居家菌类智能培育设备设计与试验*

李红梅，吴今姬，王亮明，宋卫东，赵清，李彦英

(1. 河北福路特农业技术开发有限公司,北京市,100162; 2. 农业农村部南京农业机械化研究所,南京市,210014; 3. 内蒙古包头市农牧科学技术研究所,内蒙古包头,014010;4. 河北省农业特色产业技术指导总站,石家庄市,050000)

0 引言

食用菌因含有丰富的蛋白质、多糖、维生素等活性成分,被广泛认知为具有食用、药用以及保健价值的食品[1-3]。我国食用菌产业自20世纪90年代得到迅速的发展,经历了手工栽培、机械化栽培到工厂化栽培阶段[4]。目前,我国食用菌主要生产模式包括小规模作坊式栽培与大规模集约化栽培[5-7],其中集约化生产占总产量的80%。小规模作坊式栽培是在自然条件或简单设施基础上,农户购买制作好的菌包或自行制作菌包,并按要求进行栽培管理,该方式受天气影响较为明显,且产量较少,质量得不到保证。工厂化栽培是目前食用菌生产的主流方式,采用全程环境控制栽培[8-9],实现环境参数的实时监测与控制,使食用菌处于理想的生长状态,具有生产周期快、产量大、效益高等优点,但由于栽培空间较大,环境控制参数精度较低,一定程度上影响食用菌生长速率,并出现出菇不一致等现象[10-12]。此外,食用菌与其他农产品相同,具有易变质、贮藏时间短、即食性等特点[13-15],产后经过仓储、冷链、商超等诸多环节存在不可避免的污染隐患,产后损失率非常大,也一定程度上阻碍了食用菌产业的进一步发展[16]。考虑以上大规模栽培的弊端,以及为适应不断转变的销售模式与家庭栽培需求,学者们也着手研究开发出具有加湿、加温、制冷等功能的中小型培育设备。梁亚等[17]研究了一种猴头菇食用菌种植设备,该设备基于单片机控制种植箱内环境参数,可满足猴头菇家庭化种植需求。姬快乐等[18]研究了一种家庭式食用菌种植箱,可实现箱体内温度、湿度的监测与调节,但结构与功能相对简单。陈学东等[19]开发了一种智能一体化食用菌栽培系统,包括参数采集装置、基于PLC的控制装置及执行装置等,系统集成有大球盖菇、香菇、羊肚菌、灵芝等若干食用菌品种的培养参数,通过调节环境中的温度、湿度及光照等参数为不同食用菌生长提供所需环境,但箱体体积较小,可放置菌包数量较少。目前市面上还没有较为成熟的、专门用于食用菌栽培的设备。由于食用菌生长环境参数包括温度、湿度、二氧化碳浓度及光照强度等对食用菌生长速率及产量起着关键作用[20-23],同时,不同菌类品种对环境参数的要求和敏感度也具有较大差异,现有相关栽培设备无法自动拟合出菌类所需环境参数,控制精度也较低。

本文基于新型C2F生产理念,集多维传感技术、生物工程技术、智能模拟技术及物联网技术于一体,开发出食用菌智能培育设备,研究设计出具有加湿、加热、制冷及送风等功能于一体的送风系统,优化种植仓、排气结构设计等,开发具有菌类生长环境模拟、智能远程控制即环境实时监测与调控等一系列功能的菌类专用智能远程控制系统。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

食用菌智能培育设备由柜体、送风系统、排风装置、种植箱及远程控制系统等组成,如图1所示。柜体由不锈钢板制成;送风系统安装在培养箱顶部,包括制冷、制热、加湿、送风等装置;种植箱由培养架、排风装置组成,种植箱内设有培养架,菌包放置于培养架上,柜体侧面设有排风装置,种植箱内设有温湿度传感器、CO2浓度检测传感器、补光设备等,培养箱底部设有万向轮,可实现随时随地轻松移动与摆放。居家智能培育设备的主要技术参数如表1所示。

图1 食用菌智能培育设备结构示意图

1.2 工作原理

居家智能培育设备从模拟生态环境理念出发,基于大量不同温型菌类生长特性参数,开发出远程智能环境控制系统,为设备提供适应不同品种食用菌生长的最佳环境参数。确定好培育菌包种类后,控制系统利用种植箱内设置的温湿度传感器、二氧化碳浓度检测传感器及光敏传感器实时检测环境参数,并基于物联网、5G技术实时反馈到控制系统中实现环境参数的远程、实时监测。再根据反馈数据与系统设定值对比计算,发出控制指令,进行自动控制执行设备,包括制冷、制热、加湿及通风等设备的动作,实时调节环境中的温度、湿度、风速、二氧化碳浓度,实现设备内食用菌菌包处于最佳的生长环境。

