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(guò)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(guò)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(cè)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(cè)屏系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明：系統(tǒng)通過(guò)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(zhǎng)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(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式長(zhǎng)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(guó)正逐步與發(fā)達(dá)國(guó)家縮小差距，農(nóng)業(yè)越來(lái)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(guò)程信息化，本文通過(guò)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(guó)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(guò)射頻識(shí)別、傳感器、RS、GPS等信息感知設(shè)備，結(jié)合無(wú)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(shí)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(guò)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(guò)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(guò)智能化終端進(jìn)行控制、管理、交易等[2-3]。食用菌作為我國(guó)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(guò)程轉(zhuǎn)變，但由于外界環(huán)境對(duì)食用菌栽培有著重要影響，其栽培過(guò)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(zhǎng)階段所需的生長(zhǎng)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(duì)氣象條件如溫度濕度等進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)。氣象數(shù)據(jù)的獲取有利于栽培人員更好地了解種植對(duì)象的生長(zhǎng)條件。（2）對(duì)栽培環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。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(hào)，如光照條件不足，技術(shù)人員可通過(guò)遠(yuǎn)程控制補(bǔ)光；缺水時(shí)通過(guò)控制灌溉設(shè)備澆水等。（3）對(duì)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(zhǎng)勢(shì)，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(cè)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(cè)屏系統(tǒng)、智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)綜合服務(wù)平臺(tái)、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(hào)服務(wù)平臺(tái)等，系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。
3.1栽培環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
栽培環(huán)境監(jiān)測(cè)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(cè)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(tái)。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(guò)手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備對(duì)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(cè)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(cè)量范圍：-40～85℃；溫度測(cè)量精度：±0.5℃；重復(fù)性：±0.1℃；響應(yīng)時(shí)間：5～30s；濕度測(cè)量范圍：0～100%RH；濕度測(cè)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(guò)硅藍(lán)光伏探測(cè)器監(jiān)測(cè)，它的優(yōu)勢(shì)顯著，靈敏度高、測(cè)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(cè)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(lái)控制空氣質(zhì)量[11]，其技術(shù)參數(shù)為：測(cè)量范圍：0～5000ppm；最大允許誤差：5%FSD；重復(fù)測(cè)試：3%FDS；耗電：4W；存儲(chǔ)與運(yùn)行環(huán)境：-40～85℃。
3.1.5語(yǔ)音自動(dòng)播報(bào)終端語(yǔ)音自動(dòng)播報(bào)終端包含無(wú)線通信、TTS文本轉(zhuǎn)語(yǔ)音等模塊，會(huì)反饋監(jiān)測(cè)到的環(huán)境數(shù)據(jù)，具有預(yù)警功能。通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接收來(lái)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(yǔ)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(guò)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(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)控，包括內(nèi)外遮陽(yáng)、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(wú)法合理控制灌水是否均勻，也無(wú)法保障及時(shí)灌水，這勢(shì)必會(huì)造成水資源的浪費(fèi)，對(duì)食用菌的生長(zhǎng)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(guò)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(hào)傳輸技術(shù)，對(duì)食用菌栽培過(guò)程中的生長(zhǎng)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(hào)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(zhǎng)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(cè)屏系統(tǒng)
戶外LED監(jiān)測(cè)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(jiǎn)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(yǔ)
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(shí)，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(guò)移動(dòng)設(shè)備便可掌握食用菌生長(zhǎng)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(zhǎng)的環(huán)境因素。但食用菌種類多樣，針對(duì)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)
