基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的食用菌“數(shù)智”遠(yuǎn)程預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)及應(yīng)用研究

葉 雷，李小林，張 波，楊學(xué)圳，譚 偉

（1. 四川省食用菌研究所，四川 成都 610066；2. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源學(xué)院，四川 成都 611130）

0 引 言

我國(guó)是食用菌生產(chǎn)和出口大國(guó)，食用菌產(chǎn)量、產(chǎn)值僅次于糧食、蔬菜、果品、油料，居于種植業(yè)第五位，已成為農(nóng)民增收和脫貧攻堅(jiān)的特色支柱產(chǎn)業(yè)，它既是菜籃子的重要組成，也是保健品、健康食品開發(fā)關(guān)注的熱點(diǎn)。我國(guó)是世界上最早進(jìn)行食用菌栽培的國(guó)家之一，目前作為商品栽培的食用菌有60 多個(gè)種類[1]，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)的約30 多個(gè)種類，生產(chǎn)發(fā)展水平不一，栽培模式多樣共存。據(jù)中國(guó)食用菌協(xié)會(huì)官方統(tǒng)計(jì)，2020 年我國(guó)食用菌產(chǎn)量、產(chǎn)值分別超過4 000 萬噸和3 400 億元，涉及28 個(gè)?。ㄖ陛犑?、自治區(qū)），其中排名前七位的菇種依次為香菇、黑木耳、平菇、金針菇、杏鮑菇、雙孢蘑菇和毛木耳，它們占到了全國(guó)產(chǎn)量的83.97%[2]。金針菇、杏鮑菇基本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工廠化生產(chǎn)，而香菇、黑木耳、平菇、雙孢蘑菇和毛木耳基本仍采用傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)式生產(chǎn)，農(nóng)戶作坊式分散生產(chǎn)占據(jù)主導(dǎo)地位，種植過程具有勞動(dòng)強(qiáng)度大、繁瑣和“憑經(jīng)驗(yàn)辦事”的特點(diǎn)，常引發(fā)高溫?zé)岷?、干旱、污染、病蟲害、“死種”、“燒菌爛棒”、“流耳”、子實(shí)體干死或澇害等一系列生產(chǎn)問題，導(dǎo)致種植戶遭受大量損失。如何有效預(yù)判災(zāi)情發(fā)生實(shí)現(xiàn)防災(zāi)減災(zāi)也是廣大菇農(nóng)的一致愿望。

早在1999 年被提出的物聯(lián)網(wǎng)概念，是基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)“物”與“網(wǎng)”互連、物與物之間和互聯(lián)網(wǎng)間的信息交流，達(dá)到“人”“機(jī)”“物”有效交流，實(shí)現(xiàn)物的智能化感知、識(shí)別、定位和管理等[3-4]。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到食用菌智能生產(chǎn)中，是促進(jìn)食用菌高質(zhì)量生產(chǎn)的重要技術(shù)之一[5-8]，是實(shí)現(xiàn)食用菌智能生產(chǎn)的全新模式，能夠提升食用菌生產(chǎn)水平，預(yù)防生產(chǎn)過程災(zāi)害，進(jìn)而保障食用菌產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。我國(guó)食用菌仍將長(zhǎng)期處于農(nóng)業(yè)式生產(chǎn)階段，開展食用菌傳統(tǒng)栽培模式與數(shù)字技術(shù)的結(jié)合，有利于我國(guó)食用菌產(chǎn)業(yè)進(jìn)步，提檔升級(jí)。

1 物聯(lián)網(wǎng)在食用菌“數(shù)智”遠(yuǎn)程預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用框架

