基于温湿度传感器的食用菌培养室环境设计*

肖俊华，陈凡亮

（南昌大学共青学院，江西 九江 332020）

随着社会和技术进步，食用菌栽培正向着工厂化、规模化的方向发展[1]。许多食用菌已经开始在现代化的大棚和工厂厂房中栽培，外界环境、气候的变化对食用菌生长的影响慢慢变小。从广义上理解，培养室是指栽培食用菌所用的大棚、房屋甚至山洞等场所；而狭义上专指在食用菌工厂化生产过程中所使用的厂房。在这种厂房中，人们可以自由控制食用菌生长的环境，控制光照、通风和温湿度，给各种食用菌创造一个适于生长的小环境[2]。通过各种传感器采集食用培养室环境信息并进行控制，从而人为地控制培养室环境以有利于食用菌的生长。

培养室克服了外界不利环境带来的影响，这对食用菌栽培至关重要[3]。特别是对于培养室的温湿度控制，是保障食用菌正常生长的重要因素。温湿度控制是典型的自动化控制问题[4]，用人工经验控制的精度和准确性不高，不可控因素较大。而且经验和技术是一种事后控制，往往发现问题时已经造成了一定的不良反应，不具有实时性。

因此，通过对培养室中的温湿度这一重要环境信息进行控制，提出采用温湿度传感器来解决培养室温湿度环境信息的采集问题。力求安全、稳定地采集、传输培养室温湿度数据，保障整个培养室环境控制系统的正常运行。

1 培养室温湿度传感器

1.1 温湿度传感器的工作原理

温湿度传感器是一种叠加了温度和湿度2种测量功能的数据采集元件，用于采集环境中的温度和湿度信号。其中温度信号是通过热敏元件来完成，多采用热电阻（resistance temperature detector）和热电偶（thermocouple）元件；而湿度信号是通过湿敏元件，主要有电阻式、电容式两大类[5]。温湿度传感器通过元件材料的物理或化学性质变化，将环境中的温湿度转化成有用的电信号，再经过传感器内部自带的运算放大、视觉识别（visual identity） 转换等数字处理电路，将数字电信号转换成标准模拟的电流或电压信号输出。与相应的仪表和控制电器连接后，这种输出的模拟信号就可以用于温湿度的自动化控制。

1.2 培养室温湿度传感器的选型

培养室环境温湿度的控制要求较高、食用菌生长环境需要较大的空气湿度和阴暗的环境，由于工作环境的特殊性，培养室内安装的温湿度传感器的要求也与一般工业控制的传感器要求有所不同。

1）培养室湿度较大，潮湿的环境对传感器的元件的性能有一定的要求。如热电阻传感器中常用的电阻材料有镍、铜和铂等[6]，在潮湿环境下，铂金属本身的化学稳定性较好，电信号输出也更加线性，因此应采用铂金电阻的传感器。同时，也可以考虑采用激光传感器、红外传感器和微波传感器等不受潮湿环境影响的传感器。但除了传感器元件的防潮外，传感器配套电子元件的防潮也需要加以重视。在培养室潮湿环境下，经常会喷水保温，虽然传感器是非密封性的，但为了保护测量的准确度，裸露在外的传感器也需要有对传输电路板、显示器等有相应的防水保护装置。

2）对培养室的温度和湿度控制来说，一般食用菌生长并不需要过高的精度控制，温湿度在一个大致的范围内即可。因此，使用相对湿度RH为±5%的精度的传感器就已足够，该精度也在25℃下的测量值，符合食用菌生长要求的环境温度，可控制的温度变化范围为0.1℃；湿度控制属于RH 80%～100%的高湿段，适合食用菌生长的空气湿度范围。

3）在培养室使用时，还需要考虑传感器的维护和使用寿命，由于温湿度传感器需要裸露在外进行测量，培养室内有湿气和上下料时的灰尘，也会有消毒、杀虫时的化学试剂腐蚀，这些都会造成传感器电气元件测量精度的下降，产生时间、温湿度数据的漂移。一般每隔半年需要校对一次传感器的精度。使用2年左右的传感器要考虑老化问题，及时更换或重新标定有效期。

