食用菌栽培中農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用
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摘要：為推進(jìn)食用菌從種植到收獲的全過程信息化，提高食用菌的產(chǎn)量與質(zhì)量，提出一種基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的食用菌栽培系統(tǒng)。文中通過介紹農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合食用菌栽培現(xiàn)狀，提出系統(tǒng)研究方案，并詳細(xì)介紹系統(tǒng)中的栽培環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制終端、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)。實(shí)驗(yàn)表明：系統(tǒng)通過農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智能控制外界條件，為食用菌提供最適宜的生長環(huán)境。
關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；食用菌栽培；網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控；遠(yuǎn)程控制；LED；信息化
引言
我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式長期憑借經(jīng)驗(yàn)管理，借助傳統(tǒng)方法實(shí)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(gè)環(huán)節(jié)逐步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化，但缺乏集成的技術(shù)將每個(gè)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(xiǎn)。
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)（Internetofthings，IoT）概念的提出最早在1999年，2005年國際電信聯(lián)盟的年度報(bào)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(shí)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(dòng)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(xiàng)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(xiǎn)，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(jì)
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(shí)時(shí)動(dòng)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(shí)時(shí)動(dòng)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(dòng)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(shí)，預(yù)警機(jī)制啟動(dòng)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(shí)通過控制灌溉設(shè)備澆水等。（3）對栽培環(huán)境進(jìn)行定點(diǎn)實(shí)時(shí)動(dòng)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(shí)間。（4）在系統(tǒng)建設(shè)時(shí)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(jì)
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(dòng)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(dòng)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。
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(xiàng)參數(shù)[7]，具體可選參數(shù)見表1所列。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(dòng)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(gè)傳感器的數(shù)值都顯而易見，用戶也可通過手機(jī)等移動(dòng)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(shí)間：5～30s；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(shí)間：8s。
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：0～65535Lux；傳感器內(nèi)置16bitA/D轉(zhuǎn)換器；測量精度：±20%。
3.1.4CO2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：0～5000ppm；最大允許誤差：5%FSD；重復(fù)測試：3%FDS；耗電：4W；存儲與運(yùn)行環(huán)境：-40～85℃。
3.1.5語音自動(dòng)播報(bào)終端語音自動(dòng)播報(bào)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)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。
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(gè)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(dòng)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(dòng)強(qiáng)度也大大減弱。農(nóng)戶與專家通過移動(dòng)設(shè)備便可掌握食用菌生長的實(shí)時(shí)信息，及時(shí)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。
作者：楊凡 鄭小南 李富忠 單位：山西農(nóng)業(yè)大學(xué)
