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摘要 根据蘑菇栽培管理的技术要求，应用物联网技术与云服务技术，经系统设计及硬件子系统的配置与优化、软件子系统开发，研制了一套蘑菇栽培环境远程监测预警技术系统。技术测试结果表明，该技术系统对蘑菇栽培环境的空气温度、空气湿度和栽培基质温度进行智能化监测预警，准确、稳定、实用，有助于菇农对蘑菇栽培实现精准管理，提高蘑菇生产效率，具有良好的应用前景。
关键词 蘑菇；栽培环境；智能系统；监测；预警
中图分类号 TP277 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）16-0270-02
Abstract According to the technical requirement of mushroom cultivation，combined with the internet of things technology and cloud services technology，a intelligent monitoring and warning system was designed after system design，configuration and optimization of hardware subsystem，development of software subsystem.Technical test showed that this system was accurate，stable and practical on the intelligent monitoring and warning for the air temperature，air humidity and substrate temperature of mushroom cultivation.The system can help farmers to achieve precise management of mushroom cultivation and improve the efficiency of mushroom production，so it has a good application prospect.
Key words mushroom；cultivation environment；intelligent system；monitoring；warning
双孢蘑菇（Agaricus campestris）简称蘑菇，是我国栽培数量最多的菇类品种，加工出口量居世界首位。福建省漳州市是我国蘑菇的主要产区，全市年栽培面积稳定在1 000万m2，蘑菇产量、加工量、出口量均保持全国第一[1]。
蘑菇生长对温湿度很敏感，温湿度不适宜就会出现不出菇、菇盖打开等异常情况，降低蘑菇的产量、产品等级及其经济价值。近年来，我国的蘑菇工厂化栽培规模持续扩大，自动化技术得到普遍应用、智能化技术也得到积极尝试；但是，大部分菇农的蘑菇生产，是菇农凭经验及菇房蹲守的方法进行蘑菇栽培管理，缺乏实用的智能化技术予以支持，管理上难以精准与及时，蘑菇产量及品质不够稳定，而且管理耗时费力，劳动生产率不高，严重影响菇农的生产收益。
根据菇农蘑菇栽培管理的技术需求，应用物联网、云服务等新技术，研究设计一套蘑菇栽培环境智能监测预警技术系统，旨在提高蘑菇栽培的精准管理水平、提升菇品的质量等级、减轻菇农劳动强度、降低蘑菇生产风险。
1 蘑菇栽培环境因素
1.1 温度
温度是蘑菇生长发育过程中最主要的环境影响因子，菇房空气温度和栽培基质温度直接影响着菌丝的生长速度和子实体的数量与质量。蘑菇在不同的生长阶段对温度的要求是不同的。菌丝生长的最适温度为22～26 ℃；子实体发育的最适温度为14～16 ℃；出菇期温度应控制在12～18 ℃[2-3]。监测菇房空气温度、基质温度变化，并设置阈值对空气温度、基质温度超过阈值发出预警，有助于菇农加强对蘑菇栽培的精准管理。
1.2 湿度
