基于物联网的食用菌全生命周期质量管理研究

摘要：物联网是信息技术的第3次浪潮，是未来信息社会竞争优势的关键之一。物联网技术为食用菌企业提高生产效率和改善质量管理水平提供了机遇，是帮助食用菌行业实现技术革命和产业升级的重要手段。本文研究了基于物联网的食用菌生长过程质量监控方法，建立了面向物联网的食用菌全生命周期质量管理框架模型，分析了其中的创新商业模式和重要支撑技术，为食用菌企业制定质量体系和提升质量管理水平提供了决策参考和方案指导。并结合我国食用菌产业现状，从政策扶持、试点建设、推广宣传、质量意识、实施成本、融资渠道、行业标准、方法研究和应用技术等多个角度，提出食用菌质量管理中推广物联网技术的一些对策建议。

关键词：物联网;质量管理;信息技术;食用菌

中图分类号：S-03文献标识码：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20200815008

收稿日期：2020-05-13

作者简介：陆建新（1962-），男，本科，高级讲师。研究方向：食用菌栽培。

物联网是在互联网的基础上，利用信息传感和无线数据通信等技术，实现物品与物品的互联和信息交互的一种新技术。物联网概念自提出以来，受到世界各国的高度重视，将物联网视为信息技术的第3次浪潮，并将物联网确立为未来信息社会竞争优势的关键之一。经过数年的飞速发展，物联网产业日趋成熟，据美国独立市场研究机构Forrester预测，物联网所带来的产业价值要比互联网高30倍，到2020年，中国物联网产业将成长为一个超过5万亿规模的巨大市场[1]。

对于食用菌生产企业来说，质量管理是一项至关重要的工作。食用菌生产企业只有不断提高食用菌生产质量，才能赢得顾客和扩展市场份额，在竞争中立于不败之地。传统的食用菌生产质量管理一般都停留在质量检验阶段，即企业在出产食用菌产品时按照自行制定的质量标准剔除掉不合格品，留下合格的食用菌产品，其实质仍是一种质量管理的事后检验方式[2]。

物联网的出现，为食用菌企业的质量管理提供了新的发展契机和技术支撑条件。物联网设备可以实时监控和了解食用菌栽培基地的环境变化与食用菌的生长情况，通过传感器和传输网络动态收集空气、土壤、温度、湿度、光线等可能影响食用菌生产过程状况的数据，通过人工智能和概率统计方法实时调整食用菌栽培场地的各种控制参数，如环境加温时间、通风时间和培养基补水量等，实现食用菌生产过程的闭环质量控制。

食用菌的质量不仅受到食用菌培养生产环节的影响，同时也受到与其生命周期相关环节的影响，如食用菌产品的原料供应、加工、包装、仓储、配送等。随着物联网设备的广泛使用和逐步普及，食用菌的全生命周期都可在物联网环境下得到有效地质量监控，实现全面的溯源管理和质量安全保证，并通过动态信息处理进行食用菌全生命周期的质量管理。

在新的信息环境下，需要研究基于物联网的食用菌生长过程质量监控方法，建立面向物联网的食用菌全生命周期质量管理框架模型，分析其中的创新商业模式和主要支撑技术，为食用菌企业制定质量体系和提升质量管理水平提供一些决策参考和方案指导。

1基于物联网的食用菌生长过程质量控制

工业界和学术界有各种不同的物联网定义。一般认为，物联网是未来互联网的一个组成部分，是一种动态的全球网络基础设施[3]。在物联网中，物理和虚拟的“事物”都具有身份，可以无缝地集成到信息网络中。物联网作为一种在全球范围内的基础设施，其普及对于上层的各类扩展应用是十分必要的，但物联网的建设也将耗费巨大的精力和资金。物联网是实现依赖于各种接入设备以及各类通信和应用协议，如蓝牙4.x和IEEE 802.15.4等。在物联网系统中，物理和虚拟的东西都可以连接在一起，因此不同应用領域的运行模式和规则会发生很大的变化，可能催生新的商业模式。

