溫室雙孢菇栽培智能噴淋裝置的設計與試驗.pdf

溫室雙孢菇栽培智能噴淋裝置的設計與試驗 趙向鵬1 王榮先2 姬江濤1 1 河南科技大學農(nóng)業(yè)裝備工程學院 河南洛陽 471003 2 洛陽理工學院機械工程學院 河南洛陽 471023 摘 要 針對當下我國食用菌工廠無法實現(xiàn)對基質(zhì)濕度的自動化精細管控問題 設計了溫室自動噴淋控制裝 置 根據(jù)水路管道工作設計原理 應用自動化控制技術(shù) 結(jié)合土壤溫濕度傳感器的檢測信號 構(gòu)成自動化噴淋系 統(tǒng) 實現(xiàn)了對雙孢菇的智能化噴淋施水 與人工施水的對比試驗顯示 以自動控制噴淋系統(tǒng)作為施水手段的雙 孢菇栽培區(qū)域含水量更加均勻 水分含量上下波動幅度更加平穩(wěn) 能夠促進雙孢菇的出菇數(shù)量和發(fā)育品質(zhì) 出 菇采摘后統(tǒng)計顯示的 在動噴淋裝置區(qū)域 雙孢菇出菇量提高9 13 產(chǎn)量提高20 3潮菇期采收后整體水分 利用效率是人工施水區(qū)域的1 6倍左右 試驗驗證了自動噴淋系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性 可為后期結(jié)合作物模型 構(gòu)建智能化菌類工廠提供科學依據(jù) 關(guān)鍵詞 雙孢菇 自動噴淋裝置 溫室 水分利用效率 中圖分類號 S275 5 文獻標識碼 A文章編號 1003 188X 2022 12 0187 05 0 引言 我國是人口大國 人均資源匱乏 且水資源的利 用效率尤顯重要 1 2 在農(nóng)業(yè)灌溉方面 農(nóng)作物的傳 統(tǒng)澆灌方式為自然降雨結(jié)合人工灌溉 管理粗放 水 分利用效率不高 國外研究多數(shù)以土壤水分上限 下 限值管控作為主要因素進行灌溉系統(tǒng)設計 還會結(jié)合 其他次要因素 如水分蒸發(fā)量 空氣濕度和光照強度 等 在歐美 以色列等國家 精細微噴 滴管等技術(shù)的 發(fā)展和應用大大提高了水資源的利用效率 以色列 結(jié)合本土氣候特點與當?shù)厮Y源匱乏的現(xiàn)狀 大力推 行土層精細施水技術(shù) 3 針對不同作物的生理特性 做到全育期動態(tài)變量供水 節(jié)約水資源的同時提高了 農(nóng)作物的產(chǎn)量與產(chǎn)出品質(zhì) 水資源的利用效率達到了 90 以上 與大田作物受氣候 地區(qū) 生物影響 降水 量不定因素影響不同 設施類作物可以由環(huán)境控制技 術(shù)及裝備實現(xiàn)定量 動態(tài)控制 且有發(fā)育期短 水肥要 求高 3 需多次采摘的特點 設施作物溫室栽培中 結(jié)合智能微灌技術(shù)能更好地體現(xiàn)價值 4 6 在作物生 長和發(fā)育過程中 水分調(diào)控能夠帶來很大的經(jīng)濟效 益 具體表現(xiàn)為減少病蟲害的發(fā)生 提高產(chǎn)品質(zhì)量 收稿日期 2021 01 10 基金項目 國家自然科學基金面上項目 51975186 國家重點研究與 發(fā)展計劃項目 2016YFD0701802 作者簡介 趙向鵬 1995 男 河南洛陽人 碩士研究生 E mail xpgw9678 163 com 通訊作者 姬江濤 1965 男 河南洛陽人 教授 博士生導師 E mail jjt0907 163 com 縮短整個作物發(fā)育期時間和節(jié)省資源 雙孢菇生長發(fā)育所需的水分絕大部分從培養(yǎng)基 料中獲得 菌絲在降解基質(zhì)和吸收營養(yǎng)的過程都要以 水分為介質(zhì) 基料含水量低于50 時 菌絲生長緩 慢 子實體表面暗無光澤 質(zhì)量減少 導致品質(zhì)降低 基料含水量高于75 時 透氣性低 菌絲得不到足夠 的氧氣 導致呼吸作用下降 子實體易出現(xiàn)紅根 銹斑 等現(xiàn)象 7 10 基質(zhì)水分是雙孢菇最重要的環(huán)境因子 之一 