李紅梅，吳今姬，王亮明，宋衛(wèi)東，趙清，李彥英

(1. 河北福路特農(nóng)業(yè)技術開發(fā)有限公司,北京市,100162; 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所,南京市,210014; 3. 內(nèi)蒙古包頭市農(nóng)牧科學技術研究所,內(nèi)蒙古包頭,014010;4. 河北省農(nóng)業(yè)特色產(chǎn)業(yè)技術指導總站,石家莊市,050000)

0 引言

食用菌因含有豐富的蛋白質(zhì)、多糖、維生素等活性成分,被廣泛認知為具有食用、藥用以及保健價值的食品[1-3]。我國食用菌產(chǎn)業(yè)自20世紀90年代得到迅速的發(fā)展,經(jīng)歷了手工栽培、機械化栽培到工廠化栽培階段[4]。目前,我國食用菌主要生產(chǎn)模式包括小規(guī)模作坊式栽培與大規(guī)模集約化栽培[5-7],其中集約化生產(chǎn)占總產(chǎn)量的80%。小規(guī)模作坊式栽培是在自然條件或簡單設施基礎上,農(nóng)戶購買制作好的菌包或自行制作菌包,并按要求進行栽培管理,該方式受天氣影響較為明顯,且產(chǎn)量較少,質(zhì)量得不到保證。工廠化栽培是目前食用菌生產(chǎn)的主流方式,采用全程環(huán)境控制栽培[8-9],實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測與控制,使食用菌處于理想的生長狀態(tài),具有生產(chǎn)周期快、產(chǎn)量大、效益高等優(yōu)點,但由于栽培空間較大,環(huán)境控制參數(shù)精度較低,一定程度上影響食用菌生長速率,并出現(xiàn)出菇不一致等現(xiàn)象[10-12]。此外,食用菌與其他農(nóng)產(chǎn)品相同,具有易變質(zhì)、貯藏時間短、即食性等特點[13-15],產(chǎn)后經(jīng)過倉儲、冷鏈、商超等諸多環(huán)節(jié)存在不可避免的污染隱患,產(chǎn)后損失率非常大,也一定程度上阻礙了食用菌產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展[16]?？紤]以上大規(guī)模栽培的弊端,以及為適應不斷轉(zhuǎn)變的銷售模式與家庭栽培需求,學者們也著手研究開發(fā)出具有加濕、加溫、制冷等功能的中小型培育設備。梁亞等[17]研究了一種猴頭菇食用菌種植設備,該設備基于單片機控制種植箱內(nèi)環(huán)境參數(shù),可滿足猴頭菇家庭化種植需求。姬快樂等[18]研究了一種家庭式食用菌種植箱,可實現(xiàn)箱體內(nèi)溫度、濕度的監(jiān)測與調(diào)節(jié),但結(jié)構(gòu)與功能相對簡單。陳學東等[19]開發(fā)了一種智能一體化食用菌栽培系統(tǒng),包括參數(shù)采集裝置、基于PLC的控制裝置及執(zhí)行裝置等,系統(tǒng)集成有大球蓋菇、香菇、羊肚菌、靈芝等若干食用菌品種的培養(yǎng)參數(shù),通過調(diào)節(jié)環(huán)境中的溫度、濕度及光照等參數(shù)為不同食用菌生長提供所需環(huán)境,但箱體體積較小,可放置菌包數(shù)量較少。目前市面上還沒有較為成熟的、專門用于食用菌栽培的設備。由于食用菌生長環(huán)境參數(shù)包括溫度、濕度、二氧化碳濃度及光照強度等對食用菌生長速率及產(chǎn)量起著關鍵作用[20-23],同時,不同菌類品種對環(huán)境參數(shù)的要求和敏感度也具有較大差異,現(xiàn)有相關栽培設備無法自動擬合出菌類所需環(huán)境參數(shù),控制精度也較低。

