居家菌类智能培育设备设计与试验.pdf
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1、第8期李红梅 等:居家菌类智能培育设备设计与试验7 5 D O I:1 0.1 3 7 3 3/j.j c a m.i s s n.2 0 9 55 5 5 3.2 0 2 3.0 8.0 1 0李红梅,吴今姬,王亮明,等.居家菌类智能培育设备设计与试验J.中国农机化学报,2 0 2 3,4 4(8):7 5-8 0L i H o n g m e i,W u J i n j i,W a n g L i a n g m i n g,e t a l.D e s i g n a n d e x p e r i m e n t o f i n t e l l i g e n t c u l t i v
2、 a t i o n e q u i p m e n t f o r e d i b l e f u n g i J.J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n,2 0 2 3,4 4(8):7 5-8 0居家菌类智能培育设备设计与试验*李红梅1,吴今姬2,王亮明3,宋卫东2,赵清4,李彦英1(1.河北福路特农业技术开发有限公司,北京市,1 0 0 1 6 2;2.农业农村部南京农业机械化研究所,南京市,2 1 0 0 1 4;3.内蒙古包头市农牧科学技术研究所,内蒙古包头,
3、0 1 4 0 1 0;4.河北省农业特色产业技术指导总站,石家庄市,0 5 0 0 0 0)摘要:针对现有食用菌工厂化栽培中存在投资风险大、产后损失大等问题,研究开发可移动式中小型食用菌智能培育设备,集成设计具有加湿、加热、制冷及送风等功能于一体的送风系统,优化种植仓、排气结构设计,采用智能远程控制系统实现设备种植仓内环境参数的实时监测与调节,并进行设备性能试验研究。试验结果表明,食用菌智能培育设备的温湿度控制精度高,榆黄菇菌包出菇到成熟采摘仅需要35天,比工厂化栽培缩短生长时间81 0天,出菇效率高;采用科学无菌化环境管理,保障食用菌食品安全与食材新鲜度,减少食用菌产后损失的同时,进一步开
4、拓食用菌在市场的消费新模式,可促进食用菌产业快速发展。关键词:食用菌;智能培育;远程调控;可移动设备;居家栽培;环境监测;设施种植中图分类号:S 6 4 6 文献标识码:A 文章编号:2 0 9 5 5 5 5 3(2 0 2 3)0 80 0 7 5 0 6收稿日期:2 0 2 2年6月1日 修回日期:2 0 2 2年8月1 2日*基金项目:国家食用菌产业技术体系生产设施设备岗(C A R S2 0)第一作者:李红梅,女,1 9 7 7年生,吉林长春人,助理工程师;研究方向为食用菌生产装备。E-m a i l:1 0 5 2 9 7 4 7 1 9q q.c o m通讯作者:吴今姬,女,1
5、9 8 7年生,吉林延吉人,硕士,助理研究员;研究方向为食用菌生产装备。E-m a i l:k e o m h e e 1 6 3.c o mD e s i g n a n d e x p e r i m e n t o f i n t e l l i g e n t c u l t i v a t i o n e q u i p m e n t f o r e d i b l e f u n g iL i H o n g m e i1,W u J i n j i2,W a n g L i a n g m i n g3,S o n g W e i d o n g2,Z h a o Q i n
6、g4,L i Y a n y i n g1(1.H e b e i F u l u t e A g r i c u l t u r a l T e c h n o l o g y D e v e l o p m e n t C o.,L t d.,B e i j i n g,1 0 0 1 6 2,C h i n a;2.N a n j i n g I n s t i t u t e o f A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n,M i n i s t r y o f A g r i c u l t u r e a n d R u
7、r a l A f f a i r s,N a n j i n g,2 1 0 0 1 4,C h i n a;3.B a o t o u I n s t i t u t e o f A g r i c u l t u r a l a n d A n i m a l H u s b a n d r y S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,B a o t o u,0 1 4 0 1 0,C h i n a;4.H e b e i P r o v i n c e A g r i c u l t u r a l C h a r a c t e r i s
8、t i c I n d u s t r y T e c h n i c a l G u i d a n c e S t a t i o n,S h i j i a z h u a n g,0 5 0 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n g a t t h e p r o b l e m s o f l a r g e i n v e s t m e n t r i s k a n d p o s t p a r t u m l o s s i n t h e e x i s t i n g i n d u s t r i a l c u l t