水分是蘑菇的重要组成部分，蘑菇不同的生长阶段对水分的要求也不同。栽培基质含水量要求控制在60%～65%之间；菌丝生长阶段，菇房内空气相对湿度保持在70%左右；出菇阶段，特别是当子实体长到黄豆大小时，空气相对湿度提高到90%[2-3]。监测菇房空气湿度变化，并设置阈值，当空气湿度超过阈值时发出预警，同样有助于菇农加强对蘑菇栽培的精准管理。
2 蘑菇栽培环境监测方法
2.1 监测对象
由以上分析可知，蘑菇栽培需着重监测3个环境参数：空气温度、空气湿度、基质温度。这3个环境参数是蘑菇生长过程的关键因素，监测这些参数的变化情况并及时发出预警信息，对蘑菇栽培精准管理具有直接的指导作用。
2.2 监测范围和频率
目前，漳州菇农栽培菇房为砖墙结构，房屋结构为长方形，屋顶高10 m左右、肩高8 m左右，每间菇房栽培面积300～500 m2。对于蘑菇的栽培环境监测来说，在菇房选择适当的位置设立1个环境监测点即可反映整个菇房环境温湿度变化情况。根据试验结果，监测信息单次采集的数据量为12 Byte，温湿度在20 min以内波动幅度较小（±5%以内）。
3 系统设计
根据菇农蘑菇栽培管理的技术需求，采用智能监测、预警与专家决策相结合的技术路线，通过物联网技术在线实时监测蘑菇栽培菇房的空气温度、空气湿度和栽培基质温度，加上移动通信与云服务技术支持，为菇农提供及时准确的温湿度监测与预警信息；同时，利用云平台，食用菌技術专家可及时向菇农提供技术支持，农业部门也可及时了解蘑菇生产情况。蘑菇栽培环境智能监测预警技术系统结构见图1。
4 硬件子系统的配置与优化 根据蘑菇栽培环境智能监测预警技术系统功能实现的要求，硬件子系统的构建目标为研发配置出应用简单、经济实用的小型化农业物联网技术产品，其要求：一是环境参数监测预警准确、稳定、可靠，适应菇房高温高湿的环境；二是产品小巧轻便，易装易拆。蘑菇栽培是季节性的，生产季节为每年9月至次年5月。蘑菇生产结束后，要对菇房、栽培架进行清理、整修，硬件技术产品不仅要易于安装，也要易于拆除保存。为此，本技术系统在参考冷链管理物联网系统的基础上，构建了包含智能监测报警器、主机天线、移动通信卡、温度传感器、湿度传感器、电源适配器、内置锂电池组成的硬件子系统，并针对蘑菇栽培管理需求进行了技术优化。
4.1 优选温度传感器和湿度传感器
温度传感器选择密封性、传导性良好的不锈钢封装的进口NTC热敏电阻传感器，既可以监测菇房空气温度，也可插入栽培基质中监测基质温度。温度传感器用NTC热敏电阻制作，温度变化转为电压变化，经仪用放大器放大后通过AD转换为数字信号传输给主机处理[4]。考虑空气流动性与准确性的相关性，空气湿度传感器选择圆柱形金属网膜传感器，利于空气柔和通过传感器湿敏元件，起到稳定数据及保护内部元件的作用。空气湿度传感器类型为霍尼韦尔型，采用激光微调设计，具有稳定性强、低漂移的特点。空气湿度传感器与温度传感器一样，也是模拟量型，需经AD转换后远程传输[5]。转换算法经过优化，监测数据准确、精度高。监测菇房空气温度传感器和湿度传感器内置于百叶箱中，避免因菇农喷雾加湿操作而受损。
4.2 配置与优化智能监测报警器主机
每一台智能监测报警器主机设有唯一的ID识别号码，方便追踪管理与GPS定位，便于专家、农业部门应用。主机具有SIM卡槽，通讯SIM卡支持无线2G/3G/4G数据传输方式与GSM短信通讯方式，配置有通讯天线，加强信号传输，方便农村移动通信。主机可连接4路温湿度传感器，支持3温1湿传感器组合或2温2湿传感器组合，并可根据需求扩展至8路传感器，便于不同菇农不同阶段灵活使用。主机自身具备20 000组数据存储功能，当通讯信号异常时，数据先在主机存储，等恢复通讯后集中上报服务器，避免监测数据丢失。主机具有蜂鸣器报警功能，可以在菇房现场蜂鸣报警，符合菇农的生产管理习惯。主机内置2 200 mA锂电池作为断电应急电源，最长可续航6 h以上，提高系统应用的可靠性。主机配段式液晶屏8.0 cm×6.5 cm，可同时显示监测数据、系统时钟、工作状态、记录容量、电池电量、信号强弱等，主机整机大小13 cm×13 cm×3 cm，小巧轻便，上线速度快，开机后5 min即可在线查看数据。
5 软件子系统的开发
根据蘑菇栽培环境智能监测预警技术系统实现云服务功能的要求，软件子系统即蘑菇栽培环境智能监测预警云平台信息管理系统（简称云平台），包括电脑客户端web版软件与手机客户端APP软件。电脑客户端为管理员应用平台，手机客户端为菇农、技术专家、农业管理人员等共享应用平台。