基于物联网上述特点，本研究构建了基于物联网的食用菌生长过程质量控制系统，其基本结构如图1所示。食用菌培养室中部署有各种传感器，包括温度传感器、湿度传感器、光线传感器、二氧化碳传感器等，这些传感器采集食用菌培养基和培养室环境的各种实时数据。食用菌培养室从不同角度部署了视频采集设备，用于采集食用菌生长过程的视频数据。传感数据和视频数据通过通信网络发送到互联网上，最终保存在质量监控中心。在数据处理服务器中的规则和质量控制算法工具的支持下，用户可以从移动PDA、便携式终端和固定PC终端访问这些数据和发送控制命令。质量监控中心在各种机器学习和过程质量统计方法的支撑下，分析食用菌生长状态，实时调整食用菌栽培场地的各种控制量，如环境加温时间、通风时间和培养基补水量等，这些控制指令通过通信网络发送到食用菌培养室内的设备控制执行器（调温器、泵、阀门、风扇等）上进行调节，从而根据用户命令实现食用菌生产过程的监控、报警和闭环质量控制功能。通过调节食用菌培养基和培养室环境，用户可以控制食用菌的生长，从而达到预期的产量和产品质量。

然而，在质量可控环境的食用菌栽培中应用物联网技术的固定成本比较高。各类传感器、视频设备、网络设备和服务器都需要大量资金的投入，同时外部网络数据传输也需要付给电信公司一些费用。尤其对于经营规模比较小的食用菌企业而言，长期的提高食用菌产品的质量和短期的预算增加往往是左右为难的决策。因此，如何使物联网系统对市场导向的企业具有吸引力是一项具有挑战性的任务。

另外，物联网系统在食用菌生产过程的实施中，还需要考虑能源问题。如果使用过多的传感器，往往意味着更多的能源消耗，也需要用户支付额外的电费。无论是从环境的可持续发展角度而言，还是从企业的经济利益角度而言，都是不利的。因此，在农业物联网系统的实施中需要考虑绿色规范。

2基于物联网的食用菌全生命周期质量管理框架模型为了加强食用菌产品的标准化和优质化，从质量管理的可控性着手，需要对食用菌全生命周期的相关活动进行全程实时监测和管理，因此物联网技术的引入是重要的前提之一。这项工作涉及食用菌产业链的上下游，是一项复杂的系统工程。其中，建立以物联网大数据和智能计算为核心的信息管理和决策支持系统，是食用菌全生命周期质量管理的关键。

食用菌产业可持续发展的目的是以最小的资源消耗提供高质量的食用菌产品，因此不仅需要对食用菌的生长过程进行监控，还需要对食用菌产品的全生命周期进行监测。实践中许多食用菌产品的质量问题并非来自栽培过程，而是来自培养料供应、深加工、包装、运输、储藏等外部环节。构建食用菌产品全生命周期的物联网系统，可以帮助菌农识别食用菌培养料的质量，生产出符合市场需求的食用菌产品，进一步吸引企业对物联网技术的兴趣。

基于这些考虑，本研究构建了一个基于物联网的食用菌全生命周期质量管理框架模型，其中PDCA环中的执行阶段涵盖了食用菌原料供应、生长、加工和包装、配送和储存等多个环节，如图2所示。这些环节中同样部署大量的传感器和视频采集等感知设备，另外还包括二维码识别和GPS定位设备等。这些设备通过传统的有线网络协议和Zigbee、WiFi、Bluetooth、GPRS、3G等无线通讯协议，将采集到的食用菌产品相关数据传送到本地或远程数据处理云计算服务器，使食用菌全生命周期都可在物联网环境下得到监控。管理人员和用户可以通过固定PC终端和移动PDA在任何接入互联网的地方监控食用菌生长和产品流通状态并发出控制命令。当发生质量问题时，可以藉由该信息管理系统找出不合格食用菌产品进行准确地质量追溯，发现质量问题的根源，帮助企业实现赔付和质量改进。通过云计算服务器的智能计算功能，决策支持系统还可进行智能分析并进行质量预警。如，同一批次的多个食用菌产品发生质量问题，则很有可能整个批次的食用菌产品都存在质量缺陷，有必要进行预警和进一步的服务补救措施。该食用菌全生命周期质量管理框架模型中利用物联网技术的主要环节如下。

