温室双孢菇栽培智能喷淋装置的设计与试验.pdf

温室双孢菇栽培智能喷淋装置的设计与试验 赵向鹏1 王荣先2 姬江涛1 1 河南科技大学农业装备工程学院 河南洛阳 471003 2 洛阳理工学院机械工程学院 河南洛阳 471023 摘 要 针对当下我国食用菌工厂无法实现对基质湿度的自动化精细管控问题 设计了温室自动喷淋控制装 置 根据水路管道工作设计原理 应用自动化控制技术 结合土壤温湿度传感器的检测信号 构成自动化喷淋系 统 实现了对双孢菇的智能化喷淋施水 与人工施水的对比试验显示 以自动控制喷淋系统作为施水手段的双 孢菇栽培区域含水量更加均匀 水分含量上下波动幅度更加平稳 能够促进双孢菇的出菇数量和发育品质 出 菇采摘后统计显示的 在动喷淋装置区域 双孢菇出菇量提高9 13 产量提高20 3潮菇期采收后整体水分 利用效率是人工施水区域的1 6倍左右 试验验证了自动喷淋系统的有效性和稳定性 可为后期结合作物模型 构建智能化菌类工厂提供科学依据 关键词 双孢菇 自动喷淋装置 温室 水分利用效率 中图分类号 S275 5 文献标识码 A文章编号 1003 188X 2022 12 0187 05 0 引言 我国是人口大国 人均资源匮乏 且水资源的利 用效率尤显重要 1 2 在农业灌溉方面 农作物的传 统浇灌方式为自然降雨结合人工灌溉 管理粗放 水 分利用效率不高 国外研究多数以土壤水分上限 下 限值管控作为主要因素进行灌溉系统设计 还会结合 其他次要因素 如水分蒸发量 空气湿度和光照强度 等 在欧美 以色列等国家 精细微喷 滴管等技术的 发展和应用大大提高了水资源的利用效率 以色列 结合本土气候特点与当地水资源匮乏的现状 大力推 行土层精细施水技术 3 针对不同作物的生理特性 做到全育期动态变量供水 节约水资源的同时提高了 农作物的产量与产出品质 水资源的利用效率达到了 90 以上 与大田作物受气候 地区 生物影响 降水 量不定因素影响不同 设施类作物可以由环境控制技 术及装备实现定量 动态控制 且有发育期短 水肥要 求高 3 需多次采摘的特点 设施作物温室栽培中 结合智能微灌技术能更好地体现价值 4 6 在作物生 长和发育过程中 水分调控能够带来很大的经济效 益 具体表现为减少病虫害的发生 提高产品质量 收稿日期 2021 01 10 基金项目 国家自然科学基金面上项目 51975186 国家重点研究与 发展计划项目 2016YFD0701802 作者简介 赵向鹏 1995 男 河南洛阳人 硕士研究生 E mail xpgw9678 163 com 通讯作者 姬江涛 1965 男 河南洛阳人 教授 博士生导师 E mail jjt0907 163 com 缩短整个作物发育期时间和节省资源 双孢菇生长发育所需的水分绝大部分从培养基 料中获得 菌丝在降解基质和吸收营养的过程都要以 水分为介质 基料含水量低于50 时 菌丝生长缓 慢 子实体表面暗无光泽 质量减少 导致品质降低 基料含水量高于75 时 透气性低 菌丝得不到足够 的氧气 导致呼吸作用下降 子实体易出现红根 锈斑 等现象 7 10 基质水分是双孢菇最重要的环境因子 之一 整个培育过程都需要保持环境湿度和基质湿度 在适宜范围 需要及时补充水分 在菌类工厂中 往 往采用人工喷洒施水方式 工作量大 且不能精细控 制和计算施水量 11 13 菌类作物生长对菇房环境要 求较高 人员频繁进出菇房 增加了携入杂菌的风险 通过智能喷淋装置的设计和应用 将菇房和人员操作 控制室分离 能够实现双孢菇的全育期环境监测与管 理 因此 针对菌菇类生长环境 开发智能喷淋管控 系统有着重要的意义 1 双孢菇温室概况 双孢菇温室实验室由两部分组成 即栽培菇房和 控制室 菇房尺寸为3m 7m 内部有宽1 4m 长6m 的菇床 菇床分为3层 控制室内有环境控制器和土 壤水分控制器如图1所示 菇房内的其他环境因子 如CO2浓度 空气温度 与湿度 由自研的环境管控系统调整控制 根据双孢 菇高产栽培技术 14 结合当地企业管理经验 将菇房 内温度控制为18 20 空气湿度调节为85 781 2022年12月 农机化研究 第12期 90 根据双孢菇的生长特性 15 即菌丝生长期 覆 土发菌 好氧 浓度小于0 5 在子实体生长发育时 期 结菇期 维持期 结菇期 二氧化碳浓度控制在 0 1 以下 1 基质含水率控制器 2 可视窗口 3 空调出口 4 环境温度 CO2浓度控制装置 5 出风口 6 菇床 菇架 7 管路 8 加湿装置与湿气出口管 图1 双孢菇温室总体结构图 Fig 1 General structure of Agaricusbisporus greenhouse 