食用菌温室数字化培育装置项目的研究

肖凯 XIAO Kai

（武汉铁路职业技术学院，武汉 430205）

1 项目概述

在现有技术培育食用菌的过程中，温度、湿度、培育环境等都是至关重要的因素。但目前食用菌培育过程中，温室培育的温度和湿度得不到准确的感知，菌包和培养基的使用面积得不到有效的调节，传统的竹制培育装置不易搬运、容易腐烂，不环保，回收利用率低，产生的寄生虫的问题给培育过程带来了病菌感染的风险。为了有效解决上述问题，项目团队设计出一种菌育宝——食用菌温室数字化培育装置，实现食用菌在培育过程中，工作人员能准确地控制其环境温度和湿度，保证其高效生长。同时，经过实验应用，本装置安全可靠，操作简单，性价比高，具有很好的市场前景。项目致力于食用菌温室数字化培育装置的研发和推广，助力乡村振兴、农户增收，实现食用菌在生长中准确地控制其环境温度和湿度，保证其高效生长，为食用菌产业链培育领域提供数字治理一体化服务。

食用菌温室数字化培育装置是利用先进的技术手段，将温室环境进行数字化管理和控制，实现对食用菌的培育过程进行精准监测和调控的一种装置。利用传感器和仪器对温室内的温度、湿度、光照强度等环境参数进行实时监测，并将监测数据通过数字化方式进行采集和记录。自动控制基于数学和工程原理，通过建立系统模型、设计合适的控制器以及分析系统的稳定性和性能等方面的内容，实现对系统的精确控制和优化。自动控制系统根据食用菌的生长需求，对温室环境进行精确调控。例如，根据温度要求自动启动和关闭加热设备，根据湿度要求自动启动和关闭加湿设备，根据光照要求自动调节光照强度等。通过数据采集和记录，将温室内的环境参数数据进行分析和统计，形成对食用菌生长过程的全面了解。该数据可以用于优化培育条件，调整策略和提高生产效率。利用云平台和网络技术，实现对温室环境的远程监控和控制。用户可以通过手机、电脑等终端设备，随时随地监测温室环境并进行必要的调整。

2 项目总体设计

食用菌温室数字化培育装置利用先进的技术手段对温室环境进行实时监测和精确调控，可以提高食用菌的产量和品质，实现科学、智能化的食用菌生产管理。

本装置包括一个不锈钢支架、数字控制箱、温度和湿度数据采集箱、光照强度控制装置、数字自动滴灌装置。钢架可实现的自动折叠、翻转和倾斜，温度和湿度数据采集箱实时检测，菌包温度应严格控制在20℃以下，当相对湿度低于50%时数字自动滴灌装置开始运行，高于60%时数字自动滴灌装置停止运行，钢架中有数字自动滴灌装置，实时控制土壤含水量在58%～60%，pH 在7.4～7.6 之间，菌包子实体生长期间，开启关照强度控制装置使光强在10 勒～300 勒之间，从而实现种植数据的有效调节，也便于食用菌的采摘。（图1）

图1 装置整体效果图

项目的创新点如下：①具有温度湿度一体化数字控制系统，充分保证植物的光合作用；②具有数字自动滴灌系统；③机械装置结构简单，组装方便可靠，结实耐用。

产品应用领域：①应用于大棚室内规模种植。②应用于食用菌工厂温室培育。③应用于疫情防控常态化情况下，家庭观赏种植及培育，家庭培育中的装置为封闭式装置。

3 装置硬件设计

根据需要调节食用菌种植面积且易于拆卸和搬运，隔板之间的高度也可以根据实际情况进行调节，制作材料为不锈钢，采用45 号钢齿轮传动方式，包括数字化控制箱和不锈钢培育架。培育架高1.8 米，宽1.63 米，隔板厚度100毫米，隔板距离350 毫米，湿度传感器长度900 毫米，隔板传动齿条长度为700 毫米，LED 晶体串联灯长600 毫米，传动齿轮分度圆直径为30 毫米。若想增加食用菌菌袋或培养基铺设面积，可以将隔板向左右两侧拉伸，隔板中的齿轮传动带动隔板伸缩，从而有效控制食用菌菌袋和培养基铺设面积，整个钢架的最大延展面积可达到5.66 平方米，每个钢架的占用面积为0.95 平米，以20 平米的温室培养食用菌房为例，至少可以放置12 个培育装置。（图2）