整個培育過程都需要保持環(huán)境濕度和基質(zhì)濕度 在適宜范圍 需要及時補充水分 在菌類工廠中 往 往采用人工噴灑施水方式 工作量大 且不能精細控 制和計算施水量 11 13 菌類作物生長對菇房環(huán)境要 求較高 人員頻繁進出菇房 增加了攜入雜菌的風險 通過智能噴淋裝置的設計和應用 將菇房和人員操作 控制室分離 能夠?qū)崿F(xiàn)雙孢菇的全育期環(huán)境監(jiān)測與管 理 因此 針對菌菇類生長環(huán)境 開發(fā)智能噴淋管控 系統(tǒng)有著重要的意義 1 雙孢菇溫室概況 雙孢菇溫室實驗室由兩部分組成 即栽培菇房和 控制室 菇房尺寸為3m 7m 內(nèi)部有寬1 4m 長6m 的菇床 菇床分為3層 控制室內(nèi)有環(huán)境控制器和土 壤水分控制器如圖1所示 菇房內(nèi)的其他環(huán)境因子 如CO2濃度 空氣溫度 與濕度 由自研的環(huán)境管控系統(tǒng)調(diào)整控制 根據(jù)雙孢 菇高產(chǎn)栽培技術(shù) 14 結(jié)合當?shù)仄髽I(yè)管理經(jīng)驗 將菇房 內(nèi)溫度控制為18 20 空氣濕度調(diào)節(jié)為85 781 2022年12月 農(nóng)機化研究 第12期 90 根據(jù)雙孢菇的生長特性 15 即菌絲生長期 覆 土發(fā)菌 好氧 濃度小于0 5 在子實體生長發(fā)育時 期 結(jié)菇期 維持期 結(jié)菇期 二氧化碳濃度控制在 0 1 以下 1 基質(zhì)含水率控制器 2 可視窗口 3 空調(diào)出口 4 環(huán)境溫度 CO2濃度控制裝置 5 出風口 6 菇床 菇架 7 管路 8 加濕裝置與濕氣出口管 圖1 雙孢菇溫室總體結(jié)構(gòu)圖 Fig 1 General structure of Agaricusbisporus greenhouse 雙孢菇的整個栽培過程中 根據(jù)不同生長階段的 需水特點 對環(huán)境空氣濕度 通風量和基質(zhì)含水程度 的要求各不相同 在菇房完成上料工序后 開啟環(huán)境 控制系統(tǒng) 進行菇房的環(huán)境管控 在覆土完成 菌絲 發(fā)育后的壓菌期間 平均每平方米菇床噴水1L 早晚 各1次 使土層厚度浸水1 2左右 在結(jié)菇期間 根據(jù) 根據(jù)培養(yǎng)料和覆土層的實際含水情況控制施水 平均 每平方米需水3L 分4次噴淋 到覆土層濕透且無水 分下滲為止 在雙孢菇維持期間 保持室內(nèi)濕度90 左右 以覆土層濕潤為準 在雙孢菇出菇階段 施水方 式和結(jié)菇期間施水相同 噴水在兩期潮菇期間 水量 要足 平均每平方米施水2L 將土壤水分傳感器插入 培養(yǎng)基料內(nèi) 通過TDR時域反射測定原理測得培養(yǎng)基 含水率 連入菇房環(huán)境控制系統(tǒng)后 可在控制室內(nèi)實 時顯示土壤濕度信息 2 噴淋系統(tǒng)設計與試驗 噴淋裝置整體主要由3部分組成 包括水源 管 路網(wǎng)和末端噴頭裝置 檢測傳感器用于測量基質(zhì)的 溫度與濕度 2 1 水源及管網(wǎng)設計 菇房實驗室內(nèi)安置一個5m3的水箱與水管相連 水箱頂部有水滿自動閉合的閥門 箱內(nèi)底部安置 QJD15 40 4 1 85潛水泵 流量15m3 h 揚程30m 口徑50mm 潛水泵后連接2寸疊片式過濾器 過濾 器前后連接有逆止閥 進排氣閥 限壓閥 泄水閥和點 接點壓力表 采用PE材質(zhì)的管材作為噴淋系統(tǒng)的干 管 直徑50mm 和支管 直徑20mm 在支路端口安 裝小型過濾器和2s200 20 pt3 4 DN20型號電磁閥 電磁閥門控制開關(guān)和水泵磁力開關(guān) cjx 20910 220v 50Hz 集成的控制箱安置在與菇房間隔的控制 室內(nèi) 因菇房內(nèi)要求環(huán)境無菌程度較高和空氣濕度較 大 所以將集成的控制裝置都安放在控制室內(nèi) 