2 关键部件设计

2.1 种植箱

种植箱是用于培养食用菌菌包的空间,由箱体、门、培养架、接水槽等部分组成,箱体内安装有培养架、温湿度传感器,并设有出风口,种植箱内培养空间固定尺寸为1 440 mm×930 mm×580 mm。由于培育的专用菌包尺寸为直径105 mm,长度220 mm,考虑一般出菇高度在120～140 mm,架层高度约为6 mm,因此在充分考虑到设备柜体总尺寸的要求与菌包尺寸、出菇数量、出菇高度等因素条件,进行了结构设计与优化菌包架层布局,最终设置每层高度约280 mm,共5层固定培养架,每层可放置16个菌包,五层可放置80个菌包,以此保障种植箱内菌包放置数量最大化与空间使用最优化的目标,也可保证菌包的出菇质量,如图2所示。种植箱内除了5个固定的培养架外,还设计了3个可拆卸式培养架,以适应不同尺寸菌包或菌瓶栽培需求,如蛹虫草栽培菌瓶高度尺寸仅有120 mm左右,此时可在种植仓内加设培养架提高栽培菌瓶数量,充分实现种植仓内空间最大化利用,提高产量。箱体底部设有4个万向轮,可随时随地移动设备的投放位置。

图2 种植箱结构示意图

2.2 送风系统

送风系统是集成制冷制热箱、内水箱、加湿器、加热装置、制冷设备、散热和散冷装置等多功能于一体的执行装置,安装于箱体顶部,其结构示意图如图3所示。种植箱内环境参数的控制均依据送风装置的运行,其中加热装置和制冷设备为种植箱提供温度调节功能,加湿装置提供湿度调节,其总集成尺寸为1.2 m×0.5 m×0.4 m,占总设备体积的1/7,相较于现有的分体式设计,结构更紧凑,减小了占用的体积,并且减少了在柜体上的开孔数量。

图3 送风装置结构示意图

制冷设备包括压缩机、冷凝器和蒸发器。压缩机和冷凝器设置于制冷制热箱和内水箱外部,压缩机、冷凝器和蒸发器通过冷媒管道连成循环回路,蒸发器设置于制冷制热箱内部,通过吸收空气中的能量对水箱内的空气进行高效制冷处理。加湿器采用超声波加湿器,设在水箱底部,上部还设有挡水板,以免加湿器工作时激荡起的水溅入集风管内。水箱内设有电加热棒,可对水箱内的水进行直接加热;水箱内设有温度传感器,可对加热、制冷温度进行检测并反馈;水箱内还设有水位计,管控水位高度,避免蒸发器和集风口入水。此外,在蒸发器和加热装置外套设有散热装置,可以使制冷设备产生的冷量以及加热装置产生的热量更快速地发散到制冷制热箱内。

2.2.1 压缩机

系统的冷负荷采用复合系数法计算,设备采用不锈钢材质作为围护结构,其瞬变传热引起的冷负荷公式[23-24]如式(1)所示。

Q=K×F[(t1+td)-tn]=918 W

(1)

式中:K——围护结构传热系数,W/(m2·K);

F——围护结构表面积,m2;

t1——围护结构冷负荷温度的逐时值,℃;

td——冷负荷温度的地点修正值,℃;

tn——种植箱内设定温度,℃。

忽略菌包、栽培架及外部热源等对系统内部空气热量的影响,通过查表获取相应参数,K取值8 W/(m2·K),石家庄夏季冷负荷温度逐时值t1取值35.1 ℃,修正值td取值0.5 ℃,围护结构表面积计算得5.85 m2,种植箱内最低设定温度选择16 ℃,计算得到的冷负荷,考虑一定的富余量,取富裕系数1.1,则选取输入功率385 W,制冷量1 130 W的压缩机。

2.2.2 加湿器

超声波加湿器是等焓加湿过程,加湿器实际所需加湿量计算公式如式(2)所示。

H=ρ×V×C1×(d1-d2)×C2

(2)

式中:H——所需加湿量,kg/h;

ρ——空气密度,kg/m3;

d1——加湿前空气含湿量;

d2——加湿后空气含湿量;

V——新风通风量,m3/h;

C1——温度系数;

C2——安全系数。

该设备新风通风量为252 m3/h,需提供的最高湿度值为95%RH,空气密度ρ为1.29 g/m3,温度系数取1.2,安全系数取1.1,由式(2)可计算得出加湿器所需加湿量为1.64 kg/h。

2.3 远程智能控制系统

2.3.1 系统组成

控制系统主要由测控模块、控制软件、AHT21型温湿度传感器、MH-Z16型二氧化碳气体传感器以及其他相关器件组成,如图4所示。

图4 控制系统组成图

种植箱内各个位置设有各类传感器,控制软件根据所设定的菌类品种录入该菌类最佳生长环境参数,并通过采集到的传感器数值进行数据分析,再进行对制冷、制热、通风等设备的控制,实现种植箱内环境参数的智能调控。