图2 新型食用菌温室数字化培育装置侧面效果图

利用控制箱中所显示的相关数据，有效管理温室内光照强度、温度和湿度，当开启电源开关时，钢架上的串联灯、温度感应器、湿度感应器开始工作，LED串联灯用于温室中的培育架照明，温室培养的室温以21 至34℃为宜，如果超过或低于该温度范围，控制箱会报警，提醒工作人员，手动调节温度，湿度以75%至95%为宜，不满足该湿度范围的话，也会预警，提醒工作人员手动调节湿度，温度和湿度数据采集箱实时检测，菌包温度应严格控制在21℃～34℃，当相对湿度低于50%时数字自动滴灌系统会对土壤或培育基进行自动滴灌，高于60%时数字自动滴灌系统停止运行，菌包子实体生长期间，开启关照强度控制系统使光强在10 勒克斯～300 勒克斯之间，从而实现对子实体生长能有效控制。

4 系统软件设计

4.1 食用菌培育智能管理系统设计

通过以下技术方案实现的：一种基于数字化的食用菌培育智能管理系统，包括：环境参数采集模块，用于获取食用菌的当前生长阶段，并将食用菌当前生长阶段之前的各生长阶段作为各历史生长阶段，提取食用菌在各历史生长阶段的环境参数。环境参数分析模块，用于根据监测的食用菌在各历史生长阶段的环境参数分析得到食用菌各历史生长阶段环境参数波动率。食用菌图像获取模块，用于通过视频监控获取食用菌各历史生长阶段的尺寸图像，将其记为食用菌各历史生长阶段图像。生长影响指数分析模块，用于将获取的食用菌各历史生长阶段图像同食用菌对应生长阶段标准图像进行比对，分析获得食用菌各历史生长阶段的生长影响指数。环境参数偏差评估模块，用于根据食用菌各历史生长阶段环境参数波动率和生长影响指数，分析食用菌在当前生长阶段的环境参数偏差系数，若环境参数偏差系数大于预设的环境参数偏差系数阈值，则对食用菌在当前生长阶段的环境参数进行调控。生长情况预测模块，用于根据获取的食用菌各历史生长阶段的生长影响指数预测食用菌的成熟时间。质量检测模块，用于对成熟阶段食用菌的尺寸偏差率、表面损伤情况、形状偏离度进行检测，进而分析获得食用菌质量指数，其中表面损伤情况包括霉菌占比值和表面破损率，并对食用菌进行质量分析处理。管理数据库，用于储存食用菌各历史生长阶段标准图像、食用菌在各历史生长阶段的最佳环境参数。

4.2 优选算法设计

食用菌各历史生长阶段的生长影响指数的具体分析方法包括以下步骤：第一步，获取食用菌各历史生长阶段图像并单独划分出食用菌各历史生长阶段图像中的菌体部分，提取菌体部分的尺寸，记为食用菌各历史生长阶段尺寸，将食用菌各历史生长阶段尺寸同设定的食用菌对应历史生长阶段标准尺寸进行比对，获得食用菌各历史生长阶段尺寸与食用菌对应历史生长阶段标准尺寸的比值，记为Δεi，i 表示为食用菌第i 个生长阶段的编号，i=1，2，…，n。

食用菌各历史生长阶段环境参数波动率的具体分析方法为：提取食用菌在各历史生长阶段的各时间段的环境温度、环境湿度、光照强度和二氧化碳值，分别记为αim、βim、τim、σim，m 表示为各时间段的编号，m=1，2，…，q，通过求取平均值获得食用菌各历史生长阶段环境温度、环境湿度、光照强度和二氧化碳值的平均值，分别记为，通过公式+获得食用菌各历史生长阶段环境参数波动率γi，φ3、φ4、φ5、φ6分别表示为预设的环境温度、环境湿度、光照强度和二氧化碳值的权值因子，η2表示为设定的食用菌环境参数波动率的修正系数。

食用菌在当前生长阶段的环境参数偏差系数的具体分析方法包括以下步骤：第一步，读取食用菌各历史生长阶段环境参数波动率γi和生长影响指数Ψi，通过公式获得食用菌在当期生长阶段的环境参数偏差系数φ当，β1为设定的食用菌所在生长环境参数波动率的影响权重，Δγi′为设定的食用菌第i 个历史生长阶段的允许环境参数波动率阈值，n 为历史生长阶段的数量。

第二步，将食用菌在当前生长阶段的环境参数偏差系数同预设的环境参数偏差系数阈值进行比对，若食用菌在当前生长阶段的环境参数偏差系数大于预设的环境参数偏差系数阈值，则对食用菌在当前生长阶段的环境参数进行调控。

食用菌在当前生长阶段的环境参数进行调控的具体方法为：第一步，读取预设的食用菌当前生长阶段标准环境参数并提取食用菌当前生长阶段的标准环境温度，通过公式得到食用菌当前生长阶段环境温度的调控值Δα′，Δ标准′表示食用菌当前生长阶段标准环境温度，e 表示为自然常数。