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了“萬物互聯(lián)”[9]。在食用菌“數(shù)智”遠(yuǎn)程預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)中，智能控制模塊實(shí)現(xiàn)了各類感知數(shù)據(jù)的智能化采集、記錄、管控和預(yù)測(cè)，對(duì)環(huán)境二氧化碳濃度、相對(duì)濕度、溫度、光照強(qiáng)度等食用菌生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行智能預(yù)警監(jiān)控，確保環(huán)境參數(shù)能滿足食用菌生長(zhǎng)要求，實(shí)現(xiàn)防災(zāi)減災(zāi)。用戶端借助通信網(wǎng)絡(luò)通過電腦PC 端或智能手機(jī)APP 客戶端，可以實(shí)現(xiàn)的功能包括：一是實(shí)現(xiàn)對(duì)食用菌生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)的“看數(shù)”；二是實(shí)現(xiàn)對(duì)食用菌生長(zhǎng)環(huán)境因子和氣候環(huán)境的“預(yù)警”；三是實(shí)現(xiàn)視頻遠(yuǎn)程管控食用菌生長(zhǎng)情況；四是實(shí)現(xiàn)食用菌生長(zhǎng)環(huán)境溫度、濕度等參數(shù)因子的智能控制；五是借助平臺(tái)實(shí)現(xiàn)與專家和技術(shù)能手直接交流栽培技術(shù)，獲得技術(shù)指導(dǎo)、最新科技成果（品種）、共性技術(shù)交流、生產(chǎn)和栽培技術(shù)等。無論用戶在何時(shí)何地都能借助網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)“人”“機(jī)”“物”信息交換與通信，達(dá)到物的智能化感知、定位、監(jiān)控與管理，實(shí)現(xiàn)用戶、專家、技術(shù)能手的精密協(xié)作。在食用菌“數(shù)智”遠(yuǎn)程預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)由感知模塊、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成，實(shí)現(xiàn)三者有機(jī)連接互通，如圖1 所示。

圖1 食用菌“數(shù)智”遠(yuǎn)程預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用框架模式

1.1 感知模塊

感知模塊利用各種傳感器設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)食用菌生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)的感知、測(cè)定、傳送和調(diào)節(jié)，并均可與基站無線網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)“上網(wǎng)”。食用菌生長(zhǎng)環(huán)境（除基質(zhì)營(yíng)養(yǎng)條件、pH、C/N、基質(zhì)水分外）主要外部參數(shù)有溫度、濕度、光照和二氧化碳濃度。如圖2 所示，感知模塊主要有網(wǎng)絡(luò)基站、溫度傳感器（可外接傳感器（棒），測(cè)量范圍為-10 ～60 ℃，誤差≤0.5 ℃）、濕度傳感器（測(cè)量范圍為0%～100% RH，誤差≤4% RH）、二氧化碳濃度傳感器（測(cè)量范圍為0～50 000 mg/L，誤差≤5% FSD）、光照傳感器（0 ～50 000 lx，誤差≤±4%）、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、噴水控制電磁閥、水流量電磁閥、水位傳感器（含探頭）以及其他個(gè)性化功能設(shè)備（網(wǎng)絡(luò)卷簾機(jī)、百葉窗、網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)機(jī)、自動(dòng)遮陽網(wǎng)等）。感知模塊硬件組件各子模塊均可采用弱電系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)各模塊信號(hào)穩(wěn)定的同時(shí)，延長(zhǎng)使用期限。系統(tǒng)性設(shè)計(jì)各感知模塊實(shí)現(xiàn)了食用菌生長(zhǎng)環(huán)境的實(shí)時(shí)查看、記錄反饋。傳感器是低功耗設(shè)備，內(nèi)置電池可管3 年，農(nóng)戶/農(nóng)場(chǎng)主無須考慮接電、電費(fèi)問題。

圖2 部分感知模塊組件

1.2 網(wǎng)格模塊

網(wǎng)絡(luò)層主要由基站網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)等組成。各種感知模塊將食用菌生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)交?，并借助網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)平臺(tái)，經(jīng)平臺(tái)加工處理傳送到應(yīng)用模塊，實(shí)現(xiàn)用戶終端預(yù)警、提示。在食用菌“數(shù)智”遠(yuǎn)程預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)中網(wǎng)格模塊起著非常重要的中間橋梁作用，負(fù)責(zé)大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)、終端服務(wù)工作和數(shù)據(jù)能力響應(yīng)協(xié)調(diào)調(diào)用等，是本研究系統(tǒng)的最核心組成部分。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)除了向用戶端提供感知模塊預(yù)警、提示外，還能實(shí)現(xiàn)個(gè)性化服務(wù)，如提供“菌事”管理月歷：用戶可在終端查看專家或平臺(tái)提供的食用菌生產(chǎn)注意事項(xiàng)（圖文、視頻、語音）。災(zāi)害或極端天氣預(yù)警消息推送：大風(fēng)、冰雹、大雨等災(zāi)害天氣多方式（短信、推送消息）主動(dòng)預(yù)警通知用戶預(yù)防災(zāi)害。數(shù)字廣播：每日播報(bào)行業(yè)政策、價(jià)格銷售走勢(shì)、新聞、生產(chǎn)指導(dǎo)、天氣預(yù)報(bào)、防災(zāi)預(yù)警等。食用菌生長(zhǎng)預(yù)警、害蟲預(yù)警：平臺(tái)預(yù)制食用菌生長(zhǎng)模型，監(jiān)測(cè)到溫度、濕度、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)超過用戶自定或平臺(tái)食用菌適宜生產(chǎn)范圍，則向用戶端預(yù)警。還可通過高清攝像機(jī)畫面捕捉以及根據(jù)平臺(tái)算法，對(duì)食用菌生長(zhǎng)環(huán)境中的害蟲進(jìn)行預(yù)警提醒。