本文基于新型C2F生產(chǎn)理念,集多維傳感技術、生物工程技術、智能模擬技術及物聯(lián)網(wǎng)技術于一體,開發(fā)出食用菌智能培育設備,研究設計出具有加濕、加熱、制冷及送風等功能于一體的送風系統(tǒng),優(yōu)化種植倉、排氣結(jié)構(gòu)設計等,開發(fā)具有菌類生長環(huán)境模擬、智能遠程控制即環(huán)境實時監(jiān)測與調(diào)控等一系列功能的菌類專用智能遠程控制系統(tǒng)。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

食用菌智能培育設備由柜體、送風系統(tǒng)、排風裝置、種植箱及遠程控制系統(tǒng)等組成,如圖1所示。柜體由不銹鋼板制成;送風系統(tǒng)安裝在培養(yǎng)箱頂部,包括制冷、制熱、加濕、送風等裝置;種植箱由培養(yǎng)架、排風裝置組成,種植箱內(nèi)設有培養(yǎng)架,菌包放置于培養(yǎng)架上,柜體側(cè)面設有排風裝置,種植箱內(nèi)設有溫濕度傳感器、CO2濃度檢測傳感器、補光設備等,培養(yǎng)箱底部設有萬向輪,可實現(xiàn)隨時隨地輕松移動與擺放。居家智能培育設備的主要技術參數(shù)如表1所示。

圖1 食用菌智能培育設備結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

居家智能培育設備從模擬生態(tài)環(huán)境理念出發(fā),基于大量不同溫型菌類生長特性參數(shù),開發(fā)出遠程智能環(huán)境控制系統(tǒng),為設備提供適應不同品種食用菌生長的最佳環(huán)境參數(shù)。確定好培育菌包種類后,控制系統(tǒng)利用種植箱內(nèi)設置的溫濕度傳感器、二氧化碳濃度檢測傳感器及光敏傳感器實時檢測環(huán)境參數(shù),并基于物聯(lián)網(wǎng)、5G技術實時反饋到控制系統(tǒng)中實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的遠程、實時監(jiān)測。再根據(jù)反饋數(shù)據(jù)與系統(tǒng)設定值對比計算,發(fā)出控制指令,進行自動控制執(zhí)行設備,包括制冷、制熱、加濕及通風等設備的動作,實時調(diào)節(jié)環(huán)境中的溫度、濕度、風速、二氧化碳濃度,實現(xiàn)設備內(nèi)食用菌菌包處于最佳的生長環(huán)境。

2 關鍵部件設計

2.1 種植箱

種植箱是用于培養(yǎng)食用菌菌包的空間,由箱體、門、培養(yǎng)架、接水槽等部分組成,箱體內(nèi)安裝有培養(yǎng)架、溫濕度傳感器,并設有出風口,種植箱內(nèi)培養(yǎng)空間固定尺寸為1 440 mm×930 mm×580 mm。由于培育的專用菌包尺寸為直徑105 mm,長度220 mm,考慮一般出菇高度在120～140 mm,架層高度約為6 mm,因此在充分考慮到設備柜體總尺寸的要求與菌包尺寸、出菇數(shù)量、出菇高度等因素條件,進行了結(jié)構(gòu)設計與優(yōu)化菌包架層布局,最終設置每層高度約280 mm,共5層固定培養(yǎng)架,每層可放置16個菌包,五層可放置80個菌包,以此保障種植箱內(nèi)菌包放置數(shù)量最大化與空間使用最優(yōu)化的目標,也可保證菌包的出菇質(zhì)量,如圖2所示。種植箱內(nèi)除了5個固定的培養(yǎng)架外,還設計了3個可拆卸式培養(yǎng)架,以適應不同尺寸菌包或菌瓶栽培需求,如蛹蟲草栽培菌瓶高度尺寸僅有120 mm左右,此時可在種植倉內(nèi)加設培養(yǎng)架提高栽培菌瓶數(shù)量,充分實現(xiàn)種植倉內(nèi)空間最大化利用,提高產(chǎn)量。箱體底部設有4個萬向輪,可隨時隨地移動設備的投放位置。