2.1原料供应

食用菌栽培利用的主要原料一般为不含有毒有害物质的农林副产品，如稻草、麦秸、棉籽壳、木屑、玉米轴、麸皮等[4]。除此以外，栽培食用菌还需要添加一些辅助原料，如蔗糖、石灰、石膏、磷酸二氢钾等，以满足食用菌对营养或环境条件的要求，而这些原料一般都通过第三方供应商进行供给，并在实际生产中可能保持一定的库存[5]。物联网技术在原料供应中的应用可以提高原料供应管理的效率和效果。在给定库存控制政策的情况下，通过物联网技术装备原料库存可以实时监控各种原料的水平和状态，并自动进行精确订货。当采购的原料到达时，通过读取RFID智能标签和质量追溯系统，很容易检测出原料的数量和来源。

2.2加工包装

食用菌产品主要包括普通食品类、保健产品类、食用原料类、观赏制品等。目前已普遍进入精深加工的产业化阶段，主要的加工形式有机械热风干燥、冷藏保鲜、浸渍和制罐加工等[6]。将食用菌进行质量分类并面向不同的顾客群体进行营销是一种提高企业收益的有效策略。传统的分类是人工进行分拣的，工作效率低下且分类效果不佳。在农业物联网系统中，近红外光谱分析、气味传感器、计算机视觉等无损检测技术已被应用于新鲜水果的自动分类，将来也会在食用菌行业进行广泛推广和使用。另外，物联网技术有助于对食用菌产品的加工环境进行监测和质量控制。另一项相关的物联网技术是利用来自原料供应和培养环节的数据制定智能标签，并将这些标签贴到包装的食用菌产品上，方便顾客进行质量追溯。

2.3流通储存

经过深加工的食用菌产品一般具有很好耐贮性，但新鲜食用菌由于采收后仍在较快地进行着呼吸和蒸腾作用，容易出现表面褐变、菇柄伸长、菌盖开伞、软化、腐败等现象，使食用菌的鲜度急剧下降，以致失去食用价值和商品价值[7]。在食用菌的冷链运输和仓储过程中，物联网技术的广泛使用可以有效减少质量损失。通过车载传感器网络和全球定位系统，管理人员可以监测在途食用菌产品的状况和冷藏车的位置。当冷藏车内环境和冷库对食用菌质量不利时，可发出警告信息并通过远程指令改善储存环境的温度和湿度等。同时，下游的零售商和顾客可以实时跟踪其订购的新鲜食用菌产品，掌握其质量变化情况，便于及时制定收货计划。

2.4产品零售

商场零售货架上或者电子商务零售平台上的食用菌产品，如果带有RFID标签或二维码，则可以帮助顾客识别品种和产地，自我评估购买产品的质量，同时避免顾客买到假冒伪劣商品。而且，顾客可以从质量追溯系统中访问到食用菌全生命周期中的细节，如培养基成分和流通过程等。超市内提供的物联网设备也有助于消费者快速检测食用菌的品种和产地等相关信息。即使发现一些食用菌产品存在食品安全问题，在物联网技术的帮助下，也很容易做到由质量管理系统进行精确召回。

在食用菌质量管理中推广使用物联网技术，需要重点关注以下几点。物联网的引入需要一定投资，无论是大型企业还是小型企业，需要有较强的质量意识和长远眼光;食用菌产品质量管理应从其整个生命周期来看待，而不仅是一个培养过程，培养基原料的供给和食用菌产品的流通环节等都会对食用菌产品质量产生重要影响;物联网系统在食用菌企业中的成功实施不仅是一个技术问题，还涉及到一些财务、运营和管理等问题，需要一些创新的商业模式和先进的支撑技术。