1.3 培养室温湿度传感器的安装

湿度传感器是非密封性的，为保护测量的准确度和稳定性，应尽量避免在酸性、碱性及含有机溶剂的环境中使用，也避免在粉尘较大的环境中使用。为正确反映欲测空间的湿度，还应避免将传感器安放在离墙壁太近或空气不流通的死角处。如果被测的房间太大，就应放置多个传感器。有的湿度传感器对供电电源要求比较高，否则将影响测量精度，或者传感器之间相互干扰，甚至无法工作。使用时应按照技术要求提供合适的、符合精度要求的供电电源。传感器需要进行远距离信号传输时，要注意信号的衰减问题，当传输距离超过200 m以上时，建议选用频率输出信号的湿度传感器。

培养室如果安装了温湿度传感器，那也一定会有一套与之匹配的自动化控制或监控系统，用于接收温湿度传感器采集的信号并进行调控。为保障湿度传感器采集数据的准确性，需要选择正确的安装位置和安装方式。在培养室内平面空间一般20 m2～30 m2安装一个温湿度传感器，立体空间垂直3 m～5 m安装一个传感器。传感器之间要有间隔，安装的位置要避免在培养室的拐角、门口和通风口旁边，也避免安装在培养室加热升温、喷淋和电机等有振动的设备附近。在安装方式上根据培养室的实地情况，可以采用壁挂式安装，避免淋水，也便于后期的维护和管理。

2 培养室生产环境的设计

2.1 培养室环境监控系统设计思路

由于传感器技术的进步和食用菌工厂化栽培的需要，培养室栽培环境的自动化控制技术也日臻成熟。在食用菌工厂化栽培的培养室内，除了温湿度传感器外，还安装有光照强度、二氧化碳浓度、pH检测等多种传感器，实现对食用菌栽培全过程的环境监控管理。

由于采用了温湿度传感器采集数据，当传感器监测到温湿度数值超过设定参数值范围时，就自动通过发送控制信号，启动制冷或加热，进行通风或启动加湿器工作，以调节培养室内的温度和湿度，给各种食用菌生长提供最佳的生长环境。这种监控和调节都是实时自动完成的，已经有部分监控系统达到了智能化控制的水平。

2.2 基于温湿度传感器的培养室环境设计

以工厂化比较成熟的金针菇生产为例。金针菇工厂化生产主要的工艺流程有前期的培养料制备、装瓶、灭菌、接种和菌丝培养等环节，后期还有催蕾、出菇管理和采收包装等环节。每个阶段都有相应的温湿度传感器。

2.2.1 培养料制备环境设计

在培养料制备阶段，无论采用那种配方，都需要对培养料进行充分的搅拌，采用搅拌机进行搅拌时，需要对原材料进行预湿浸透水分，还需要控制加水的水温。在搅拌机内壁安装温湿度传感器，将注水温度控制在15℃～20℃；控制培养料含水量保持在65%左右，以保障搅拌的效果。同时，还可以安装pH传感器，控制培养料中的pH 6.6～7.0之间，通过这些传感器可以精确控制搅拌过程，保障生产出合格标准含水量的培养料。

2.2.2 灭菌与接种环境设计

金针菇的工厂化栽培多采用全自动化的机械装瓶方式，装瓶后采用高压灭菌，以减少杂菌污染。灭菌时的温度由高压灭菌设备控制，培养料瓶从灭菌锅中搬出时温度很高，需要冷却至20°C～25°C才能接种，温度太高会造成菌种发育变异，温度太低也会影响菌丝生长速度。利用栽培瓶的余热加快菌比定殖速度是工厂化生产常用的方法，在冷却室使用温湿度传感器控制冷却温度在合理的范围内，即可以利用余热，又能够保证低温接种要求。工厂化栽培已经多采用自动接种机在无菌车间接种。