噴淋裝置的毛管選用PVC材質(zhì) 直徑為6mm 噴頭選用框架折射噴頭 技術(shù)參數(shù)為 工作壓力 0 3MPa 射程1 3m 流量60L h 溫室噴淋區(qū)域分配 及管網(wǎng)設計圖如圖2所示 圖2 溫室噴淋區(qū)域分配及管網(wǎng)設計圖 Fig 2 Distribution and pipe network design of greenhouse spray area 噴頭處流量壓力關(guān)系為 q1 ahx 0 686h0 53 其中 q1為噴頭實際流量 m3 h a為流量指數(shù) h為水位高度 m x為流態(tài)指數(shù) 在菇房中 干管沿著菇架直角鋪設 在每層菇床 上端連接干管 干管略高于每層菇床 從支管引出毛 管 毛管平鋪在菇床層架上 一支毛管上分布3個旋 轉(zhuǎn)噴頭 噴頭間隔段毛管套上PV材質(zhì)管 保護毛管 2 2 系統(tǒng)控制部分設計 系統(tǒng)主要由PLC 土壤溫 濕度傳感器 數(shù)電轉(zhuǎn)換 模塊 預警裝置和安全保護裝置構(gòu)成 工作原理如圖3 所示 圖3 自動噴淋控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 Fig 3 Hardware structure of automatic spray control system 881 2022年12月 農(nóng)機化研究 第12期 2 3 數(shù)據(jù)處理 試驗使用Excel2016軟件進行數(shù)據(jù)記錄和統(tǒng)計 使用Origin2017軟件進行數(shù)據(jù)處理和繪圖 3 試驗與結(jié)果分析 3 1 試驗設計 試驗于2020年9月在河南科技大學智慧菌廠進 行 基料選用奧吉特公司生產(chǎn)的 奧吉1號 在雙孢 菇的栽培過程中 根據(jù)雙孢菇栽培工藝 整個過程空 氣濕度溫度與二氧化碳通風量由環(huán)境控制系統(tǒng)調(diào)控 數(shù)據(jù)如圖4所示 根據(jù)對比試驗的要求 采用同樣規(guī) 模的基料 分別安置在菇床的上下層 保持整個溫室 通風 溫度 濕度相同 將試驗區(qū)域劃分為人工 自動 噴淋兩片區(qū)域 通過對比噴淋施水和傳統(tǒng)人工施水 的整個過程中土壤基質(zhì)含水率 耗水量和雙孢菇產(chǎn)量 的變化 來判斷整個噴淋系統(tǒng)的節(jié)水效率和實際 效果 圖4 溫室相對環(huán)境參數(shù)圖 Fig 4 Relative environmental parameters of greenhouse 3 2 不同施水方式下基質(zhì)含水率變化 雙孢菇的整個栽培過程中 通過土壤溫濕度傳感 器記錄每天的土壤含水率信息 保留每天的平均值 其中 人工施水和自動噴淋兩片試驗區(qū)域各自隨機選 取不同的兩個采樣點a和b 整體記錄如圖5所示 圖5 基質(zhì)含水率變化圖 Fig 5 Variation of matrix moisture content 由圖5可知 在覆土后的5天內(nèi) 人工施水和自動 噴淋系統(tǒng)施水處理的區(qū)域中 基質(zhì)含水率都有較大的 波動 隨著天數(shù)增加 自動噴淋區(qū)域基料含水率趨于 穩(wěn)定 維持在65 70 區(qū)間內(nèi) 采用傳統(tǒng)人工施水操 作的區(qū)域內(nèi) 整個過程的基料含水率變化幅度更大 較難趨于穩(wěn)定 每次施水后含水率都有顯著的增加 后又隨時間推移而降低 同一個試驗區(qū)域內(nèi)不同采 樣點a b處含水率相比 采用人工施水的區(qū)域內(nèi) 兩 處采集點同一天內(nèi)數(shù)值差距較大 采用自動噴淋裝置 的區(qū)域內(nèi) 同一時間兩處采集樣點的數(shù)值差異在覆土 后前10天較為明顯 而在隨后天數(shù)內(nèi)數(shù)據(jù)值差異不 明顯 自動噴淋裝置與人工施水相比 整個區(qū)域內(nèi)含 水率差距更小 施水更加均勻 