菇农等通过手机客户端实现蘑菇栽培环境智能监测预警。菇农可以查看系统运行情况，系统在线时APP产品图标显示绿色，不在线时显示灰色；查看环境温湿度实时监测数据、及时获得报警信息，根据监测与预警信息进行蘑菇栽培管理；查看历史监测数据、监测数据趋势图，通过数据分析，提升蘑菇栽培的精准管理水平；根据产品应用场景及蘑菇栽培阶段，修改智能监测报警器設备与传感器名称，设置环境温湿度传感器报警阈值。
电脑客户端由管理员使用，完成对云平台及菇农账号的管理。电脑客户端除了具有手机客户端所有功能，还具有以下功能：管理菇农账号，添加、删除、转移产品，管理项目，导出监测数据，添加或删除菇农联系用手机号码，设置数据推送频率、记录频率等。
云平台通过多种监测预警方式确保监测预警信息有效送达。云平台的蘑菇栽培环境监测预警方式有手机客户端、电脑客户端、短信、电话等。其中，电话铃声提醒的方式最多可设置5个菇农手机号码，用于报警呼叫。
电脑客户端的信息管理系统设计有传感器校正功能。在传感器稳定性较好的前提下，传感器监测值可以根据实际值设置“ ”“-”参数，对监测数值进行校正。这是提高传感器准确性与延长使用寿命的有效手段。
6 技术系统的功能实现
经技术测试，蘑菇栽培环境智能监测预警技术系统具有
准确性、稳定性与实用性。系统运行的网络拓扑结构示意图见图2。
7 结语
应用物联网技术和云服务技术，设计了一套先进实用的蘑菇栽培环境智能监测预警技术系统，对降低生产技术风险、提高蘑菇生产效率、增加菇农收入有直接的促进作用，具有良好的推广应用前景[6]。
8 参考文献
[1] 林斌榕，兰清秀，卢政辉，等.福建省双孢蘑菇栽培技术的变革与发展[J].食药用菌，2017，25（1）：12-19.
[2] 叶小兴.蘑菇栽培技术[J].东南园艺，2013（3）：79-80.
[3] 卢政辉，李洪荣，郭仲杰，等.无公害双孢蘑菇高产优质栽培的控制要求[J].菌物学报，2005，24（增刊1）：263-265.
[4] 汪亮，刘洋，彭庶修.热敏温度传感器基本特性与应用[J].教育教学论坛，2017（2）：194-195.
[5] 乌海荣.湿度传感器特性分类及发展趋势的分析研究[J].机械与电子，2012（23）：143.
[6] 董静.食用菌规模化生产监控云服务方法研究[D].北京：中国农业大学，2017.
关键词 蘑菇；栽培环境；智能系统；监测；预警
中图分类号 TP277 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）16-0270-02
Abstract According to the technical requirement of mushroom cultivation，combined with the internet of things technology and cloud services technology，a intelligent monitoring and warning system was designed after system design，configuration and optimization of hardware subsystem，development of software subsystem.Technical test showed that this system was accurate，stable and practical on the intelligent monitoring and warning for the air temperature，air humidity and substrate temperature of mushroom cultivation.The system can help farmers to achieve precise management of mushroom cultivation and improve the efficiency of mushroom production，so it has a good application prospect.
