基于数据挖掘的食用菌培养料发酵过程数据采集*

孙亚红

（西安翻译学院工程技术学院，陕西 西安 710105）

食用菌培养料发酵过程是食用菌栽培的关键环节，对食用菌产量影响较大[1]。利用食用菌培养料发酵的高温杀死虫卵、杂菌，对培养料进行高温降解和软化，以便于后期的装袋和菌丝生长。食用菌培养料发酵过程需要保持60℃左右的高温，还需要控制好各种培养料的含水量[2]。在发酵的过程中，如何进行温度和湿度控制成为了关键问题。

1 食用菌培养料发酵过程

食用菌栽培方式有生料栽培、熟料栽培、半熟料栽培和发酵料栽培等。由于发酵料栽培的周期短、工序少、无需灭菌及装袋、设备成本低等特点，适合规模化生产，成为被广泛应用的栽培方式[3]。

1.1 准备工作

根据每种食用菌的特点设计好配方，配方原材料应尽量选择无腐烂变质、虫害、病菌的新料；特别是玉米芯、棉籽壳、麸子和豆秸等主料，尽量选择当季生产的原料。配方原料可以根据当地的资源情况进行调整，只要符合配方的设计原则即可。如棉籽壳、玉米芯就比较适合平菇的栽培，其营养丰富、质地疏松，碳氮比和吸水性、透气性均能满足平菇栽培的需要。同时需选择正规厂家生产的其它辅料，如石灰、石膏、克霉灵等辅料和药品。所有的原材料均要粉碎后贮存在干燥通风的地方。可以通过添加麸皮等物质调节配方中碳氮比，通过磷肥等调节矿物质。

1.2 拌料建堆

首先对拌料建堆的场地和使用工具进行彻底消毒，拌料前先将所有的原料暴晒24 h，中途适当翻堆。然后将主料玉米芯、棉籽壳等加水预湿，可采用喷淋等方式帮助水分吸收，主料水分充足后，再加入麦麸、石膏等其他辅料和药品，翻堆拌匀。培养料含水量控制在65%～70%，pH 7～8。含水量可以用经验测量，用手握紧培养料手指缝有两、三滴水落下即可，切记水分不能过大，合适的水分含量能节省后期每一次翻堆过程中的时间与成本。

1.3 翻堆降温

当培养料中心温度发酵到60℃时维持24 h后进行第1次翻堆，以后每天或隔一天进行1次翻堆，一共需翻堆5次左右，8 d～10 d完成发酵。每次翻堆都要将原料充分散开挥发掉有害气体，尽量将内层的原料翻到外层，将未腐区的原料翻到高温区进行腐熟。因为每次发酵的高温区在表层以下15 cm～20 cm，所以温度计测温应以温度计插入深度15 cm～20 cm为标准。当培养料内有大量肉眼可见白色放线菌产生后，说明发酵接近结束了。发酵好的培养料质地松软，抓一把握在手里能成团，扔在地上立即散开，有发酵香味，说明发酵可以结束，随后将培养料平铺后降温到20℃时，即可进行装袋接种。

2 食用菌培养料发酵过程的数据采集

2.1 发酵过程的数据采集

食用菌培养料发酵温度超过60℃时，需要进行翻堆。传统的翻堆时间和次数都是根据经验而确定的，而且测量温度采用的多是插入温度计进行测温，由于料堆每一部分的发酵程度会有差异，温度计测量的局部温度并不能代表整个料堆的发酵情况。因此，精准控制温度对料堆发酵翻堆、降温的时间节点把握至关重要。利用温度数据实时采用技术，结合计算机编程控制技术对料堆的温度进行实时控制，及时准确地掌握料堆内部平均温度，控制料堆的发酵质量。

食用菌培养料发酵料堆温度数据采集是典型的多点温度采集，需要在料堆中安置多个自动测温的传感器，采用DS18B20数字式温度传感器，在料堆内部进行多点温度采集。

2.2 DS18B20数字温度传感器主要技术参数

DS18B20具有多点温度采集功能，而且传感器价格便宜，抗干扰能力强，十分适合堆料发酵的恶劣工作环境的现场测温[4]。

1） 测量温度范围为-55℃～125℃，温控精度±0.5℃；而且支持多点组网功能，由多个DS18B20并联在单线上即可实现多点测温。

2）供电为数据线供电，不用借助外部电源即可获取电力；即使电源极性反接，传感器温度计也不会因为发热而烧毁。

3）设置有自动报警电路，当采集温度超过设定值时，可以实现自动报警、自动响应；并且包含有带电可擦可编程只读存储器EEPROM (electrically erasable programmable read only memory，EEPROM)，在系统掉电以后，仍可保存分辨率及报警温度的设定值，具有掉电保护功能。

2.3 温控数据采集系统的设计与开发

料堆的温控数据采集系统采用的硬件开发设备主要有单片机、NB扩展板；软件系统有NB-IoT模拟器、IoT Studio集成开发工具；在华为公用云、Windows 7操作系统下进行采集系统开发设计和在线调试。