2.2.3 菌丝培养

接完种后的栽培瓶在安装有温湿度传感器的发菌室发菌。发菌室环境温度控制在（20±2）℃，空气相对湿度控制在65%左右。金针菇发菌期间的温度管理十分重要，温度过高容易产生杂菌，菌丝变黄萎缩，高于34℃时金针菇菌丝会停止生长；而温度过低也会造成发菌后期菌丝生长缓慢。但人工栽培中往往会因自然环境温度的过高或过低，直接影响金针菇的发菌。人工培养很难均衡地保持理想的发菌温度。

因此，可以利用温湿度传感器监测发菌室内的空气环境温湿度，并对采用到的数据进行分析运算、经过模拟电子和数字电子（analog and digital）转换送入单片机处理，驱动加热或制冷设备工作，从而实现发菌室环境温湿度的自动智能调节。而且还可以把现场采集到的数据通过有线、无线、3G/2G无线网络传输到中控数据平台，用户从终端可以远程查看培养室现场的温湿度实时数据，并使用远程控制功能，利用继电器控制设备或模拟输出模块对培养室的加热、加湿、制冷、通风等设备进行远程操作。当然，也可以安装二氧化碳传感器、光照传感器等进行氧气和光照的控制，从而形成一整套自动通风排放系统、自动加湿系统和自动升温降温系统，全方位保障发菌质量。

2.2.4 搔菌和催蕾

菌丝满瓶后即可进行搔菌，现在已经采用专用的搔菌机进行作业。搔菌后随即进行催蕾。温度控制10℃～13℃，给予足够低温刺激，并辅之以弱散光刺激和新鲜的空气增加氧，促使金针菇原基的形成。这一过程中需要分段设定温湿度传感器的参数，在开始的前三天一般设置空气相对湿度保持在90%～95%，使菌丝恢复生长，后期再设定传感器湿度参数到85%～90%。

2.2.5 均育和抑制

金针菇均育是抑制处理的过渡阶段，此时的温湿度传感器设置温度应控制在（8±1）℃，空气相对湿度设定在85%～90%，以促菇蕾在低温环境中分化分枝。此时的传感器温度设定十分重要，目前不同企业在实际生产中对抑制温度的控制有高有低，但多在3℃～8℃之间，一般金针菇菌柄长至0.5 cm～1.0 cm时即可进行抑制培养。无论采用吹风抑制还是光照抑制方法，都需要实时控制环境的温度、湿度参数。避免温度变化对金针菇品质的影响。

2.2.6 子实体生长与采收

金针菇子实体生长时的空气相对湿度控制在80%～90%，栽培瓶内的湿度控制在70%左右，子实体生长最适温度控制在10℃～15℃。环境湿度和栽培瓶湿度都可以通过传感器采集，给环境自动控制系统向喷雾设备发送控制信号，调节环境湿度。避免因环境湿度过低影响金针菇生长或者过高造成烂菇等情况。同理也可以利用传感器采集的温度数据来调节生长温度。

当金针菇长出栽培瓶3 cm时要进行套筒，以促使菌柄增长，当菌柄长度达到15 cm左右时即可进行采收。但在采收前要降低空气湿度到70%～80%，湿度过大会造成金针菇含水量超常出现黏液，不利于金针菇的保鲜。

2.2.7 包装、存储与运输

由于是工厂化生产，后期的金针菇包装要与子实体生长时的温度一致，控制在10℃～15℃的范围内，在包装车间安排的多点温湿度传感器可以实时监控包装温度，对包装车间的环境自动监控。而包装好的金针菇产品随后就进入了冷链存储和运输的环节，在冷库存储的温度为1℃～4℃，相对湿度在控制在60%～65%，这也是冷链运输时的保鲜温湿度范围。这些温湿度数据的采集都可以应用温湿度传感器来完成。

3 结论

培养室应用温湿度传感器来进行生产环境的自动化控制，有效利用了传感器技术、自动化控制和计算机技术。能够自动采集培养室的温度、湿度，并且自带通讯接口，可以和计算机系统共同构成菇房环境自动监控系统。对食用菌栽培的不同阶段进行实时温湿度控制，为食用菌工厂化栽培提供技术支撑。帮助食用菌产业实现科学化、标准化和现代化的栽培管理。