第二步，同理分析得到食用菌当前生长阶段环境湿度、光照强度和二氧化碳值的调控值，并根据实际调控值将环境参数进行调整。

预测食用菌的成熟时间的具体方法为：获取食用菌各历史生长阶段的生长影响指数，对其求取平均值获得食用菌在历史生长阶段的平均生长影响指数，记为Ψ，并提取食用菌成长至当前成长阶段的时间，记为θ当，通过公式获得食用菌的成熟时间v，θ′表示为设定的食用菌从开始生长到完全成熟所需的总时间。

食用菌质量指数的具体分析方法包括以下步骤：第一步，获取食用菌成熟阶段图像中菌体的尺寸，记为食用菌成熟尺寸，将食用菌成熟尺寸同设定的食用菌成熟标准尺寸进行比对，获得食用菌成熟尺寸与食用菌成熟标准尺寸的偏差率，记为尺寸偏差率Δζ成熟。

第二步，提取食用菌成熟图像中的像素总数，记为ρ总，将食用菌成熟图像转换为灰度图像，检测转换后的灰度图像中每一个像素点的灰度值，将其与设定的食用菌成熟阶段标准图像对应的灰度值范围进行对比，得到符合范围的像素点数量，记为ρ′，并将其和食用菌成熟图像中的像素总数进行比对，进而通过公式获得食用菌表面的霉菌占比值κ；同时将食用菌成熟图像与纯白色背景图像进行重叠，将重叠后的图像转换为灰度图像并检测各像素灰度值，统计处灰度值处于食用菌表面破损标准图像灰度值范围的像素点数量，将其和食用菌成熟图像中的像素总数进行比对，得到食用菌的表面破损率。

第三步，将食用菌成熟图像与食用菌成熟阶段标准图像进行图像重叠，并对重叠后的图像进行二值化处理，将重叠区域设置为白色，非重叠区域设置为黑色，统计食用菌成熟图像中白色像素的数量，记为ρ白色，通过公式ζ=1-进而获得食用菌的形状偏离度ζ。

第四步，根据获得的尺寸偏差率、霉菌占比值、表面破损率、形状偏离度，将其代入公式获得食用菌质量指数，其中，a1、a2、a3、a4 分别为设定的尺寸偏差率、霉菌占比值、表面破损率、形状偏离度对应的食用菌质量指数占比权重，ζ′、κ′、′、ξ′分别为设定参照的尺寸偏差率、霉菌占比值、表面破损率、形状偏离度，μ1为设定参照食用菌质量指数占比权重；将食用菌质量指数和设定的食用菌质量最低值进行比对，若食用菌质量指数低于食用菌质量最低值，则记为不合格食用菌并通知工作人员进行处理措施。

5 装置标定及性能测试

相对于现有技术，基于数字化的食用菌培育智能管理系统具有以下有益效果：本系统在食用菌生长过程中根据视频监控的方式来监测食用菌的生长程度，并将其各个时期菌菇标准的图像进行比对得到生长影响指数，进而对温度、湿度、光照强度、二氧化碳值进行调控，这样无需人工亲临现场便可以及时发现潜在的问题或异常情况，并快速采取措施进行调整，从而优化食用菌的生长条件，提高食用菌的生长效率和产量；本系统通过对食用菌生长的情况对其成熟的时间进行预测，可以更好地掌握收获的时机，避免过早或过晚收获导致产量降低或品质下降的情况发生，同时预测成熟时期还可以帮助合理安排工作流程和资源调度，提高生产的效率和经济效益；本系统通过采集食用菌成熟阶段的尺寸偏差、表面损伤情况、形状偏离度分析得到食用菌质量指数，可以快速评估食用菌的质量，并及时采取相应措施来改善培育过程，提高产量和质量。这有助于提高食用菌生产的效率和可靠性，同时也提高了消费者对食用菌的满意度。食用菌的温室数字化培育装置作为一种新型现代化培育工具，可用于提高食用菌的产量和质量。项目团队开展了大量实验工作，根据实验得知，数字化培育装置对食用菌的生长具有明显优势。与传统培育方式相比，数字化培育装置下食用菌的生长速度更快，品质更高，生物量更大。这些结果表明数字化培育装置对食用菌生长环境的控制更为精准和稳定，有利于提高食用菌的生长性能和产量。此外，数字化培育装置还能有效降低环境变化对食用菌生长的影响，提高其耐病性。

6 结论

通过对比不同品种食用菌在温室数字化培育装置和传统培育方式下的生长情况，项目团队证实了食用菌温室数字化培育装置对食用菌生长具有显著优势。食用菌温室数字化培育装置能更好地控制食用菌生长环境中的温湿度和光照等关键因素，使得食用菌的生长速度更快、品质更高、生物量更大。此外，食用菌温室数字化培育装置还能有效提高食用菌的耐病性。因此，食用菌温室数字化培育装置具有很好的应用前景，可为现代化食用菌产业提供新的发展模式和技术支持，助力乡村振兴。