3物联网环境下食用菌质量管理中的创新模式和支撑技术传统的质量管理由事后抽样检验的思想发展而来，又历经了统计过程控制和全面质量管理阶段，但仍是基于小样本进行的质量管理。在物联网环境下，各类传感器和图像采集设备的数据具有明显的海量异构等大数据特征，质量管理也逐步转向基于大数据的实时质量控制和改进。对于食用菌质量管理而言，引入物联网系统需要一些先进的支撑技术，同时也为食用菌产业的发展提供了新的思路，有利于催生创新的商业模式，如新的融资方式和合作模式等。

3.1创新模式

在食用菌质量管理过程中全面应用物联网技术将推动食用菌产业升级，下面列举一些比较典型的创新商业模式。

3.1.1食用菌栽培过程的远程求助和指导

当食用菌生长过程中出现质量问题时，可以通过远程互动功能进行求助，在互联网范围内联系有先进经验和技术的专业技术人员，通过集思广益为菌农提供相关栽培技术上的解決方案。物联网系统能检测食用菌的实时生长过程，同时方便提供传感器和图像采集设备的历史数据，有利于外部合作的技术人员解决难题，提供相关指导和培训。

3.1.2基于电子商务平台的食用菌产品营销

物联网系统可提供食用菌产品的精准溯源信息，顾客可以在终端轻松得到产品的相关信息并进行质量评估，因此易于应用基于电子商务平台的多种营销模式，满足顾客的多样化需求。如，对于高质量食用菌产品的平台拍卖营销，针对某些社交软件的团购和促销。对于某些热销的食用菌产品，虽然尚未生产也可以针对特定顾客进行预售，而顾客可以随时了解食用菌产品的培养过程、运输过程和质量控制信息。

3.1.3基于大数据的供应链融资

具体到食用菌产品上，原料供应商、产品批发商和电子商务平台通过评估食用菌的物联网大数据状况，对每个生产企业的实际情况一目了然。食用菌企业只需通过数据说明其食用菌产品的质量，就可以从有资金实力的供应商、批发商、零售商获得信贷，也可以向供应链合作伙伴给予合理的信贷。甚至对于一些具有品牌忠诚的顾客，也可以通过众包等方式获得经营所需的资金。

3.1.4基于精准评估的保险销售与赔付

在物联网时代，保险公司可以对任何连接的事物的价值进行实时客观地评估，使得以物为导向的风险评估体系的构建成为可能。对于食用菌企业而言，物联网的历史数据可以帮助保险公司对培养过程进行风险评估，确定保险产品的销售方案。在发生灾害和质量事故后，保险公司借助物联网迅速收集损失情况，对客户进行客观保险赔付。

3.1.5“公司+生产基地+菌农”的合作机制

通过公司、生产基地和菌农多方合作，形成“利益共享、风险共担”的机制，提高食用菌的产量和调动菌农的生产积极性。物联网系统记录食用菌的全生长过程数据，有利于促成风险共担的环境，帮助菌农形成良好的质量意识，达到从根源上提高食用菌产品质量的目的。

3.2支撑技术

物联网设备接入食用菌质量管理系统，不仅需要硬件设备和通讯技术，还需要一些重要的软支撑技术，才能使整个质量管理系统真正发挥强大作用，其中主要的支撑技术包括以下几种。

3.2.1大数据融合技术

食用菌生产和流通环节中采集了大量的各类传感数据和图像数据，这些数据都与食用菌产品的质量相关，但由于数据之间的割裂性，无法全面刻画产品质量的全貌，需要应用大数据融合技术进行整合。

3.2.2最优化技术

传感器在培养基和周边环境的布局方案需要进行优化，既要保证数据采集的精度，又要节省能耗和费用。食用菌生产过程的质量闭环控制、食用菌生产计划的确定、产品送货上门的配送方案及路径等都需要最优化技术进行分析。

3.2.3图像识别技术

食用菌培养过程中需要采集大量的图像，需要应用图像识别技术对不同类型食用菌进行区分，并分析食用菌的生长特点，发现其病虫害等。另外，流通和保鲜环节也有一些食用菌产品的图像数据需要进行识别，以便检测采收后的质量。