Key words mushroom；cultivation environment；intelligent system；monitoring；warning
双孢蘑菇（Agaricus campestris）简称蘑菇，是我国栽培数量最多的菇类品种，加工出口量居世界首位。福建省漳州市是我国蘑菇的主要产区，全市年栽培面积稳定在1 000万m2，蘑菇产量、加工量、出口量均保持全国第一[1]。
蘑菇生长对温湿度很敏感，温湿度不适宜就会出现不出菇、菇盖打开等异常情况，降低蘑菇的产量、产品等级及其经济价值。近年来，我国的蘑菇工厂化栽培规模持续扩大，自动化技术得到普遍应用、智能化技术也得到积极尝试；但是，大部分菇农的蘑菇生产，是菇农凭经验及菇房蹲守的方法进行蘑菇栽培管理，缺乏实用的智能化技术予以支持，管理上难以精准与及时，蘑菇产量及品质不够稳定，而且管理耗时费力，劳动生产率不高，严重影响菇农的生产收益。
根据菇农蘑菇栽培管理的技术需求，应用物联网、云服务等新技术，研究设计一套蘑菇栽培环境智能监测预警技术系统，旨在提高蘑菇栽培的精准管理水平、提升菇品的质量等级、减轻菇农劳动强度、降低蘑菇生产风险。
1 蘑菇栽培环境因素
1.1 温度
温度是蘑菇生长发育过程中最主要的环境影响因子，菇房空气温度和栽培基质温度直接影响着菌丝的生长速度和子实体的数量与质量。蘑菇在不同的生长阶段对温度的要求是不同的。菌丝生长的最适温度为22～26 ℃；子实体发育的最适温度为14～16 ℃；出菇期温度应控制在12～18 ℃[2-3]。监测菇房空气温度、基质温度变化，并设置阈值对空气温度、基质温度超过阈值发出预警，有助于菇农加强对蘑菇栽培的精准管理。
1.2 湿度
水分是蘑菇的重要组成部分，蘑菇不同的生长阶段对水分的要求也不同。栽培基质含水量要求控制在60%～65%之间；菌丝生长阶段，菇房内空气相对湿度保持在70%左右；出菇阶段，特别是当子实体长到黄豆大小时，空气相对湿度提高到90%[2-3]。监测菇房空气湿度变化，并设置阈值，当空气湿度超过阈值时发出预警，同样有助于菇农加强对蘑菇栽培的精准管理。
2 蘑菇栽培环境监测方法
2.1 监测对象
由以上分析可知，蘑菇栽培需着重监测3个环境参数：空气温度、空气湿度、基质温度。这3个环境参数是蘑菇生长过程的关键因素，监测这些参数的变化情况并及时发出预警信息，对蘑菇栽培精准管理具有直接的指导作用。
2.2 监测范围和频率
目前，漳州菇农栽培菇房为砖墙结构，房屋结构为长方形，屋顶高10 m左右、肩高8 m左右，每间菇房栽培面积300～500 m2。对于蘑菇的栽培环境监测来说，在菇房选择适当的位置设立1个环境监测点即可反映整个菇房环境温湿度变化情况。根据试验结果，监测信息单次采集的数据量为12 Byte，温湿度在20 min以内波动幅度较小（±5%以内）。
3 系统设计
根据菇农蘑菇栽培管理的技术需求，采用智能监测、预警与专家决策相结合的技术路线，通过物联网技术在线实时监测蘑菇栽培菇房的空气温度、空气湿度和栽培基质温度，加上移动通信与云服务技术支持，为菇农提供及时准确的温湿度监测与预警信息；同时，利用云平台，食用菌技術专家可及时向菇农提供技术支持，农业部门也可及时了解蘑菇生产情况。蘑菇栽培环境智能监测预警技术系统结构见图1。
4 硬件子系统的配置与优化 根据蘑菇栽培环境智能监测预警技术系统功能实现的要求，硬件子系统的构建目标为研发配置出应用简单、经济实用的小型化农业物联网技术产品，其要求：一是环境参数监测预警准确、稳定、可靠，适应菇房高温高湿的环境；二是产品小巧轻便，易装易拆。蘑菇栽培是季节性的，生产季节为每年9月至次年5月。蘑菇生产结束后，要对菇房、栽培架进行清理、整修，硬件技术产品不仅要易于安装，也要易于拆除保存。为此，本技术系统在参考冷链管理物联网系统的基础上，构建了包含智能监测报警器、主机天线、移动通信卡、温度传感器、湿度传感器、电源适配器、内置锂电池组成的硬件子系统，并针对蘑菇栽培管理需求进行了技术优化。
4.1 优选温度传感器和湿度传感器