双孢菇的整个栽培过程中 根据不同生长阶段的 需水特点 对环境空气湿度 通风量和基质含水程度 的要求各不相同 在菇房完成上料工序后 开启环境 控制系统 进行菇房的环境管控 在覆土完成 菌丝 发育后的压菌期间 平均每平方米菇床喷水1L 早晚 各1次 使土层厚度浸水1 2左右 在结菇期间 根据 根据培养料和覆土层的实际含水情况控制施水 平均 每平方米需水3L 分4次喷淋 到覆土层湿透且无水 分下渗为止 在双孢菇维持期间 保持室内湿度90 左右 以覆土层湿润为准 在双孢菇出菇阶段 施水方 式和结菇期间施水相同 喷水在两期潮菇期间 水量 要足 平均每平方米施水2L 将土壤水分传感器插入 培养基料内 通过TDR时域反射测定原理测得培养基 含水率 连入菇房环境控制系统后 可在控制室内实 时显示土壤湿度信息 2 喷淋系统设计与试验 喷淋装置整体主要由3部分组成 包括水源 管 路网和末端喷头装置 检测传感器用于测量基质的 温度与湿度 2 1 水源及管网设计 菇房实验室内安置一个5m3的水箱与水管相连 水箱顶部有水满自动闭合的阀门 箱内底部安置 QJD15 40 4 1 85潜水泵 流量15m3 h 扬程30m 口径50mm 潜水泵后连接2寸叠片式过滤器 过滤 器前后连接有逆止阀 进排气阀 限压阀 泄水阀和点 接点压力表 采用PE材质的管材作为喷淋系统的干 管 直径50mm 和支管 直径20mm 在支路端口安 装小型过滤器和2s200 20 pt3 4 DN20型号电磁阀 电磁阀门控制开关和水泵磁力开关 cjx 20910 220v 50Hz 集成的控制箱安置在与菇房间隔的控制 室内 因菇房内要求环境无菌程度较高和空气湿度较 大 所以将集成的控制装置都安放在控制室内 喷淋装置的毛管选用PVC材质 直径为6mm 喷头选用框架折射喷头 技术参数为 工作压力 0 3MPa 射程1 3m 流量60L h 温室喷淋区域分配 及管网设计图如图2所示 图2 温室喷淋区域分配及管网设计图 Fig 2 Distribution and pipe network design of greenhouse spray area 喷头处流量压力关系为 q1 ahx 0 686h0 53 其中 q1为喷头实际流量 m3 h a为流量指数 h为水位高度 m x为流态指数 在菇房中 干管沿着菇架直角铺设 在每层菇床 上端连接干管 干管略高于每层菇床 从支管引出毛 管 毛管平铺在菇床层架上 一支毛管上分布3个旋 转喷头 喷头间隔段毛管套上PV材质管 保护毛管 2 2 系统控制部分设计 系统主要由PLC 土壤温 湿度传感器 数电转换 模块 预警装置和安全保护装置构成 工作原理如图3 所示 图3 自动喷淋控制系统硬件结构图 Fig 3 Hardware structure of automatic spray control system 881 2022年12月 农机化研究 第12期 2 3 数据处理 试验使用Excel2016软件进行数据记录和统计 使用Origin2017软件进行数据处理和绘图 3 试验与结果分析 3 1 试验设计 试验于2020年9月在河南科技大学智慧菌厂进 行 基料选用奥吉特公司生产的 奥吉1号 在双孢 菇的栽培过程中 根据双孢菇栽培工艺 整个过程空 气湿度温度与二氧化碳通风量由环境控制系统调控 数据如图4所示 根据对比试验的要求 采用同样规 模的基料 分别安置在菇床的上下层 保持整个温室 通风 温度 湿度相同 将试验区域划分为人工 自动 喷淋两片区域 通过对比喷淋施水和传统人工施水 的整个过程中土壤基质含水率 耗水量和双孢菇产量 的变化 来判断整个喷淋系统的节水效率和实际 效果 图4 温室相对环境参数图 Fig 4 Relative environmental parameters of greenhouse 3 2 不同施水方式下基质含水率变化 双孢菇的整个栽培过程中 通过土壤温湿度传感 器记录每天的土壤含水率信息 保留每天的平均值 其中 人工施水和自动喷淋两片试验区域各自随机选 取不同的两个采样点a和b 整体记录如图5所示 图5 基质含水率变化图 Fig 5 Variation of matrix moisture content 由图5可知 在覆土后的5天内 人工施水和自动 喷淋系统施水处理的区域中 基质含水率都有较大的 波动 随着天数增加 自动喷淋区域基料含水率趋于 稳定 维持在65 70 区间内 采用传统人工施水操 作的区域内 整个过程的基料含水率变化幅度更大 较难趋于稳定 每次施水后含水率都有显著的增加 后又随时间推移而降低 同一个试验区域内不同采 样点a b处含水率相比 采用人工施水的区域内 两 