9、i v a t i o n o f e d i b l e f u n g i,t h e m o v a b l e a n d i n t e l l i g e n t c u l t i v a t i o n e q u i p m e n t f o r s m a l l a n d m e d i u m-s i z e d e d i b l e f u n g i w a s d e s i g n e d.T h e i n t e g r a t e d a i r s u p p l y s y s t e m w h i c h h a s f u n c t i
10、o n s o f h u m i d i f i c a t i o n,h e a t i n g,r e f r i g e r a t i o n a n d a i r s u p p l y i s d e s i g n e d a n d t h e d e s i g n o f p l a n t i n g b o x a n d v e n t i n g p a n e l i s o p t i m i z e d.A n i n t e l l i g e n t r e m o t e c o n t r o l s y s t e m i s u s e d
11、t o r e a l i z e t h e r e a l-t i m e m o n i t o r i n g a n d a d j u s t m e n t o f t h e e n v i r o n m e n t a l p a r a m e t e r s i n t h e p l a n t b o x a n d t h e e x p e r i m e n t a l s t u d y o f t h e e q u i p m e n t p e r f o r m a n c e i s c a r r i e d o u t.T h e r e s
12、u l t s h o w s t h a t t h e e q u i p m e n t c o n t r o l p r e c i s i o n o f t e m p e r a t u r e a n d h u m i d i t y i s h i g h a n d t h e f r u i t i n g r a t e i s h i g h e r t h a n i n d u s t r i a l c u l t i v a t i o n.I t t a k e s 3 t o 5 d a y s t o p i c k t h e f r u i t-
13、b o d y o f P l e u r o t u s c i t r i n o p i l e a t u s w h i c h s h o r t e n s t h e c u l t i v a t i o n t i m e a b o u t 8 t o 1 0 d a y s c o m p a r e d w i t h t h e f a c t o r y c u l t i v a t i o n.T h e e q u i p m e n t a d o p t s s c i e n t i f i c a n d s t e r i l e e n v i
14、r o n m e n t a l m a n a g e m e n t w h i c h e n s u r e s f o o d s a f e t y a n d f r e s h n e s s o f e d i b l e f u n g i a n d a l s o r e d u c e s t h e p o s t n a t a l l o s s.I t c a n f u r t h e r o p e n u p n e w c o n s u m p t i o n m o d e i n t h e m a r k e t a n d p r o m
15、o t e t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f e d i b l e f u n g i i n d u s t r y.K e y w o r d s:e d i b l e f u n g i;i n t e l l i g e n t c u l t i v a t i o n;r e m o t e c o n t r o l;m o v a b l e e q u i p m e n t;h o u s e h o l d c u l t i v a t i o n;e n v i r o n m e n t m o n i t o
16、r i n g;f a c i l i t y p l a n t i n g第4 4卷 第8期2 0 2 3年8月中国农机化学报J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o nV o l.4 4 N o.8A u g.2 0 2 37 6 中国农机化学报2 0 2 3年0 引言食用菌因含有丰富的蛋白质、多糖、维生素等活性成分,被广泛认知为具有食用、药用以及保健价值的食品13。我国食用菌产业自2 0世纪9 0年代得到迅速的发展,经历了手工栽培、机械化栽培到工厂化栽培阶段4。目前,我
17、国食用菌主要生产模式包括小规模作坊式栽培与大规模集约化栽培57,其中集约化生产占总产量的8 0%。小规模作坊式栽培是在自然条件或简单设施基础上,农户购买制作好的菌包或自行制作菌包,并按要求进行栽培管理,该方式受天气影响较为明显,且产量较少,质量得不到保证。工厂化栽培是目前食用 菌 生 产 的 主 流 方 式,采 用 全 程 环 境 控 制 栽培89,实现环境参数的实时监测与控制,使食用菌处于理想的生长状态,具有生产周期快、产量大、效益高等优点,但由于栽培空间较大,环境控制参数精度较低,一定程度上影响食用菌生长速率,并出现出菇不一致等现象1 01 2。此外,食用菌与其他农产品相同,具有易变质、贮
