等模塊，會反饋監(jiān)測到的環(huán)境數(shù)據(jù)，具有預(yù)警功能。通過無線網(wǎng)絡(luò)接收來自栽培環(huán)境中心控制器發(fā)送的文字內(nèi)容，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為語音信息，使用喇叭播放并自動關(guān)閉功放電路[12]。

3.2 遠(yuǎn)程智能控制終端

食用菌栽培環(huán)境智能控制終端通過栽培環(huán)境中傳感器獲取到的空氣溫、濕度、光照度及CO2濃度等參數(shù)對設(shè)備進(jìn)行調(diào)控，包括內(nèi)外遮陽、風(fēng)機(jī)、頂部通風(fēng)、灌溉電磁閥和CO2氣肥機(jī)等設(shè)備，借助數(shù)據(jù)傳輸模塊與監(jiān)控中心連接[13]。

3.3 自動灌溉系統(tǒng)

傳統(tǒng)的人工灌溉方式，如大水漫灌無法合理控制灌水是否均勻，也無法保障及時灌水，這勢必會造成水資源的浪費(fèi)，對食用菌的生長產(chǎn)生不利影響。自動灌溉系統(tǒng)能夠顯著提高灌溉的精準(zhǔn)性與高效性，通過已經(jīng)運(yùn)行好的程序自動控制灌水模塊的開啟與關(guān)閉，涉及到的管道線路以及設(shè)備全部布控到地下，大幅減少了人工作業(yè)。智能控制實現(xiàn)了節(jié)約資源、安全便捷的目的[14]。

3.4 遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)是基于網(wǎng)絡(luò)和視頻信號傳輸技術(shù)，對食用菌栽培過程中的生長情況進(jìn)行全天視頻監(jiān)控的部分，包括網(wǎng)絡(luò)型視頻服務(wù)器、高分辨率攝像頭。網(wǎng)絡(luò)型視頻服務(wù)器能夠轉(zhuǎn)換視頻信號并傳輸，實現(xiàn)遠(yuǎn)程的網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)[15]。用戶上網(wǎng)即可遠(yuǎn)程查看食用菌生長狀況，根據(jù)不同的權(quán)限多點在線監(jiān)控。

3.5 戶外LED監(jiān)測屏系統(tǒng)

戶外LED監(jiān)測屏系統(tǒng)的功能是顯示栽培地點的相關(guān)信息，包括食用菌簡介、氣象數(shù)據(jù)、溫濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 戶外LED監(jiān)測屏

4 結(jié) 語

基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的食用菌栽培系統(tǒng)集成了多個領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)和知識，相比傳統(tǒng)人工種植，該系統(tǒng)提升了食用菌的質(zhì)量與產(chǎn)量，并且使勞動生產(chǎn)率與資源利用率都有所提高，而生產(chǎn)工作者的勞動強(qiáng)度也大大減弱。農(nóng)戶與專家通過移動設(shè)備便可掌握食用菌生長的實時信息，及時管控外界條件，最大限度提升食用菌生長的環(huán)境因素。但食用菌種類多樣，針對不同品種仍需提出不同的決策方案，還需結(jié)合專家系統(tǒng)收集更多的農(nóng)技信息。