居家菌類智能培育設備設計與試驗*

李紅梅，吳今姬，王亮明，宋衛東，趙清，李彥英

(1. 河北福路特農業技術開發有限公司,北京市,100162; 2. 農業農村部南京農業機械化研究所,南京市,210014; 3. 內蒙古包頭市農牧科學技術研究所,內蒙古包頭,014010;4. 河北省農業特色產業技術指導總站,石家莊市,050000)

0 引言

食用菌因含有豐富的蛋白質、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]。我國食用菌產業自20世紀90年代得到迅速的發展,經歷了手工栽培、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模式包括小規模作坊式栽培與大規模集約化栽培[5-7],其中集約化生產占總產量的80%。小規模作坊式栽培是在自然條件或簡單設施基礎上,農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,且產量較少,質量得不到保證。工廠化栽培是目前食用菌生產的主流方式,采用全程環境控制栽培[8-9],實現環境參數的實時監測與控制,使食用菌處于理想的生長狀態,具有生產周期快、產量大、效益高等優點,但由于栽培空間較大,環境控制參數精度較低,一定程度上影響食用菌生長速率,并出現出菇不一致等現象[10-12]。此外,食用菌與其他農產品相同,具有易變質、貯藏時間短、即食性等特點[13-15],產后經過倉儲、冷鏈、商超等諸多環節存在不可避免的污染隱患,產后損失率非常大,也一定程度上阻礙了食用菌產業的進一步發展[16]?？紤]以上大規模栽培的弊端,以及為適應不斷轉變的銷售模式與家庭栽培需求,學者們也著手研究開發出具有加濕、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環境參數,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,可實現箱體內溫度、濕度的監測與調節,但結構與功能相對簡單。陳學東等[19]開發了一種智能一體化食用菌栽培系統,包括參數采集裝置、基于PLC的控制裝置及執行裝置等,系統集成有大球蓋菇、香菇、羊肚菌、靈芝等若干食用菌品種的培養參數,通過調節環境中的溫度、濕度及光照等參數為不同食用菌生長提供所需環境,但箱體體積較小,可放置菌包數量較少。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。由于食用菌生長環境參數包括溫度、濕度、二氧化碳濃度及光照強度等對食用菌生長速率及產量起著關鍵作用[20-23],同時,不同菌類品種對環境參數的要求和敏感度也具有較大差異,現有相關栽培設備無法自動擬合出菌類所需環境參數,控制精度也較低。

本文基于新型C2F生產理念,集多維傳感技術、生物工程技術、智能模擬技術及物聯網技術于一體,開發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,優化種植倉、排氣結構設計等,開發具有菌類生長環境模擬、智能遠程控制即環境實時監測與調控等一系列功能的菌類專用智能遠程控制系統。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

食用菌智能培育設備由柜體、送風系統、排風裝置、種植箱及遠程控制系統等組成,如圖1所示。柜體由不銹鋼板制成;送風系統安裝在培養箱頂部,包括制冷、制熱、加濕、送風等裝置;種植箱由培養架、排風裝置組成,種植箱內設有培養架,菌包放置于培養架上,柜體側面設有排風裝置,種植箱內設有溫濕度傳感器、CO2濃度檢測傳感器、補光設備等,培養箱底部設有萬向輪,可實現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如表1所示。

圖1 食用菌智能培育設備結構示意圖

1.2 工作原理

居家智能培育設備從模擬生態環境理念出發,基于大量不同溫型菌類生長特性參數,開發出遠程智能環境控制系統,為設備提供適應不同品種食用菌生長的最佳環境參數。確定好培育菌包種類后,控制系統利用種植箱內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境參數,并基于物聯網、5G技術實時反饋到控制系統中實現環境參數的遠程、實時監測。再根據反饋數據與系統設定值對比計算,發出控制指令,進行自動控制執行設備,包括制冷、制熱、加濕及通風等設備的動作,實時調節環境中的溫度、濕度、風速、二氧化碳濃度,實現設備內食用菌菌包處于最佳的生長環境。

2 關鍵部件設計

2.1 種植箱

種植箱是用于培養食用菌菌包的空間,由箱體、門、培養架、接水槽等部分組成,箱體內安裝有培養架、溫濕度傳感器,并設有出風口,種植箱內培養空間固定尺寸為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、出菇數量、出菇高度等因素條件,進行了結構設計與優化菌包架層布局,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,以此保障種植箱內菌包放置數量最大化與空間使用最優化的目標,也可保證菌包的出菇質量,如圖2所示。種植箱內除了5個固定的培養架外,還設計了3個可拆卸式培養架,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,此時可在種植倉內加設培養架提高栽培菌瓶數量,充分實現種植倉內空間最大化利用,提高產量。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 種植箱結構示意圖