温度传感器选择密封性、传导性良好的不锈钢封装的进口NTC热敏电阻传感器，既可以监测菇房空气温度，也可插入栽培基质中监测基质温度。温度传感器用NTC热敏电阻制作，温度变化转为电压变化，经仪用放大器放大后通过AD转换为数字信号传输给主机处理[4]。考虑空气流动性与准确性的相关性，空气湿度传感器选择圆柱形金属网膜传感器，利于空气柔和通过传感器湿敏元件，起到稳定数据及保护内部元件的作用。空气湿度传感器类型为霍尼韦尔型，采用激光微调设计，具有稳定性强、低漂移的特点。空气湿度传感器与温度传感器一样，也是模拟量型，需经AD转换后远程传输[5]。转换算法经过优化，监测数据准确、精度高。监测菇房空气温度传感器和湿度传感器内置于百叶箱中，避免因菇农喷雾加湿操作而受损。
4.2 配置与优化智能监测报警器主机
每一台智能监测报警器主机设有唯一的ID识别号码，方便追踪管理与GPS定位，便于专家、农业部门应用。主机具有SIM卡槽，通讯SIM卡支持无线2G/3G/4G数据传输方式与GSM短信通讯方式，配置有通讯天线，加强信号传输，方便农村移动通信。主机可连接4路温湿度传感器，支持3温1湿传感器组合或2温2湿传感器组合，并可根据需求扩展至8路传感器，便于不同菇农不同阶段灵活使用。主机自身具备20 000组数据存储功能，当通讯信号异常时，数据先在主机存储，等恢复通讯后集中上报服务器，避免监测数据丢失。主机具有蜂鸣器报警功能，可以在菇房现场蜂鸣报警，符合菇农的生产管理习惯。主机内置2 200 mA锂电池作为断电应急电源，最长可续航6 h以上，提高系统应用的可靠性。主机配段式液晶屏8.0 cm×6.5 cm，可同时显示监测数据、系统时钟、工作状态、记录容量、电池电量、信号强弱等，主机整机大小13 cm×13 cm×3 cm，小巧轻便，上线速度快，开机后5 min即可在线查看数据。
5 软件子系统的开发
根据蘑菇栽培环境智能监测预警技术系统实现云服务功能的要求，软件子系统即蘑菇栽培环境智能监测预警云平台信息管理系统（简称云平台），包括电脑客户端web版软件与手机客户端APP软件。电脑客户端为管理员应用平台，手机客户端为菇农、技术专家、农业管理人员等共享应用平台。
菇农等通过手机客户端实现蘑菇栽培环境智能监测预警。菇农可以查看系统运行情况，系统在线时APP产品图标显示绿色，不在线时显示灰色；查看环境温湿度实时监测数据、及时获得报警信息，根据监测与预警信息进行蘑菇栽培管理；查看历史监测数据、监测数据趋势图，通过数据分析，提升蘑菇栽培的精准管理水平；根据产品应用场景及蘑菇栽培阶段，修改智能监测报警器設备与传感器名称，设置环境温湿度传感器报警阈值。
电脑客户端由管理员使用，完成对云平台及菇农账号的管理。电脑客户端除了具有手机客户端所有功能，还具有以下功能：管理菇农账号，添加、删除、转移产品，管理项目，导出监测数据，添加或删除菇农联系用手机号码，设置数据推送频率、记录频率等。
云平台通过多种监测预警方式确保监测预警信息有效送达。云平台的蘑菇栽培环境监测预警方式有手机客户端、电脑客户端、短信、电话等。其中，电话铃声提醒的方式最多可设置5个菇农手机号码，用于报警呼叫。
电脑客户端的信息管理系统设计有传感器校正功能。在传感器稳定性较好的前提下，传感器监测值可以根据实际值设置“ ”“-”参数，对监测数值进行校正。这是提高传感器准确性与延长使用寿命的有效手段。
6 技术系统的功能实现
经技术测试，蘑菇栽培环境智能监测预警技术系统具有
准确性、稳定性与实用性。系统运行的网络拓扑结构示意图见图2。
7 结语
应用物联网技术和云服务技术，设计了一套先进实用的蘑菇栽培环境智能监测预警技术系统，对降低生产技术风险、提高蘑菇生产效率、增加菇农收入有直接的促进作用，具有良好的推广应用前景[6]。
8 参考文献
[1] 林斌榕，兰清秀，卢政辉，等.福建省双孢蘑菇栽培技术的变革与发展[J].食药用菌，2017，25（1）：12-19.
[2] 叶小兴.蘑菇栽培技术[J].东南园艺，2013（3）：79-80.
[3] 卢政辉，李洪荣，郭仲杰，等.无公害双孢蘑菇高产优质栽培的控制要求[J].菌物学报，2005，24（增刊1）：263-265.
[4] 汪亮，刘洋，彭庶修.热敏温度传感器基本特性与应用[J].教育教学论坛，2017（2）：194-195.
[5] 乌海荣.湿度传感器特性分类及发展趋势的分析研究[J].机械与电子，2012（23）：143.
[6] 董静.食用菌规模化生产监控云服务方法研究[D].北京：中国农业大学，2017.