圖2 種植箱結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 送風系統(tǒng)

送風系統(tǒng)是集成制冷制熱箱、內(nèi)水箱、加濕器、加熱裝置、制冷設備、散熱和散冷裝置等多功能于一體的執(zhí)行裝置,安裝于箱體頂部,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。種植箱內(nèi)環(huán)境參數(shù)的控制均依據(jù)送風裝置的運行,其中加熱裝置和制冷設備為種植箱提供溫度調(diào)節(jié)功能,加濕裝置提供濕度調(diào)節(jié),其總集成尺寸為1.2 m×0.5 m×0.4 m,占總設備體積的1/7,相較于現(xiàn)有的分體式設計,結(jié)構(gòu)更緊湊,減小了占用的體積,并且減少了在柜體上的開孔數(shù)量。

圖3 送風裝置結(jié)構(gòu)示意圖

制冷設備包括壓縮機、冷凝器和蒸發(fā)器。壓縮機和冷凝器設置于制冷制熱箱和內(nèi)水箱外部,壓縮機、冷凝器和蒸發(fā)器通過冷媒管道連成循環(huán)回路,蒸發(fā)器設置于制冷制熱箱內(nèi)部,通過吸收空氣中的能量對水箱內(nèi)的空氣進行高效制冷處理。加濕器采用超聲波加濕器,設在水箱底部,上部還設有擋水板,以免加濕器工作時激蕩起的水濺入集風管內(nèi)。水箱內(nèi)設有電加熱棒,可對水箱內(nèi)的水進行直接加熱;水箱內(nèi)設有溫度傳感器,可對加熱、制冷溫度進行檢測并反饋;水箱內(nèi)還設有水位計,管控水位高度,避免蒸發(fā)器和集風口入水。此外,在蒸發(fā)器和加熱裝置外套設有散熱裝置,可以使制冷設備產(chǎn)生的冷量以及加熱裝置產(chǎn)生的熱量更快速地發(fā)散到制冷制熱箱內(nèi)。

2.2.1 壓縮機

系統(tǒng)的冷負荷采用復合系數(shù)法計算,設備采用不銹鋼材質(zhì)作為圍護結(jié)構(gòu),其瞬變傳熱引起的冷負荷公式[23-24]如式(1)所示。

Q=K×F[(t1+td)-tn]=918 W

(1)

式中:K——圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù),W/(m2·K);

F——圍護結(jié)構(gòu)表面積,m2;

t1——圍護結(jié)構(gòu)冷負荷溫度的逐時值,℃;

td——冷負荷溫度的地點修正值,℃;

tn——種植箱內(nèi)設定溫度,℃。

忽略菌包、栽培架及外部熱源等對系統(tǒng)內(nèi)部空氣熱量的影響,通過查表獲取相應參數(shù),K取值8 W/(m2·K),石家莊夏季冷負荷溫度逐時值t1取值35.1 ℃,修正值td取值0.5 ℃,圍護結(jié)構(gòu)表面積計算得5.85 m2,種植箱內(nèi)最低設定溫度選擇16 ℃,計算得到的冷負荷,考慮一定的富余量,取富裕系數(shù)1.1,則選取輸入功率385 W,制冷量1 130 W的壓縮機。

2.2.2 加濕器

超聲波加濕器是等焓加濕過程,加濕器實際所需加濕量計算公式如式(2)所示。

H=ρ×V×C1×(d1-d2)×C2

(2)

式中:H——所需加濕量,kg/h;

ρ——空氣密度,kg/m3;

d1——加濕前空氣含濕量;

d2——加濕后空氣含濕量;

V——新風通風量,m3/h;

C1——溫度系數(shù);