有助于整體雙孢菇的 生長發(fā)育 3 3 不同施水方式下雙孢菇品質(zhì)與質(zhì)量 在雙孢菇出菇階段 對兩處試驗區(qū)域內(nèi)病斑菇 開傘菇 畸形菇和總出菇數(shù)量進行采集統(tǒng)計 結(jié)果如 圖6所示 圖6 雙孢菇采收品質(zhì)統(tǒng)計圖 Fig 6 Statistical chart of harvesting quality of Agaricusbisporus 由圖6可知 在保證其他環(huán)境因子相同的情況 下 采用自動噴淋裝置區(qū)域與傳統(tǒng)人工施水區(qū)域相 比 產(chǎn)菇總數(shù)量增加9 13 自動噴淋裝置試驗區(qū)域 內(nèi) 施水更加均勻 區(qū)域含水率差值更小 區(qū)域面積利 用率高 相比于傳統(tǒng)人工施水易造成局域水分過多或 過少 不利于出菇 與自動噴淋試驗區(qū)域相比 采用 人工施水的成品菇中畸形菇 開傘菇和病斑菇的數(shù)量 都顯著增加 水分過多或過少易造成菇蓋表面產(chǎn)生 病斑 在雙孢菇的動態(tài)發(fā)育過程中 不同階段保持基 質(zhì)含水率的穩(wěn)定 能夠減少雙孢菇畸形發(fā)育概率 另 外 人工施水需要工人頻繁進出菇房 增加攜入雜菌 的風險及雙孢菇的發(fā)病概率 從整體雙孢菇產(chǎn)出優(yōu) 質(zhì)菇率來看 人工施水區(qū)域為83 9 自動噴淋裝置 區(qū)域為95 2 優(yōu)質(zhì)菇率有顯著提高 981 2022年12月 農(nóng)機化研究 第12期 3 4 不同施水方式下產(chǎn)量與水分利用效率 對比兩種施水處理后雙孢菇3次潮菇產(chǎn)出量 耗 水量及水分利用效率的變化 結(jié)果如表1所示 表1 不同施水方式下區(qū)域產(chǎn)量與水分利用效率 Table 1 Regional yield and water use efficiency under different water application methods 處理 產(chǎn)量 kg m 2 耗水量 mm 水分利用效率 kg mm 1 m 2 自動噴淋 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 總體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 總體24 06 1480 0 0160 由表1數(shù)據(jù)分析可知 采用自動噴淋裝置和人工 施水兩種不同的施水方案 雙孢菇的整體產(chǎn)量具有顯 著差異 且第2潮菇和第3潮菇內(nèi)產(chǎn)量對比差值尤為 顯著 從采收的情況對比來看 采用自動噴淋裝置有 著明顯優(yōu)勢 自動噴淋下試驗區(qū)域雙孢菇產(chǎn)量一直高 于人工施水區(qū)域 且最大差距可達1 3倍 隨著基料 養(yǎng)分的消耗 第1潮菇至第3潮菇產(chǎn)量呈遞減的現(xiàn) 象 人工施水區(qū)域產(chǎn)量遞減程度更大 采用科學統(tǒng)計 的自動噴淋裝置 能夠一定程度上保證基質(zhì)內(nèi)養(yǎng)料的 充分利用 在第1潮菇內(nèi) 采用自動噴淋裝置的區(qū)域 與人工施水區(qū)域相比 產(chǎn)量略有增加的情況下耗水量 略有下降 水分利用效率有了提升 在第2 第3潮菇 期內(nèi) 人工施水區(qū)域的產(chǎn)量快速下降 但人工經(jīng)驗施 水過程施水量沒有同時減少 相比自動噴淋區(qū)域水分 利用效率有了成倍的降低 綜合3潮雙孢菇的整體 情況來看 采用自動噴淋裝置的區(qū)域產(chǎn)量相比人工施 水區(qū)域提高了1 2倍 同時耗水量顯著降低 水分利 用效率提高了1 6倍 4 結(jié)論 1 在雙孢菇智能栽培溫室的現(xiàn)有環(huán)境管控裝置 基礎上 設計構(gòu)建了一套自動噴淋調(diào)控系統(tǒng) 在不同 時間段將基質(zhì)含水率的上限值和下限值編寫入寄存 