城市微型食用菌工厂控制系统设计与应用

李佳丹，詹 柴，王 凯，徐志豪

（宁波市农业科学研究院农村发展和信息研究所，浙江宁波 315040）

植物工厂作为一种通过高精度控制设施内生态环境的高效农业生产系统，成为破解自然资源紧缺现状、变革劳动关系、挣脱初级农业市场低迷困境的有力实践，也为现代都市人群开辟了一道通往自然、连结生态、关联科学的宝贵路径，引领未来农业的发展方向。近些年，植物工厂的普及率大幅提高，但也存在诸多问题，如投入成本高，包括初装成本、设施成本和物联网成本，还有运营和维护成本高，包括人工光源和环境控制等能耗大；其次是标准化、规范化程度低，集成度不高，增加了人工操作难度。目前市场上的规模化植物工厂基本处于亏损状态，主要靠政府补贴维持，产业化发展存在诸多瓶颈。

我国每年废弃的集装箱有30万个左右，若利用废弃的集装箱进行改造，打造城市微型植物工厂，投放在社区等城市公共空间及闲置空间，不但可以提高资源利用率，降低植物工厂建设和运行成本，还能突破城市用地局限，符合智慧农业、未来社区发展趋势和消费潮流，成为农业发展的新思路，前景广阔。相较于大型智慧温室，集装箱式植物工厂具有模块组合灵活、清洁安全、移动方便、投入门槛低、应用范围广等优势，且系统集成和产品组件模块化，便于运输和安装。本研究设计开发城市微型食用菌工厂，可用于种植银耳、蟹味菇、花菇等高附加值的菌类作物。这些菌类作物对温湿度和空气质量等环境要求非常严格，微型食用菌工厂能满足其在冬夏、炎热或寒冷区域的部署，实现从菌种到收割完全无人值守情况下的周年生产。

本研究为测试集装箱式食用菌工厂应用于食用菌栽培的适应性，选择鲜银耳开展栽培试验。鲜银耳是一种营养价值高的药食两用菌类，其含水量极高、组织脆嫩，但菌体外表缺少保护，极易产生水分损失、营养价值下降、微生物感染等问题，极大地限制了鲜银耳的储运、销售和消费[1-2]。因此，实现地产鲜银耳的周年持续稳定生产，不仅能够满足城市居民对安全高品质农产品的需求，而且能助推新鲜食用菌产业的可持续发展。

1 总体设计方案

城市微型食用菌工厂采用标准的40尺集装箱高柜进行改造，配置空调通风系统、栽培系统、补光系统、智能控制系统和物联网远程监测系统。采用定制菌棒进行食用菌种植，食用菌生长所需的养分由菌棒提供，集装箱内只需搭设栽培架和LED 补光单元，无需另外配置水肥系统。采用总线方式接入湿度传感器、空调模块、风机、集控面板、摄像头、气象站、空调面板、二氧化碳发生器、加湿器、智能空开等设备，并通过5G 边缘网关实现本地化的数据接入、设备识别、自动策略、记录保存，通过云存储实现云端集中管控、历史记录分析、智能策略下发等功能，空间设计如图1所示。

图1 集装箱食用菌工厂设计图

1.1 结构化数据和图像视频数据融合一体化

硬件配置包括5G 边缘主机、通讯模块、交换机、气象站、室内温湿度传感器、摄像头、空调模块、加湿器、风机和智能空开等，可实现数据实时监测、图片自动抓拍记录、实时浏览计入一体化融合接入，通过5G 实现云端同步进行实时控制和视频反馈，无需额外配置图像视频管理终端、数据采集存储服务器等。

1.2 多柜共享一个控制网关下的低延时管控

主机采用5G 边缘主机（NAYOTA 公司），集软硬件一体，采用浏览器访问平台，免除下载软件的步骤；满足多种协议类型，能够快速方便地接入各种类型设备，以及对接BIM、VR等平台，具有强大的兼容性和开放性；支持多机热备，自动切换，主机故障自动切换到备份主机；自定义数据清洗，具备上下行的私有协议二次开发功能。5G的应用实现云端同步进行实时控制和视频反馈，适应多个种植柜的高效数据传输和自动控制。