3.2.4机器学习技术

食用菌培养过程中记录了食用菌生长过程的各种数据，通过线性回归、Logistic回归、线性判别分析、朴素贝叶斯、KNN、随机森林等机器学习算法分析这些历史数据，可以预测食用菌的出产质量，在此基础上可以进一步进行肥料和补水量等参数的调整。

3.2.5区块链技术

在食用菌行业的质量追溯中应用区块链技术，可以保证质量数据的高度透明。区块链技术具有不可篡改和不可伪造的特性，使得基于区块链的质量管理系统具有充分的数据安全性，用户可完全信任食用菌的原料来源、运输流程与培养过程。

3.2.6可靠性技术

食用菌产业物联网系统的传输层需要布置多个传感器，传输层可能包括多层的网络协议和网络接口，整个系统的可靠性可分为硬件可靠性、网络可靠性以及软件可靠性，需要应用先进的可靠性理论进行冗余设计，确定合理的维修计划，保证系统的安全可靠。

3.2.7控制图技术

控制图是实施统计过程控制理论的基本工具之一。物联网系统实时采集食用菌培养过程的各类质量数据，应用控制图技术可判断食用菌的质量是否处于异常状态，并及时分析原因和采取措施，不断提高过程质量。

4食用菌质量管理中推广物联网技术的对策建议物联网作为一种我国高度重视的新兴产业，其发展趋势已势不可挡，未来必将成为物联网的时代。实际上，物联网已经在农业、电力、交通、医疗、安防等方面被广泛应用[8]。在未来的若干年内，物联网技术必将在食用菌产业中得到普及和应用，实现食用菌产业高产、高效、优质、安全和生态的发展目标。这既是智慧农业和精准农业发展的需要，也是衡量一个国家科技发达程度和农业发展水平的重要指标之一。本文针对现阶段在食用菌质量管理中推广物联网技术提出如下对策建议。

4.1加大政策扶持力度，加强试点项目的建设

对于食用菌行业而言，物联网技术尚属于新生事物，许多企业可能对此持观望态度。因此，需要政府部门提供政策扶持和鼓励措施，建立促进物联网技术推广的政策环境，可对应用物联网技术的食用菌企业进行鼓励性补贴与退税、安排专项财政基金用于扶持物联网型食用菌企业发展、政府聘请高校和科研单位技术人员组织培训等。通过在试点企业建立基于物联网的食用菌质量管理系统，认真提炼总结典型案例和成功经验，发挥试点示范带动引领作用和导向作用，使企业和栽培户切实感受到物联网技术带来的效益，充分调动企业和栽培户的积极性。

4.2增加技术宣传力度，提高企业的质量意识

食用菌产业中有大量的小企业和个体菌农。长期以来，受产品经济和小生产思想的影响，这些企业只注重短期效益，产品质量意识比较淡薄，对物联网技术对质量管理的推动作用更是知之甚少。然而，在当今市场竞争异常激烈的商品经济环境下，质量已成为头等重要的问题。不注重质量管理的重要性，一旦发生质量事件，集体和自身利益都会受到很大损失。政府部门可以通过制定食用菌质量保证的相关法律法规、积极开展质量安全的广告宣传、举办食用菌質量控制和物联网系统的专题培训等方式，提高食用菌企业的质量意识，使之充分认识到质量管理的重要性，以及通过物联网技术促进食用菌质量管理的必要性。

4.3降低物联网技术的实施成本，拓宽工程融资渠道

在食用菌行业应用物联网技术的前期投入比较大，多数企业不选择进行应用的主要原因可能在于其成本。从长远来看，发展物联网应用的基础设施建设不能只依赖于政府的扶持，还需要采取各种措施来降低实施成本，可制定科学采购模式来降低物联网设备采购费用，通过联合多个企业进行集体实施来产生规模效应而降低建设成本等。发展各类新型融资合作模式，解决物联网工程建设过程中的融资难问题，如与设备商利益共享的联合开发模式、发动重要客户实施众筹融资模式等，为食用菌物联网工程建设筹集资金。