C2——安全系數(shù)。

該設備新風通風量為252 m3/h,需提供的最高濕度值為95%RH,空氣密度ρ為1.29 g/m3,溫度系數(shù)取1.2,安全系數(shù)取1.1,由式(2)可計算得出加濕器所需加濕量為1.64 kg/h。

2.3 遠程智能控制系統(tǒng)

2.3.1 系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)主要由測控模塊、控制軟件、AHT21型溫濕度傳感器、MH-Z16型二氧化碳氣體傳感器以及其他相關器件組成,如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)組成圖

種植箱內(nèi)各個位置設有各類傳感器,控制軟件根據(jù)所設定的菌類品種錄入該菌類最佳生長環(huán)境參數(shù),并通過采集到的傳感器數(shù)值進行數(shù)據(jù)分析,再進行對制冷、制熱、通風等設備的控制,實現(xiàn)種植箱內(nèi)環(huán)境參數(shù)的智能調(diào)控。

2.3.2 控制流程

設備控制流程如圖5所示,當設備開始運行后,控制系統(tǒng)首先對設備進行初始化設置,根據(jù)登錄的用戶信息自動追蹤設備位置信息,并實時獲取當?shù)靥鞖忸A報數(shù)據(jù)為系統(tǒng)參數(shù)設置提供參考。初始化結(jié)束后,根據(jù)不同品種菌包對不同環(huán)境條件的需求,系統(tǒng)將制定相應的環(huán)境控制方案,自動設置或用戶手動錄入控制參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)會實時讀取種植箱內(nèi)傳感器數(shù)值來調(diào)整執(zhí)行設備的動作,當種植箱內(nèi)環(huán)境溫度超過設定范圍值時,將啟動制熱設備或制冷設備直至箱體內(nèi)溫度達到設定范圍;當種植箱內(nèi)濕度超過設定范圍值時,將啟動加濕設備與送風設備對箱內(nèi)進行加濕;當二氧化碳濃度超過設定范圍值時,將啟動通風設備對箱內(nèi)氣體進行換風操作。

圖5 設備控制流程圖

2.3.3 軟件設計

食用菌環(huán)境參數(shù)控制主要是對食用菌生長的環(huán)境參數(shù)(包括溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強度等)進行調(diào)控,使環(huán)境參數(shù)保持在食用菌生長最佳條件范圍內(nèi),且波動小,穩(wěn)定性高。目前,食用菌工廠化生產(chǎn)中基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境控制系統(tǒng)較多,且大多數(shù)集中在數(shù)據(jù)采集方面,缺乏以食用菌生長模型為核心的、多品種菌類智能環(huán)境參數(shù)擬合的解決方案[25]。遠程智能控制系統(tǒng)以stm32fl03微控制器做主控,采用計算機或手機終端做人機界面監(jiān)控系統(tǒng)運行,包括各類服務器、數(shù)據(jù)庫、綜合管理平臺等,系統(tǒng)可以通過2G/3G/4G網(wǎng)絡實現(xiàn)云端與本地管理的互聯(lián),支持20余種不同菌類生長環(huán)境參數(shù)的提供,根據(jù)所需栽培的菌類種類自動擬合并設定最佳環(huán)境參數(shù),通過各類傳感器實時測量和顯示溫度、濕度等參數(shù),根據(jù)功能需求設計了后臺管理軟件和手機App軟件。

軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)登錄、參數(shù)設置、狀態(tài)顯示、系統(tǒng)報警、數(shù)據(jù)記錄等多個功能模塊,用戶可通過人機界面設置設備執(zhí)行參數(shù)的手動錄入,可查看種植箱內(nèi)溫度、濕度、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)的實時檢測值以及變化記錄曲線,當設備參數(shù)值出現(xiàn)異常時會收到報警信息等操作。該控制系統(tǒng)的人機服務系統(tǒng)包括后臺管理軟件和前端軟件兩種,主要界面如圖6、圖7所示。