1.3 應(yīng)用模塊

應(yīng)用模塊主要包括用戶“看數(shù)”、“預(yù)警”、視頻及控制管理功能。一是數(shù)據(jù)快看。對(duì)于食用菌生長(zhǎng)環(huán)境的光、溫、水、氣等參數(shù)，用戶通過視頻的遠(yuǎn)程PC 端或智能手機(jī)APP 客戶端快速看，隨時(shí)掌握生產(chǎn)環(huán)境情況。二是異常主動(dòng)預(yù)警。平臺(tái)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與專家、技能能手提供的種植算法庫(kù)閾值匹配，如果溫、光、水、氣監(jiān)測(cè)值超過閾值，手機(jī)主動(dòng)預(yù)警通知農(nóng)戶，并提供處理參考辦法，同時(shí)提供平臺(tái)入駐專家信息，以尋求幫助。三是生產(chǎn)環(huán)境遠(yuǎn)程控制。用戶端通過網(wǎng)絡(luò)視頻實(shí)時(shí)查看食用菌現(xiàn)場(chǎng)情況，并根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)和平臺(tái)參考數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)判，根據(jù)需要進(jìn)行遠(yuǎn)程噴水（霧）、通風(fēng)、升降溫、調(diào)光等控制，實(shí)時(shí)記錄呈現(xiàn)過程數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)多跑路、農(nóng)戶少跑腿、一機(jī)在手，線上看數(shù)，生產(chǎn)無憂。

2 食用菌“數(shù)智”遠(yuǎn)程預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用研究

2.1 在食用菌發(fā)菌期的應(yīng)用

目前全部人工栽培的食用菌在菌絲發(fā)菌期間都不需要光照，因?yàn)楣庹諘?huì)促進(jìn)菌絲從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變和引起菌絲老化、分泌色素等。在人工栽培食用菌菌絲生長(zhǎng)階段，種植戶更關(guān)心的是生長(zhǎng)環(huán)境溫度、濕度、二氧化碳濃度。由高溫引起香菇、木耳、平菇、杏鮑菇等食用菌“燒菌爛棒”[10]的事情常有發(fā)生；高溫高濕環(huán)境更是不利于食用菌的發(fā)菌，不僅會(huì)引起“燒菌”，還會(huì)引起大面積的料袋污染，帶來嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失；食用菌都是好氧真菌，除金針菇等生長(zhǎng)環(huán)境要求較高二氧化碳濃度外，幾乎人工栽培食用菌在發(fā)菌階段都需要通風(fēng)良好，若通風(fēng)不良將導(dǎo)致菌絲長(zhǎng)勢(shì)弱、長(zhǎng)速慢[10]。食用菌“數(shù)智”遠(yuǎn)程預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)在食用菌發(fā)菌期的應(yīng)用能夠解決發(fā)菌期“燒菌爛棒”問題，為種植戶更好地掌握發(fā)菌環(huán)境情況提供新方案，避免高溫、高濕、高二氧化碳等不利情況發(fā)生，通過溫度、濕度、二氧化碳、光傳感器等設(shè)備對(duì)發(fā)菌環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，實(shí)現(xiàn)防災(zāi)減災(zāi)。