2.3.2 控制流程

设备控制流程如图5所示,当设备开始运行后,控制系统首先对设备进行初始化设置,根据登录的用户信息自动追踪设备位置信息,并实时获取当地天气预报数据为系统参数设置提供参考。初始化结束后,根据不同品种菌包对不同环境条件的需求,系统将制定相应的环境控制方案,自动设置或用户手动录入控制参数。控制系统会实时读取种植箱内传感器数值来调整执行设备的动作,当种植箱内环境温度超过设定范围值时,将启动制热设备或制冷设备直至箱体内温度达到设定范围;当种植箱内湿度超过设定范围值时,将启动加湿设备与送风设备对箱内进行加湿;当二氧化碳浓度超过设定范围值时,将启动通风设备对箱内气体进行换风操作。

图5 设备控制流程图

2.3.3 软件设计

食用菌环境参数控制主要是对食用菌生长的环境参数(包括温度、湿度、二氧化碳浓度、光照强度等)进行调控,使环境参数保持在食用菌生长最佳条件范围内,且波动小,稳定性高。目前,食用菌工厂化生产中基于物联网的环境控制系统较多,且大多数集中在数据采集方面,缺乏以食用菌生长模型为核心的、多品种菌类智能环境参数拟合的解决方案[25]。远程智能控制系统以stm32fl03微控制器做主控,采用计算机或手机终端做人机界面监控系统运行,包括各类服务器、数据库、综合管理平台等,系统可以通过2G/3G/4G网络实现云端与本地管理的互联,支持20余种不同菌类生长环境参数的提供,根据所需栽培的菌类种类自动拟合并设定最佳环境参数,通过各类传感器实时测量和显示温度、湿度等参数,根据功能需求设计了后台管理软件和手机App软件。

软件系统包括系统登录、参数设置、状态显示、系统报警、数据记录等多个功能模块,用户可通过人机界面设置设备执行参数的手动录入,可查看种植箱内温度、湿度、二氧化碳浓度等环境参数的实时检测值以及变化记录曲线,当设备参数值出现异常时会收到报警信息等操作。该控制系统的人机服务系统包括后台管理软件和前端软件两种,主要界面如图6、图7所示。

图6 数据修改界面图

图7 手机软件界面图

3 性能试验

3.1 试验条件与材料

为了检测居家智能培育设备的运行稳定性,评定设计指标和实测数据差距及作业质量是否达到产品设计要求,并考察菌类培育设备的实用性和推广价值,2021年10月中旬在河北省石家庄市,以榆黄菇菌包为试验对象,开展了设备的性能检测试验。

3.2 试验方法及过程

本次试验采用中高温型榆黄菇为试验对象,在居家智能培育设备中进行出菇阶段管理试验,试验过程如图8所示。榆黄菇出菇管理阶段,子实体生长与发育最佳温度范围为17 ℃～23 ℃,随着温度的降低,子实体生长发育速度变缓,产量也降低,颜色变深;随着温度升高,子实体生长发育速度加快,超过适宜温度范围则菇盖变薄,产量下降。空气相对湿度方面,出菇阶段最佳相对湿度在85%～95%之间,湿度低于75%会造成菌盖发育停止,产量降低,湿度过高容易导致杂菌感染。光照方面,光照对子实体色素合成有明显作用,子实体分化和发育需要600 Lux以上的光强。二氧化碳浓度方面,空气中过高的二氧化碳浓度会导致菇体萎蔫,甚至死亡。

图8 设备试验过程图

根据适宜榆黄菇子实体生长发育的最佳环境条件,设置种植仓内环境参数范围为:温度范围20～23 ℃,湿度范围90%～95%,CO2浓度范围400～600 mg/L,以及光照强度500～1 000 Lux。

3.3 试验结果分析

通过比较测量的温、湿度和二氧化碳浓度检测数据和实际智能控制系统设定的温、湿度和二氧化碳浓度数据,结果显示误差小,准确度高,设备工作稳定性好。同时,在系统中实时显示采集数据,可查看以往记录数据,为食用菌生长趋势分析提供有效帮助。而且当设备出现异常时,对应的故障就会发出警报,供管理人员及时排除故障。通过5天试验,设备完全满足试验检验要求,控制环境因素精确且设备运行良好,试验结果表明,此设备内栽培的榆黄菇培育时间约为3～5天,出菇率在95%～98%,而工厂化大规模栽培的榆黄菇培育时间约为11～15天,出菇率在85%左右,可知居家智能菌类培育设备可有效提高出菇速率及出菇率。

4 结论

1) 针对现有食用菌市场需求与消费形式变化,研制出由可移动箱体、种植仓、送风系统和控制系统组成的食用菌智能培育设备,其温度控制范围在15～28 ℃,湿度控制范围在50%～95%,CO2浓度控制范围在300～1 500 mg/L,以微控制器做主控,采用计算机或手机终端做人机界面系统实时监测、调节种植仓内环境参数,每批次可培育80个食用菌菌包。

2) 开展了设备性能试验研究,结果表明:系统可根据提供的食用菌品种模拟出最佳生长环境参数,可自动调节不同阶段环境参数,榆黄菇的出菇时间为3～5天,相比工厂化生产出菇速率提高8～10天,设备运行稳定。