圖6 數(shù)據(jù)修改界面圖

圖7 手機軟件界面圖

3 性能試驗

3.1 試驗條件與材料

為了檢測居家智能培育設備的運行穩(wěn)定性,評定設計指標和實測數(shù)據(jù)差距及作業(yè)質(zhì)量是否達到產(chǎn)品設計要求,并考察菌類培育設備的實用性和推廣價值,2021年10月中旬在河北省石家莊市,以榆黃菇菌包為試驗對象,開展了設備的性能檢測試驗。

3.2 試驗方法及過程

本次試驗采用中高溫型榆黃菇為試驗對象,在居家智能培育設備中進行出菇階段管理試驗,試驗過程如圖8所示。榆黃菇出菇管理階段,子實體生長與發(fā)育最佳溫度范圍為17 ℃～23 ℃,隨著溫度的降低,子實體生長發(fā)育速度變緩,產(chǎn)量也降低,顏色變深;隨著溫度升高,子實體生長發(fā)育速度加快,超過適宜溫度范圍則菇蓋變薄,產(chǎn)量下降?？諝庀鄬穸确矫?出菇階段最佳相對濕度在85%～95%之間,濕度低于75%會造成菌蓋發(fā)育停止,產(chǎn)量降低,濕度過高容易導致雜菌感染。光照方面,光照對子實體色素合成有明顯作用,子實體分化和發(fā)育需要600 Lux以上的光強。二氧化碳濃度方面,空氣中過高的二氧化碳濃度會導致菇體萎蔫,甚至死亡。

圖8 設備試驗過程圖

根據(jù)適宜榆黃菇子實體生長發(fā)育的最佳環(huán)境條件,設置種植倉內(nèi)環(huán)境參數(shù)范圍為:溫度范圍20～23 ℃,濕度范圍90%～95%,CO2濃度范圍400～600 mg/L,以及光照強度500～1 000 Lux。

3.3 試驗結(jié)果分析

通過比較測量的溫、濕度和二氧化碳濃度檢測數(shù)據(jù)和實際智能控制系統(tǒng)設定的溫、濕度和二氧化碳濃度數(shù)據(jù),結(jié)果顯示誤差小,準確度高,設備工作穩(wěn)定性好。同時,在系統(tǒng)中實時顯示采集數(shù)據(jù),可查看以往記錄數(shù)據(jù),為食用菌生長趨勢分析提供有效幫助。而且當設備出現(xiàn)異常時,對應的故障就會發(fā)出警報,供管理人員及時排除故障。通過5天試驗,設備完全滿足試驗檢驗要求,控制環(huán)境因素精確且設備運行良好,試驗結(jié)果表明,此設備內(nèi)栽培的榆黃菇培育時間約為3～5天,出菇率在95%～98%,而工廠化大規(guī)模栽培的榆黃菇培育時間約為11～15天,出菇率在85%左右,可知居家智能菌類培育設備可有效提高出菇速率及出菇率。

4 結(jié)論

1) 針對現(xiàn)有食用菌市場需求與消費形式變化,研制出由可移動箱體、種植倉、送風系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成的食用菌智能培育設備,其溫度控制范圍在15～28 ℃,濕度控制范圍在50%～95%,CO2濃度控制范圍在300～1 500 mg/L,以微控制器做主控,采用計算機或手機終端做人機界面系統(tǒng)實時監(jiān)測、調(diào)節(jié)種植倉內(nèi)環(huán)境參數(shù),每批次可培育80個食用菌菌包。

2) 開展了設備性能試驗研究,結(jié)果表明:系統(tǒng)可根據(jù)提供的食用菌品種模擬出最佳生長環(huán)境參數(shù),可自動調(diào)節(jié)不同階段環(huán)境參數(shù),榆黃菇的出菇時間為3～5天,相比工廠化生產(chǎn)出菇速率提高8～10天,設備運行穩(wěn)定。