18、藏时间短、即食性等特点1 31 5,产后经过仓储、冷链、商超等诸多环节存在不可避免的污染隐患,产后损失率非常大,也一定程度上阻碍了食用菌产业的进一步发展1 6。考虑以上大规模栽培的弊端,以及为适应不断转变的销售模式与家庭栽培需求,学者们也着手研究开发出具有加湿、加温、制冷等功能的中小型培育设备。梁亚等1 7研究了一种猴头菇食用菌种植设备,该设备基于单片机控制种植箱内环境参数,可满足猴头菇家庭化种植需求。姬快乐等1 8研究了一种家庭式食用菌种植箱,可实现箱体内温度、湿度的监测与调节,但结构与功能相对简单。陈学东等1 9开发了一种智能一体化食用菌栽培系统,包括参数采集装置、基于P L C的控制装置
19、及执行装置等,系统集成有大球盖菇、香菇、羊肚菌、灵芝等若干食用菌品种的培养参数,通过调节环境中的温度、湿度及光照等参数为不同食用菌生长提供所需环境,但箱体体积较小,可放置菌包数量较少。目前市面上还没有较为成熟的、专门用于食用菌栽培的设备。由于食用菌生长环境参数包括温度、湿度、二氧化碳浓度及光照强度等对食用菌生长速率及产量起着关键作用2 02 3,同时,不同菌类品种对环境参数的要求和敏感度也具有较大差异,现有相关栽培设备无法自动拟合出菌类所需环境参数,控制精度也较低。本文基于新型C 2 F生产理念,集多维传感技术、生物工程技术、智能模拟技术及物联网技术于一体,开发出食用菌智能培育设备,研究设计出
20、具有加湿、加热、制冷及送风等功能于一体的送风系统,优化种植仓、排气结构设计等,开发具有菌类生长环境模拟、智能远程控制即环境实时监测与调控等一系列功能的菌类专用智能远程控制系统。1 整机结构与工作原理1.1 整机结构食用菌智能培育设备由柜体、送风系统、排风装置、种植箱及远程控制系统等组成,如图1所示。柜体由不锈钢板制成;送风系统安装在培养箱顶部,包括制冷、制热、加湿、送风等装置;种植箱由培养架、排风装置组成,种植箱内设有培养架,菌包放置于培养架上,柜体侧面设有排风装置,种植箱内设有温湿度传感器、C O2浓度检测传感器、补光设备等,培养箱底部设有万向轮,可实现随时随地轻松移动与摆放。居家智能培育设
21、备的主要技术参数如表1所示。图1 食用菌智能培育设备结构示意图F i g.1 S t r u c t u r e d i a g r a m o f i n t e l l i g e n t c u l t i v a t i n g e q u i p m e n t1.排水管 2.压缩机 3.电控箱 4.冷凝器 5.第一水箱6.第一箱盖 7.第二水箱 8.摄像头9.柜体 1 0.柜门 1 1.万向轮 1 2.接水槽表1 主要技术参数T a b.1 M a i n t e c h n i c a l p a r a m e t e r s参数数值温度控制范围/1 62 8湿度控制范围/%5
22、 09 5二氧化碳浓度控制范围/(m gL-1)3 0 01 5 0 0温度检测精度/0.2湿度检测精度/%RH2二氧化碳浓度检测精度/(m gL-1)1 0 0+读数的6%空气洁净度3 0万级噪声/d B(A)6 01.2 工作原理居家智能培育设备从模拟生态环境理念出发,基于大量不同温型菌类生长特性参数,开发出远程智能环境控制系统,为设备提供适应不同品种食用菌生长的最佳环境参数。确定好培育菌包种类后,控制系统第8期李红梅 等:居家菌类智能培育设备设计与试验7 7 利用种植箱内设置的温湿度传感器、二氧化碳浓度检测传感器及光敏传感器实时检测环境参数,并基于物联网、5 G技术实时反馈到控制系统中实
23、现环境参数的远程、实时监测。再根据反馈数据与系统设定值对比计算,发出控制指令,进行自动控制执行设备,包括制冷、制热、加湿及通风等设备的动作,实时调节环境中的温度、湿度、风速、二氧化碳浓度,实现设备内食用菌菌包处于最佳的生长环境。2 关键部件设计2.1 种植箱种植箱是用于培养食用菌菌包的空间,由箱体、门、培养架、接水槽等部分组成,箱体内安装有培养架、温湿度传感器,并设有出风口,种植箱内培养空间固定尺寸为1 4 4 0mm9 3 0mm5 8 0mm。由于培育的专用菌包尺寸为直径1 0 5mm,长度2 2 0mm,考虑一般出菇高度在1 2 01 4 0mm,架层高度约为6mm,因此在充分考虑到设备
24、柜体总尺寸的要求与菌包尺寸、出菇数量、出菇高度等因素条件,进行了结构设计与优化菌包架层布局,最终设置每层高度约2 8 0mm,共5层固定培养架,每层可放置1 6个菌包,五层可放置8 0个菌包,以此保障种植箱内菌包放置数量最大化与空间使用最优化的目标,也可保证菌包的出菇质量,如图2所示。种植箱内除了5个固定的培养架外,还设计了3个可拆卸式培养架,以适应不同尺寸菌包或菌瓶栽培需求,如蛹虫草栽培菌瓶高度尺寸仅有1 2 0mm左右,此时可在种植仓内加设培养架提高栽培菌瓶数量,充分实现种植仓内空间最大化利用,提高产量。箱体底部设有4个万向轮,可随时随地移动设备的投放位置。图2 种植箱结构示意图F i g
25、.2 S t r u c t u r e d e s i g n o f p l a n t b o x2.2 送风系统送风系统是集成制冷制热箱、内水箱、加湿器、加热装置、制冷设备、散热和散冷装置等多功能于一体的执行装置,安装于箱体顶部,其结构示意图如图3所示。种植箱内环境参数的控制均依据送风装置的运行,其中加热装置和制冷设备为种植箱提供温度调节功能,加 湿 装 置 提 供 湿 度 调 节,其 总 集 成 尺 寸 为1.2m0.5m0.4m,占总设备体积的1/7,相较于现有的分体式设计,结构更紧凑,减小了占用的体积,并且减少了在柜体上的开孔数量。图3 送风装置结构示意图F i g.3 S t
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