处采集点同一天内数值差距较大 采用自动喷淋装置 的区域内 同一时间两处采集样点的数值差异在覆土 后前10天较为明显 而在随后天数内数据值差异不 明显 自动喷淋装置与人工施水相比 整个区域内含 水率差距更小 施水更加均匀 有助于整体双孢菇的 生长发育 3 3 不同施水方式下双孢菇品质与质量 在双孢菇出菇阶段 对两处试验区域内病斑菇 开伞菇 畸形菇和总出菇数量进行采集统计 结果如 图6所示 图6 双孢菇采收品质统计图 Fig 6 Statistical chart of harvesting quality of Agaricusbisporus 由图6可知 在保证其他环境因子相同的情况 下 采用自动喷淋装置区域与传统人工施水区域相 比 产菇总数量增加9 13 自动喷淋装置试验区域 内 施水更加均匀 区域含水率差值更小 区域面积利 用率高 相比于传统人工施水易造成局域水分过多或 过少 不利于出菇 与自动喷淋试验区域相比 采用 人工施水的成品菇中畸形菇 开伞菇和病斑菇的数量 都显著增加 水分过多或过少易造成菇盖表面产生 病斑 在双孢菇的动态发育过程中 不同阶段保持基 质含水率的稳定 能够减少双孢菇畸形发育概率 另 外 人工施水需要工人频繁进出菇房 增加携入杂菌 的风险及双孢菇的发病概率 从整体双孢菇产出优 质菇率来看 人工施水区域为83 9 自动喷淋装置 区域为95 2 优质菇率有显著提高 981 2022年12月 农机化研究 第12期 3 4 不同施水方式下产量与水分利用效率 对比两种施水处理后双孢菇3次潮菇产出量 耗 水量及水分利用效率的变化 结果如表1所示 表1 不同施水方式下区域产量与水分利用效率 Table 1 Regional yield and water use efficiency under different water application s 处理 产量 kg m 2 耗水量 mm 水分利用效率 kg mm 1 m 2 自动喷淋 第1潮菇10 42 445 0 0234 第2潮菇9 54 311 0 0310 第3潮菇8 69 340 0 0260 总体28 65 1096 0 0260 人工施水 第1潮菇9 98 510 0 0200 第2潮菇7 21 460 0 0160 第3潮菇6 87 510 0 0130 总体24 06 1480 0 0160 由表1数据分析可知 采用自动喷淋装置和人工 施水两种不同的施水方案 双孢菇的整体产量具有显 著差异 且第2潮菇和第3潮菇内产量对比差值尤为 显著 从采收的情况对比来看 采用自动喷淋装置有 着明显优势 自动喷淋下试验区域双孢菇产量一直高 于人工施水区域 且最大差距可达1 3倍 随着基料 养分的消耗 第1潮菇至第3潮菇产量呈递减的现 象 人工施水区域产量递减程度更大 采用科学统计 的自动喷淋装置 能够一定程度上保证基质内养料的 充分利用 在第1潮菇内 采用自动喷淋装置的区域 与人工施水区域相比 产量略有增加的情况下耗水量 略有下降 水分利用效率有了提升 在第2 第3潮菇 期内 人工施水区域的产量快速下降 但人工经验施 水过程施水量没有同时减少 相比自动喷淋区域水分 利用效率有了成倍的降低 综合3潮双孢菇的整体 情况来看 采用自动喷淋装置的区域产量相比人工施 水区域提高了1 2倍 同时耗水量显著降低 水分利 用效率提高了1 6倍 4 结论 1 在双孢菇智能栽培温室的现有环境管控装置 基础上 设计构建了一套自动喷淋调控系统 在不同 时间段将基质含水率的上限值和下限值编写入寄存 器内 可实现双孢菇整个全育期内基质湿度 温度的 信息采收和自动调控 自动喷淋系统能够为温室的 无人化 智能化建设提供有力支持 且在后期管护运 用中能够高效利用水资源 发挥持久的经济效益 2 自动喷淋系统施水过程更加均匀 随着栽培天 数的增加能够有效控制基质含水率波动幅度 促进双 孢菇的结菇和生育期品质发育 对比人工施水区域 自动喷淋控制区域双孢菇每平方米出菇数量提高 9 13 产量提高约20 人工施水增加人工劳力成 本负担并提高携入杂菌的风险 双孢菇的优质菇率在 人工施水和自动喷淋区域下分别为83 9 和95 2 采用自动喷淋系统区域水分利用效率高于人工施水 区域 效果显著 在3潮菇全部采收结束后统计表 明 水分利用效率提升1 6倍 参考文献 1 李彤 高世铭 张朝巍 不同灌水处理对日光温室双孢菇 的生长及水分利用效率的影响 J 甘肃农业大学学报 2006 41 6 53 57 2 张芮 王旺田 吴玉霞 水分胁迫度及时期对设施延迟栽 培葡萄耗水和产量的影响 J 农业工程学报 2017 33 1 155 161 3 许健 张芮 黄彩霞 