基于Arduino和SIM900的現(xiàn)代化中藥農(nóng)場遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)的研究

劉瑤萍　蔡靚　張俊　倪紅梅　楊旭明

摘要：針對目前我國落后的中藥種植管理模式，本文借助于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出一種應(yīng)用于現(xiàn)代化農(nóng)場參數(shù)無線監(jiān)測管理系統(tǒng)。我們以寧夏拓明農(nóng)場為實踐對象，遠(yuǎn)程監(jiān)控管理種植的板藍(lán)根、甘草、黃芪三種中藥植物。通過在農(nóng)場內(nèi)安裝的各種特征傳感器，將需要獲取的特征信息遠(yuǎn)程傳送到管理人員的手機、電腦等電子設(shè)備上，由此管理人員就能在任何地方隨時隨地的把握農(nóng)場的各種情況，以便通過手機、電腦反饋控制農(nóng)場各類自動化設(shè)備的操作，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理現(xiàn)代化中藥種植農(nóng)場的目的。同時，通過將采集的數(shù)據(jù)信息構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，進行信息融合分析。最終實現(xiàn)中藥生產(chǎn)和管理的信息化和數(shù)字化以及自動化，促進中藥生產(chǎn)的現(xiàn)代化和規(guī)?；?。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；遠(yuǎn)程管理；中藥種植

1前言

近年來，遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的研究十分熱門。它起源于20世紀(jì)末西方國家提出的"數(shù)字農(nóng)業(yè)"思想，是結(jié)合了GIS、GPS技術(shù)、智能決策系統(tǒng)、自動控制理論的一種現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式。據(jù)報道，截止2013年已有中藥材種植面積達(dá)110萬畝，有20余萬農(nóng)民從事中藥產(chǎn)業(yè)，約1/4的農(nóng)田種植藥材。今天，中藥材生產(chǎn)已經(jīng)成為亳州農(nóng)業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)。盡管種植中藥材的面積大，品種多，但卻存在著種植以散戶為主、技術(shù)低下，操作不規(guī)范，偏面追求產(chǎn)量和效益，忽視質(zhì)量等問題。亳州種植中藥材的問題在全國有普遍性。中藥種植屬于高風(fēng)險行業(yè)，天氣、病蟲害、化肥和農(nóng)藥價格、油價、市場需求等因素都會影響收成。所以運用信息化手段管理農(nóng)場將成為了一個趨勢和向?qū)А?/p>

2現(xiàn)代化中藥農(nóng)場管理系統(tǒng)基本框架

整個物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用可以分為三層，見表1。

本系統(tǒng)由各種特征傳感器構(gòu)成一個微型監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點上使用中央控制器對所需要監(jiān)測的植物生命指標(biāo)、環(huán)境指標(biāo)等傳感器進行控制來采集數(shù)據(jù)。通過SIM900無線接發(fā)模塊和Arduino Yun模塊二種聯(lián)網(wǎng)方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至終端設(shè)備，并由該設(shè)備將數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)絡(luò)上，通過網(wǎng)絡(luò)可將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，由專業(yè)人員對數(shù)據(jù)進行分析統(tǒng)計，提供必要的咨詢服務(wù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程管理。

3系統(tǒng)技術(shù)關(guān)鍵

3.1遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)

3.1.1遠(yuǎn)程監(jiān)控控制端介紹 本系統(tǒng)的一大優(yōu)點就是在于其便利的遠(yuǎn)程監(jiān)控，共有兩種方式。

一種是基于"ArduinoYun模塊"聯(lián)網(wǎng)方式的監(jiān)控（簡稱"網(wǎng)頁端"），該方式的好處就在于可以很方便的查看和控制。我們采用的Arduino Yun主板，自帶路由器（即無線傳輸功能），將傳感器采集到的信息傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)，同時移動電子設(shè)備（包括筆記本電腦、ipad、手機等一切可上網(wǎng)的設(shè)備）連接到互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。就可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理操作。

該方法非常便捷使用，不限制于所使用的設(shè)備，對比手機App或PC端軟件的好處是：免去了下載安裝，避免換設(shè)備時因沒有安裝而不能使用的情況；同時網(wǎng)頁端的操作不受電子設(shè)備本身操作系統(tǒng)的影響（無論是安卓或IOS平臺都可以使用），省去了開發(fā)App時需要兼顧系統(tǒng)平臺的問題。

另外，考慮到系統(tǒng)的安全性，我們在使用網(wǎng)頁端時，設(shè)置了用戶名和密碼進行加密保護，避免有其他人員的使用。

目前已經(jīng)可以完成：自動灌溉、實時溫濕度獲取、實時圖像獲取、檢測入侵、系統(tǒng)自動報警等。

操作界面，見圖1。

圖1 "網(wǎng)頁端"在電腦操作界面示意圖

在"網(wǎng)頁端"的電腦操作界面上，還可切換數(shù)據(jù)視圖，如：折線圖、柱狀圖、文本數(shù)據(jù)。同時設(shè)計有圖片保存功能，可將所需要的數(shù)據(jù)以圖片格式保存。

同時，將這些采集到的數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫，為后期研究作準(zhǔn)備（詳見技術(shù)關(guān)鍵信息整合部分）。

另一種則是基于"SIM900模塊"的聯(lián)網(wǎng)方式（簡稱"手機端"），它是基于電話撥號、短信功能。可以在沒有無線網(wǎng)絡(luò)的狀況下使用，保證了單一故障情況下系統(tǒng)的可靠性。由現(xiàn)場的傳感器實時監(jiān)測當(dāng)時的溫濕度、光強等環(huán)境數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)通過無線接發(fā)模塊SIM900定時發(fā)送到管理人員的手機上?；蛐柚鲃硬樵儠r，即通過撥號到指定號碼，隨后可以短信形式接收到實時的農(nóng)場參數(shù)信息（T為溫度、H為濕度、L為光強），