器內(nèi) 可實現(xiàn)雙孢菇整個全育期內(nèi)基質(zhì)濕度 溫度的 信息采收和自動調(diào)控 自動噴淋系統(tǒng)能夠為溫室的 無人化 智能化建設提供有力支持 且在后期管護運 用中能夠高效利用水資源 發(fā)揮持久的經(jīng)濟效益 2 自動噴淋系統(tǒng)施水過程更加均勻 隨著栽培天 數(shù)的增加能夠有效控制基質(zhì)含水率波動幅度 促進雙 孢菇的結(jié)菇和生育期品質(zhì)發(fā)育 對比人工施水區(qū)域 自動噴淋控制區(qū)域雙孢菇每平方米出菇數(shù)量提高 9 13 產(chǎn)量提高約20 人工施水增加人工勞力成 本負擔并提高攜入雜菌的風險 雙孢菇的優(yōu)質(zhì)菇率在 人工施水和自動噴淋區(qū)域下分別為83 9 和95 2 采用自動噴淋系統(tǒng)區(qū)域水分利用效率高于人工施水 區(qū)域 效果顯著 在3潮菇全部采收結(jié)束后統(tǒng)計表 明 水分利用效率提升1 6倍 參考文獻 1 李彤 高世銘 張朝巍 不同灌水處理對日光溫室雙孢菇 的生長及水分利用效率的影響 J 甘肅農(nóng)業(yè)大學學報 2006 41 6 53 57 2 張芮 王旺田 吳玉霞 水分脅迫度及時期對設施延遲栽 培葡萄耗水和產(chǎn)量的影響 J 農(nóng)業(yè)工程學報 2017 33 1 155 161 3 許健 張芮 黃彩霞 設施葡萄不同生育期水分脅迫對產(chǎn) 量和水分利用效率的影響 J 中國農(nóng)業(yè)大學學報 2019 24 4 43 51 4 杜昌戰(zhàn) 雙孢菇高產(chǎn)高效生產(chǎn)及栽培技術(shù) J 農(nóng)業(yè)與技 術(shù) 2018 38 13 47 48 5 賈國軍 高職食用菌栽培技術(shù)課程教學改革探究 J 現(xiàn) 代職業(yè)教育 2019 24 66 67 6 張兆朋 雙孢菇溫室監(jiān)控系統(tǒng)的設計 J 電子世界 2019 21 129 130 133 7 劉持勇 農(nóng)村雙孢菇栽培技術(shù)關(guān)鍵要點分析 J 南方農(nóng) 機 2018 49 20 91 92 8 侯俊 李亞男 李超 雙孢菇高產(chǎn)栽培關(guān)鍵技術(shù) J 遼寧 農(nóng)業(yè)科學 2016 6 87 88 9 李建明 潘銅華 王玲慧 等 水肥耦合對番茄光合 產(chǎn)量 及水分利用效率的影響 J 農(nóng)業(yè)工程學報 2014 10 82 90 10 周艷寶 戴劍鋒 林琭 等 水分對日光溫室獨本菊外觀 品質(zhì)影響的模擬 J 農(nóng)業(yè)工程學報 2009 25 6 204 209 11 Dahi IS 孫耀邦 根據(jù)土壤飽和含水率測定其田間持水 量 凋萎點和有效持水量的統(tǒng)計方程 J 壤學進展 1990 18 6 47 49 12 馮煒 紀奕才 沈紹祥 等 測試土壤含水率和電導率的 時域反射儀系統(tǒng) J 農(nóng)業(yè)機械學報 2009 5 59 63 13 周凌云 陳志雄 李為民 TDR法測定土壤含水量的標定 研究 J 土壤學報 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 農(nóng)機化研究 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 form 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 uniform 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頁 18 李陽 陳玉龍 胡斌 等 甜菜頂部物理機械特性的測定研究 J 農(nóng)機化研究 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 農(nóng)機化研究 第12期