2.2 在食用菌出菇期的應(yīng)用

食用菌出菇期與發(fā)菌期是兩個(gè)完全不同的階段。出菇期重在對(duì)環(huán)境濕度、溫度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等參數(shù)的適應(yīng)性控制。食用菌“數(shù)智”遠(yuǎn)程預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)的感知模塊設(shè)計(jì)了溫度傳感器、濕度傳感器和光照傳感器，對(duì)食用菌出菇期環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警和控制，當(dāng)環(huán)境某單一或多一參數(shù)不滿足食用菌出菇要求時(shí)，對(duì)用戶端提供預(yù)警和解決方案。具體來說，是通過傳感器監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)異常時(shí)，向用戶端推送數(shù)據(jù)異常預(yù)警信息，提供控制或解決方案，從而達(dá)到對(duì)溫度、濕度、二氧化碳濃度等參數(shù)的追溯、預(yù)警和提醒。對(duì)于水分的控制，還能根據(jù)環(huán)境濕度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過遠(yuǎn)程的噴水控制電磁閥、水流量電磁閥和實(shí)時(shí)視頻，實(shí)現(xiàn)出菇期的遠(yuǎn)程澆水，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通風(fēng)、調(diào)光等控制，達(dá)到減少生產(chǎn)勞動(dòng)力、提高栽培效益的目的。

2.3 在大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

本研究設(shè)計(jì)的食用菌“數(shù)智”遠(yuǎn)程預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)在大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在食用菌生長(zhǎng)環(huán)境蟲害測(cè)報(bào)和極端氣象的預(yù)警。在食用菌生長(zhǎng)環(huán)境病蟲害測(cè)報(bào)方面，通過高清攝像機(jī)畫面捕捉，對(duì)害蟲進(jìn)行拍照和基數(shù)記錄；并借助平臺(tái)害蟲形態(tài)學(xué)分析和大數(shù)據(jù)算法，對(duì)食用菌生長(zhǎng)環(huán)境害蟲（菌蠅菌蚊等）種類和數(shù)量進(jìn)行判斷、預(yù)警，向用戶終端提供蟲害防控相關(guān)信息，同時(shí)推送提醒信息給同類菇種植戶，生成蟲害識(shí)別報(bào)告。在極端氣象的預(yù)警方面，主要是關(guān)注當(dāng)前官方氣象發(fā)布數(shù)據(jù)和往年氣象數(shù)據(jù)，并結(jié)合菇種的生長(zhǎng)環(huán)境因子參數(shù)閾值進(jìn)行氣象預(yù)判的一種方案，如對(duì)冰雹、大風(fēng)、高溫等極端天氣的提前預(yù)警。

3 食用菌“數(shù)智”遠(yuǎn)程預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展策略

在數(shù)字信息化環(huán)境下，構(gòu)建食用菌“數(shù)智”遠(yuǎn)程預(yù)警監(jiān)控平臺(tái)，需要采取有效的措施，主要體現(xiàn)在發(fā)揮政府引導(dǎo)作用、健全系統(tǒng)設(shè)施體系、培養(yǎng)菌類信息技術(shù)人才和降低用戶成本方面，這有利于促進(jìn)食用菌產(chǎn)業(yè)技術(shù)和信息化的發(fā)展。食用菌“數(shù)智”遠(yuǎn)程預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)切實(shí)可實(shí)現(xiàn)食用菌生產(chǎn)過程的預(yù)警、監(jiān)測(cè)和控制，在食用菌主產(chǎn)區(qū)應(yīng)大力推廣，政府應(yīng)積極引導(dǎo)和引進(jìn)，提供必要的政策支持和優(yōu)惠，引導(dǎo)種植戶使用前沿科技信息，鼓勵(lì)種植戶健全系統(tǒng)設(shè)施體系，享受科技和信息化帶來的便利，從而使得市場(chǎng)逐步擴(kuò)大，系統(tǒng)應(yīng)用普及，用戶使用成本也會(huì)得到極大的降低，符合種植戶預(yù)期。專家、技術(shù)隊(duì)伍要跟上服務(wù)，培養(yǎng)本土技術(shù)人才，切實(shí)為種植戶排憂解難，防災(zāi)減災(zāi)，降低損失。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的食用菌遠(yuǎn)程預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)符合我國(guó)當(dāng)下食用菌產(chǎn)業(yè)實(shí)際和發(fā)展需求，能夠?qū)崿F(xiàn)食用菌生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、記錄、可視化，并對(duì)環(huán)境溫度、濕度、光照、二氧化碳等參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行適應(yīng)性控制，以滿足食用菌種植需求，提高了食用菌生產(chǎn)管理水平和效率，達(dá)到了防災(zāi)減災(zāi)的目的。該系統(tǒng)可擴(kuò)展應(yīng)用到食用菌生產(chǎn)、銷售等全過程，以及類似的農(nóng)業(yè)行業(yè)，對(duì)我國(guó)智慧鄉(xiāng)村建設(shè)具有較強(qiáng)參考價(jià)值。