1）在华为云开发中心创建温控数据采集系统项目，定义Profile、新建温度控制服务和温度传感器服务并设置相应的属性。

2） 编解码插件开发，通过添加消息Report_Sensor来实现温度数据的上报，添加消息Set_Temp实现温度数据的下发。

3）将设备模型和编解码插件关联起来。

4）新增温度传感器，设备标识使用NB-IoT的IMEI号可以直接在扩展模块上查看，或者连接扩展板。

2.4 温度采集与控制软件的开发

1） 构建应用名称newsoft，勾选基础功能模块中的设备注册、设备列表和规则。

2） 创建成功后编辑温控应用。新建自定义页面，菜单名称为食用菌培养料发酵温控系统，实现开发板上报数据和对开发板下发命令的功能。拖动选择的温度传感器，对传感器属性（配置面板中添加创建时间和状态的显示）；传感器监控（修改名称为温度监控，并关联到在华为云开发中心创建温控数据采集系统项目profile中，对应的服务和发生分别是sensor服务和luminance属性）；命令下发（修改名称为温控开关，并关联到profile中的温控服务中的Set_Temp命令）；再次拖动一个设备监控组件到温控管理页面（修改名称为温度变化，显示类型为图表类型，再次关联到profile中的sensor服务中的luminance属性）。保存编辑后完成温控应用创建。

3）调试测试应用。注册设备，先删除产品开发中调测的同IMEI号的设备。发送AT指令将设备入网，NB-IoT入网常用AT指令。通过串口助手给模组发指令完成模组重启、模组附着网络、查询信号质量等指令。重启模块发送指令为AT+NRB，模块返回程序如下。

观察模块返回结果，当查询模块射频功能状态指令、开启射频功能指令、查询模块信号强度指令、查询网络是否激活指令、查询网络是否注册指令、查询当前网络连接状态指令均返回“OK”时，表明完成设备的注册。下发命令观察开发板灯是否能够正常点亮，点亮即表明调试测试应用正常。

4） 新建温控规则。新建一条温控规则Temp_ON，当温度高于60℃时，报警提示，条件中添加行为，条件类型为设备类型，设备模型通过厂商名称搜索。服务类型为sensor，设置触发条件为温度高于60℃，在动作中添加行为，选择设备模型，设置动作为报警提示进行翻堆，同时下发提示灯打开命令。再新建一条规则Temp_OFF，当温度低于60℃时，设备模型与上一条规则保持一致，再添加动作，设备类型同上动作为OFF。同时下发提示灯关闭命令。从而完成温控的报警功能。

3 数据挖掘的知识推理技术

食用菌培养料发酵过程中的温度、湿度、pH、氧气含量等数据需要采集，可以科学控制食用菌培养料发酵过程，提高发酵的质量和效率。通过对这些数据的分析，还可以得到一些隐含的信息。如对培养料发酵过程中温度、湿度信息的分析，得到某一地区对一些食用菌培养料发酵原材料使用上的偏好。数据挖掘过程一般需要通过知识推理技术来实现[5]，目前主要的推理方式有3种类型。

1）基于知识的推理：根据已经掌握的事实推导出新的事实的推理过程。目前的食用菌共享信息基本上都是基于已知知识进行推理，已知的事实对应于共享数据库中的知识数据库。如某一地区的食用菌培养料发酵过程中，即使采用了同一个配方，培养料发酵过程中采集的pH数据总是低于正常值。因此推断，该地区可能有影响pH的因素，再根据已知的配方加入材料和当地的地下水流域和分布数据，推测pH过低的原因是水质问题，即拌料使用的水pH过低引起培养料发酵pH过低。

2）基于数据统计的推理：对已经有的大量特征数据进行统计，得出隐含信息的特征结论，从而得将隐含信息转化为共享的显式信息。如统计某个省食用菌培养料生产企业每年的产量和用量，根据统计的数据确定当年食用菌的品种和产量，并找出产量降低与培养料生产的关系。

3）基于常识的直觉推理：根据自身已知的常识进行思考推理的过程。如当看到料堆发酵过程温度过高时，马上就会想到进行翻堆，从而可以保证发酵料维持温度的时间；并寻找温度上升的关键原因，或者根据直觉或经验判断影响温度升高的因素是什么。这种推理一方面是基于经验和常识，另外也是一种自然的反应动作，但在计算机决策支持系统中实现比较困难。

4 结论

食用菌培养料发酵过程涉及的温度、湿度、pH、氧气含量等数据。通过数据挖掘技术可以帮助食用菌专家学者和决策层获取更多的潜在有用信息，掌握更多的科学知识，控制培养料发酵过程，提高发酵的质量和效率。对发酵过程中的温度数据进行采集和控制，实现了料堆温度的自动报警功能。后期还需要对其它数据进行采集分析，进一步提高培养料发酵过程的自动化控制，以期推动食用菌产业的可持续发展。