2.2 送風系統

送風系統是集成制冷制熱箱、內水箱、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行裝置,安裝于箱體頂部,其結構示意圖如圖3所示。種植箱內環境參數的控制均依據送風裝置的運行,其中加熱裝置和制冷設備為種植箱提供溫度調節功能,加濕裝置提供濕度調節,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,相較于現有的分體式設計,結構更緊湊,減小了占用的體積,并且減少了在柜體上的開孔數量。

圖3 送風裝置結構示意圖

制冷設備包括壓縮機、冷凝器和蒸發器。壓縮機和冷凝器設置于制冷制熱箱和內水箱外部,壓縮機、冷凝器和蒸發器通過冷媒管道連成循環回路,蒸發器設置于制冷制熱箱內部,通過吸收空氣中的能量對水箱內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。水箱內設有電加熱棒,可對水箱內的水進行直接加熱;水箱內設有溫度傳感器,可對加熱、制冷溫度進行檢測并反饋;水箱內還設有水位計,管控水位高度,避免蒸發器和集風口入水。此外,在蒸發器和加熱裝置外套設有散熱裝置,可以使制冷設備產生的冷量以及加熱裝置產生的熱量更快速地發散到制冷制熱箱內。

2.2.1 壓縮機

系統的冷負荷采用復合系數法計算,設備采用不銹鋼材質作為圍護結構,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——圍護結構傳熱系數,W/(m2·K);

F——圍護結構表面積,m2;

t1——圍護結構冷負荷溫度的逐時值,℃;

td——冷負荷溫度的地點修正值,℃;

tn——種植箱內設定溫度,℃。

忽略菌包、栽培架及外部熱源等對系統內部空氣熱量的影響,通過查表獲取相應參數,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 ℃,圍護結構表面積計算得5.85 m2,種植箱內最低設定溫度選擇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;

C2——安全系數。

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,溫度系數取1.2,安全系數取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

2.3.1 系統組成

控制系統主要由測控模塊、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 控制系統組成圖

種植箱內各個位置設有各類傳感器,控制軟件根據所設定的菌類品種錄入該菌類最佳生長環境參數,并通過采集到的傳感器數值進行數據分析,再進行對制冷、制熱、通風等設備的控制,實現種植箱內環境參數的智能調控。

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,控制系統首先對設備進行初始化設置,根據登錄的用戶信息自動追蹤設備位置信息,并實時獲取當地天氣預報數據為系統參數設置提供參考。初始化結束后,根據不同品種菌包對不同環境條件的需求,系統將制定相應的環境控制方案,自動設置或用戶手動錄入控制參數?？刂葡到y會實時讀取種植箱內傳感器數值來調整執行設備的動作,當種植箱內環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溫度達到設定范圍;當種植箱內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

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

軟件系統包括系統登錄、參數設置、狀態顯示、系統報警、數據記錄等多個功能模塊,用戶可通過人機界面設置設備執行參數的手動錄入,可查看種植箱內溫度、濕度、二氧化碳濃度等環境參數的實時檢測值以及變化記錄曲線,當設備參數值出現異常時會收到報警信息等操作。該控制系統的人機服務系統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 數據修改界面圖

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定性,評定設計指標和實測數據差距及作業質量是否達到產品設計要求,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,子實體生長與發育最佳溫度范圍為17 ℃～23 ℃,隨著溫度的降低,子實體生長發育速度變緩,產量也降低,顏色變深;隨著溫度升高,子實體生長發育速度加快,超過適宜溫度范圍則菇蓋變薄,產量下降?？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%會造成菌蓋發育停止,產量降低,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

根據適宜榆黃菇子實體生長發育的最佳環境條件,設置種植倉內環境參數范圍為: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 試驗結果分析

通過比較測量的溫、濕度和二氧化碳濃度檢測數據和實際智能控制系統設定的溫、濕度和二氧化碳濃度數據,結果顯示誤差小,準確度高,設備工作穩定性好。同時,在系統中實時顯示采集數據,可查看以往記錄數據,為食用菌生長趨勢分析提供有效幫助。而且當設備出現異常時,對應的故障就會發出警報,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,控制環境因素精確且設備運行良好,試驗結果表明,此設備內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 結論

1) 針對現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、送風系統和控制系統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實時監測、調節種植倉內環境參數,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,結果表明:系統可根據提供的食用菌品種模擬出最佳生長環境參數,可自動調節不同階段環境參數,榆黃菇的出菇時間為3～5天,相比工廠化生產出菇速率提高8～10天,設備運行穩定。