目前已完成的有：短信接收溫濕度、光照度、有無人員闖入等信息，見圖2。

圖2 "手機端"系統(tǒng)工作流程圖

3.1.2遠(yuǎn)程監(jiān)控功能介紹 遠(yuǎn)程監(jiān)控主要可實現(xiàn)以下4方面的功能：①實時數(shù)據(jù)檢測：主控制器定時輪詢傳感器節(jié)點，檢測環(huán)境實時數(shù)據(jù)，包括實時圖像、溫度、濕度、光照等數(shù)據(jù)，將信息存儲到主控器的芯片卡中，用于后期環(huán)境數(shù)據(jù)的記錄，同時建立數(shù)據(jù)庫，實時獲取檢測數(shù)據(jù)的信息，便于計算機完成對數(shù)據(jù)處理和分析。②系統(tǒng)自動報警：當(dāng)主控制器檢測到本地監(jiān)控參數(shù)，會對數(shù)據(jù)進行分析，如果監(jiān)控參數(shù)達(dá)到報警閾值，主控制器將根據(jù)預(yù)警方案向控制中心發(fā)送報警信息，從而提醒管理者，隨后可立即采取相應(yīng)措施。以板藍(lán)根為例，當(dāng)溫度超過25℃，土壤濕度超過80%時，系統(tǒng)就會自動報警提示，見圖3。③入侵檢測：系統(tǒng)可以根據(jù)人體紅外傳感器進行入侵檢測。當(dāng)有動物或人員進入檢測范圍內(nèi)（5～7m），系統(tǒng)將會發(fā)送短信提示管理者。同時觸發(fā)蜂鳴器工作，發(fā)出警報聲意圖趕走入侵者并提示現(xiàn)場人員采取相應(yīng)措施。④反饋控制：用戶可以通過手機發(fā)送相關(guān)控制命令到主控制器，主控制器接收到指令后會根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則采集相應(yīng)數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)信息反饋至用戶終端。如用手機或電腦遠(yuǎn)程"開啟/關(guān)閉"農(nóng)場的自動灌溉裝置等。

圖3 自動報警示意圖（紅色字為報警提示）

3.2硬件平臺選擇 在硬件選擇上，我們采用當(dāng)今比較流行的開源硬件-Arduino。Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，包含硬件（各種型號的Arduino板）和軟件（Arduino IDE）。

Arduino是一個基于開放原始碼的軟硬件平臺，構(gòu)建于開放原始碼simple I/O介面版，并且具有使用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境。

3.3傳感器的選擇 傳感器采集中藥植物各種生長參數(shù)，這些參數(shù)將通過下位機進行數(shù)據(jù)處理及融合，通過無線數(shù)據(jù)傳輸將數(shù)據(jù)發(fā)送到終端節(jié)點并由Internet發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，為管理人員提供各種重要的生長參數(shù)變化，幫助他們實時監(jiān)測遠(yuǎn)端中藥植物的生長狀況，并可以及時地采取相應(yīng)措施。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的點框圖和處理器單元如下圖所示：

圖4 點框圖和處理器單元示意圖

對于該系統(tǒng)，我們將采用如下的傳感器：①光強度-BH1750；②溫濕度-SHT1x和SHT11；③生長情況-東芝MJPG UVC 720P高清攝像頭；④人體紅外感應(yīng)模塊--HC-SR501；⑤有源蜂鳴器--AC-S701。

3.4充電技術(shù)與功耗 充電技術(shù)我們將采用太陽能充電的形式，但是太陽能充電的電流過小，不能很快速的充滿一節(jié)鋰電池，所以在系統(tǒng)中我們將加入低功耗模式。即傳感部分及數(shù)據(jù)處理部分將采每隔一段時間采集并上傳數(shù)據(jù)的形式，而非循環(huán)采集。

在設(shè)備喚醒上，我們優(yōu)先采用WDT看門狗進行喚醒。

3.5數(shù)據(jù)獲取--建立數(shù)據(jù)庫 對于由分布在農(nóng)場中的各個傳感器裝置采集到的數(shù)據(jù)資料，通過電腦將這些數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。另外，作為備份，采用在軟件中建立數(shù)據(jù)庫和在Arduino YUN硬件中放置儲存芯片記錄實時檢測數(shù)據(jù)。

4總結(jié)與展望

在傳統(tǒng)人工逐漸被代替的今天，中藥材生產(chǎn)必須徹底打破小農(nóng)經(jīng)濟的模式，走規(guī)?；?guī)范化的改革道路，引進高科技先進的管理模式和技術(shù)。故我們所設(shè)計的"現(xiàn)代化農(nóng)場遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)"是符合當(dāng)下改革潮流趨勢的，本系統(tǒng)有助于推動中藥種植的發(fā)展、質(zhì)量控制與普及提高，并朝著客觀化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化方向邁上新臺階，對推動中醫(yī)藥事業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化、現(xiàn)代化具有深遠(yuǎn)的意義。

參考文獻：

[1]陳呂洲.Arduino程序設(shè)計基礎(chǔ)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[2]徐小龍.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用[R].南京郵電大學(xué).

[3]楊林楠.三化螟、斑潛蠅發(fā)生預(yù)測模型研究與應(yīng)用[D].電子科技大學(xué)博士論文.

[4]曾新平.淺談遠(yuǎn)程監(jiān)控?zé)o線通訊方式的選擇[J].中小企業(yè)管理與科技，2015（20）.

[5]馬志欣.譚峰.侯召龍.基于Andriod的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].農(nóng)機化研究，2015（3）.編輯/丁一