1.3 内置成长模型满足随时移动的快捷部署

通过5G 边缘网关，可以实时同步各种成长模型，并有效进行集中管控，满足未来多品类的生产策略及多级营销管控。

2 食用菌生产测试

银耳是一种优质的药食两用菌，其中所含有的活性成分银耳多糖可通过刺激效应使巨噬细胞分泌细胞因子，进而调节机体免疫系统和相关免疫通路，在免疫调节、降血糖、降血脂、抗癌和护肝等方面具有显著效果[3-4]。鲜银耳含水量高，具有较高的营养价值和较好的口感，产品附加值较高，但在采收后极易变质。银耳的生产周期为35～40 d，对栽培环境的敏感性强，目前的生产方式主要为小规模家庭作坊式栽培，但农户对环境条件的调控手段比较有限，需要频繁进入栽培房观察，仅凭经验和体感进行人工喷雾及开窗通风，管理不及时，常会出现银耳发育不良、畸形和病变等情况，甚至2～3 h 就可能出现大的生理性病变，导致栽培失败。本研究利用设计开发的5G 智能种植箱（见图2）通过场景设置实现设备批量控制、定时控制、循环控制。通过智能设置实现设备之间的条件控制、设备之间的联动控制、事件预警，在银耳不同生长阶段提供最适宜的成长环境。银耳选择菌株Tr21 品种，该品种深受江浙地区的消费者青睐，多熬汤食用。

图2 集装箱食用菌工厂外观图

2.1 生长数据库建设

2.1.1 Tr21银耳生长模型数据

古田银耳Tr21 是兴华真菌研究所从家栽香灰菌株1 号与家栽银耳芽孢分离单株02 号配对筛选得到的一个性状优良的变异单株[5]。Tr21 优良菌株全生育期35～42 d，具有朵形美、耳片较白、产量高、品质好、抗逆性强等优点，生物学转化率达134%，可作为银耳工厂化栽培的主要推广品种。Tr21 银耳多销往江浙地区用来熬汤食用，而东北地区消费者则偏爱将Tr01银耳凉拌。Tr21银耳生长模型数据库信息列于表1。

表1 Tr21银耳生长数据库

2.1.2 银耳生长环境数据

菌棒基质栽培银耳主要受温度、湿度、CO2浓度和光照四个环境因素的影响。菌棒放入集装箱食用菌工厂之后便进入出耳期，室温控制在23 ℃，需定时喷雾加湿，确保空气湿度维持在85%～93%，每天通风3～4次，每次20～30 min，光照以自然光为主。子实体展片期，室温控制在25 ℃，增加喷雾加湿频率，空气湿度控制在90%～95%，每日通风2～3次，光照以自然光为主。采收前7 d，室温控制在20～23 ℃，停湿造型，湿度控制在80%～85%，适当增加通风次数，每天4～5 次，通过LED灯适当补光[6]。银耳栽培的环境因素调控要求见表2。

表2 银耳栽培的环境因素调控

2.2 无人值守下的食用菌生产

该产品于2020 年8 月开展第一批银耳种植，投入300 根菌棒，每根菌棒出三朵菇。生产周期为2020 年8 月5 日至9 月6 日，出菇良好。银耳生产远程监控图像见图3。种植试验及运营结果表明，集装箱食用菌工厂可以成功用于食用菌生产，为城市微型植物工厂技术发展拓宽思路。

图3 银耳生产远程监控图像

3 商业化营销模式探讨

3.1 多功能产品开发

针对不同应用场景，以集装箱式植物工厂为核心载体，开发多种集装模块化组合栽培设施，以种植为主要功能做加法，如搭载休闲水吧、咖啡吧和观景台等休闲空间，还能进行家居、办公、商业、种植实验室的融合，满足细分市场的差异化需求。同时，不断优化节能设施装备的集成应用，通过加载太阳能光伏板、雨水蓄水，降低投入和运行成本，实现零消耗、零能耗的无人值守系统，推动集装箱植物工厂的产业化、智能化、多功能化、可定制化发展。

3.2 多品类种植策略

集装箱食用菌工厂全封闭或半封闭的生产环境可以有效防止害虫和病原菌的入侵，减少杀虫剂、杀菌剂等化学农药的使用，确保食用菌的安全，满足都市居民对绿色、安全、高品质农产品的需求。在银耳自动化生产模型的基础上，拓展金针菇、蟹味菇、花菇、白玉菇等食用菌品类，在网关引入AI 控制模型，满足多品类的种植策略。

3.3 多场景推广应用

随着社会的发展、人民生活水平的提高，社区新鲜直售、教学实验、科研科普、休闲体验及园艺康养的需求旺盛。利用城市微型食用菌工厂实现城市居住环境下的智慧种植，简化种植养护过程，高效利用空间，满足都市人群的多功能需求。同时可实现远洋货轮、边防哨所、高山海岛、海军舰艇等场景的周年高效稳定产出，满足少量群体的新鲜植物自给需求，具有重要的经济和战略意义。