设施葡萄不同生育期水分胁迫对产 量和水分利用效率的影响 J 中国农业大学学报 2019 24 4 43 51 4 杜昌战 双孢菇高产高效生产及栽培技术 J 农业与技 术 2018 38 13 47 48 5 贾国军 高职食用菌栽培技术课程教学改革探究 J 现 代职业教育 2019 24 66 67 6 张兆朋 双孢菇温室监控系统的设计 J 电子世界 2019 21 129 130 133 7 刘持勇 农村双孢菇栽培技术关键要点分析 J 南方农 机 2018 49 20 91 92 8 侯俊 李亚男 李超 双孢菇高产栽培关键技术 J 辽宁 农业科学 2016 6 87 88 9 李建明 潘铜华 王玲慧 等 水肥耦合对番茄光合 产量 及水分利用效率的影响 J 农业工程学报 2014 10 82 90 10 周艳宝 戴剑锋 林琭 等 水分对日光温室独本菊外观 品质影响的模拟 J 农业工程学报 2009 25 6 204 209 11 Dahi IS 孙耀邦 根据土壤饱和含水率测定其田间持水 量 凋萎点和有效持水量的统计方程 J 壤学进展 1990 18 6 47 49 12 冯炜 纪奕才 沈绍祥 等 测试土壤含水率和电导率的 时域反射仪系统 J 农业机械学报 2009 5 59 63 13 周凌云 陈志雄 李为民 TDR法测定土壤含水量的标定 研究 J 土壤学报 2003 40 1 59 64 14 HEITMANJL HORTONR RENT et al An improved ap proach for measurement of coupled heat and water transfer in soil cells J Soil science society of america journal 2007 091 2022年12月 农机化研究 第12期 71 3 872 880 15 HUISMAN J A LIN C P WEIHERMIILLER L et a1 Accu racy of bulk electrical conductivity measurements with time domain reflectometry J Vadose zone journal 2008 7 2 426 433 Design and Experiment of Intelligent Spray Device for Cultivation of Agaricusbisporus in Greenhouse Zhao Xiangpeng1 Wang Rongxian2 Ji Jiangtao1 1 College of Agricultural Equipment Engineering Henan University of Science and Technology Luoyang 471003 Chi na 2 School of Mechanical Engineering Luoyang Institute of Science and Technology Luoyang 471023 China Abstract Aiming at the problem that the edible fungi factory in China can not realize the automatic and fine control of substrate humidity the greenhouse automatic spray control device is designed According to the working design principle of water pipeline the automatic control technology is applied combined with the detection signal of soil temperature and humidity sensor to an automatic spray system so as to realize the intelligent spraying of Agaricusbisporus Com pared with the artificial water application the water content in the cultivation area of Agaricusbisporus was more uni and the fluctuation range of water content was more stable which