4.4加大顶层设计，建设食用菌行业物联网技术的行业标准体系若在食用菌行业出现大量不同标准的物联网设备，将会造成设备不能互相兼容、难以保证产品质量、无法共享基础通信设施的资源和数据等问题，而造成混乱和浪费，因此有必要对食用菌行业的物联网设备制定规则，针对其技术体系进行标准化。建设物联网在食用菌行业的分类技术体系，围绕产业发展需求，对于物联网关键环节制定具体的技术应用标准，包括信息感知标准、信息传输标准、信息服务标准和信息应用标准等，形成完整的技术标准体系，为物联网在食用菌行业的大批量生产和规模化应用提供技术保障。

4.5推进食用菌质量管理研究，提升物联网应用技术水平针对食用菌产业特点，有针对性地开展质量管理和物联网技术的研究。从物联网感知层，研究获取食用菌、培养基和周边环境多层面信息的传感器，尽量使数据采集具有全貌和准确的特点;从物联网传输层，研究低成本的通讯协议和设备;从物联网应用层，应用人工智能和统计过程控制方法开发质量管理软件系统。在研究开发过程中，注重技术和系统的适用性，在达到系统性能要求的前提下，尽量做到硬件设备的小型化、低功耗、高可靠性，并力图做到质量管理软件系统的“傻瓜化”，以方便未经受专业培训的用户使用。

5结论

近年来，我国食用菌产业发展迅速，自2005年以来，我国食用菌产量占世界总产量的70%，给国家带来了巨大的生态效益、经济效益和社会效益[9]。然而，我国食用菌行业也普遍存在质量管理混乱、企业规模偏小、信息化程度较差、缺乏著名品牌、深加工开发薄弱、环保意识淡薄等问题，食用菌生产企业的大型化、工厂化、专业化势在必行。物联网技术的出现，为食用菌企业提高生产效率和改善质量管理水平提供了机遇，将成为食用菌行业向“高产、优质、高效、生态、安全”发展的重要手段。

尽管我国食用菌行业实施物联网技术的企业目前还比较少，但相信通过加大政策扶持力度、加强试点项目建设、增加技术宣传力度、提高企业质量意识、降低技术实施成本、拓宽工程融资渠道、建设行业标准体系、推进行业质量管理研究、提升应用技术水平等措施，我国食用菌企业应用物联网技术的前景必将是广阔的。通过物联网技术在食用菌企业中的广泛应用，使食用菌的整个生命周期得到有效地质量溯源和质量管控，提升食用菌产业的质量控制和质量管理水平，帮助我国食用菌产业实现生产技术革命和产业结构升级。参考文献

[1] 何正源，段田田，张颖，等.物联网中区块链技术的应用与挑战[J].应用科学学报，2020，38（01）：22-33.

[2]邰向民.食用菌生产企业管理策略与质量管理研究[J].中国食用菌，2019，38（02）：74-76，80.

[3]Alireza Souri，Monire Norouzi. A State-of-the-Art Survey on Formal Verification of the Internet of Things Applications [J]. Journal of Service Science Research，2019，11（1）： 47-67.

[4]罗国涛.論食用菌栽培材料选择及处理方法[J].中国食用菌，2010，29（04）：63-64.

[5]刘艳芳.食用菌供应链质量管理分析[J].中国食用菌，2019，38（10）：107-109.

[6]杨文建，王柳清，胡秋辉.我国食用菌加工新技术与产品创新发展现状[J].食品科学技术学报，2019，37（03）：13-18.

[7]李福后，王伟霞，孙强，等.食用菌保鲜技术的研究进展[J].食品研究与开发，2018，39（15）：205-210.

[8]李冬月，杨刚，千博.物联网架构研究综述[J].计算机科学，2018，45（S2）：27-31.

[9]孔雷，张良，胡文洪，等.中国食用菌产业现状及预测[J].食用菌学报，2016，23（02）：104-109.

（责任编辑常阳阳）