promoted the quantity and development quality of Agaricusbisporus The results showed that the output of Agaricusbisporus was increased by 9 13 and the yield was in creased by 30 in the area of automatic spraying device and the water use efficiency was about 1 6 times of that in the area of artificial water application The experiment verified the effectiveness and stability of the automatic sprinkler sys tem and provided scientific basis for the later construction of intelligent fungus factory combined with crop model Key words agaricusbisporus automatic sprinkler greenhouse water use efficiency 上接第186页 18 李阳 陈玉龙 胡斌 等 甜菜顶部物理机械特性的测定研究 J 农机化研究 2015 37 1 201 204 Abstract ID 1003 188X 2022 12 0182 EA Study on Geometric and Physical Characteristics of Sugar Beet Leaves Zhang Qin Wang Fangyan Zhang Zhenyu Jia Songtao College of Mechanical and Electrical Engineering Qingdao Agricultural University Qingdao 266109 China Abstract The growth range geometric parameters and mechanical properties of sugar beet leaves were studied to provide data support for the research of mechanical equipment such as beet top cutting The sugarbeet leaves of Neitang ND 38 Gantang 7 and Detian 308 were studied to determine the growth range and geometric size of sugarbeet leaves The structure of sugarbeet petiole was observed by using Detian 308 sugarbeet petiole as the test sample The petiole was por ous sieve like and uneven composite material The tensile and shear tests on three parts of sugarbeet petiole showed that sugarbeet petiole was approximately brittle material The average tensile strength of the upper middle and lower parts of the petiole were 0 846 0 947 0 820MPa shear strength were 0 71 0 74 0 65MPa The test results can provide guidance for establishing the mechanical model of sugar beet petiole and the structural design of sugar beet defoliation de vice Key words beet leaf geometric characteristics physical characteristics shear strength 191 2022年12月 农机化研究 第12期