基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能中藥種植系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馬　健

（亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，安徽　亳州　236800）

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基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能中藥種植系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馬健

（亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，安徽亳州236800）

摘要：為了提高中藥種植的產(chǎn)量以及降低種植成本，文章選用適合亳州中藥種植品種的白芍為基礎(chǔ)，并且由中藥種植專業(yè)合作社和農(nóng)業(yè)局專家協(xié)助種植，通過部署感測裝置與Android手持裝置上的應(yīng)用程序互動，接收感測數(shù)據(jù)與下達(dá)控制指令，實(shí)時(shí)監(jiān)控中藥種植的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)合嵌入式感測裝置與手持裝置建立監(jiān)測中藥生長環(huán)境的架構(gòu)，得到實(shí)際環(huán)境產(chǎn)生的溫度、降雨量等數(shù)值并進(jìn)行分析，為中藥生態(tài)環(huán)境和生長過程提供一定的數(shù)據(jù)支持，有助于提升中藥材精細(xì)耕作智能化水平和產(chǎn)量及質(zhì)量的提高。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；中藥種植；白芍；智能

亳州是中華四大藥都之一，每年供應(yīng)全國的藥材的種類有上千種，種植的藥材在供應(yīng)量占藥材使用總量的70%以上，種植的藥材也稱為我國藥材的主要來源。中藥材的生長環(huán)境涉及溫度、水分、土壤、陽光、二氧化碳以及其他養(yǎng)分因素，這些因素影響中藥材的產(chǎn)量和質(zhì)量［1］。傳統(tǒng)的種植藥材浪費(fèi)了大量的人力、物力，隨著天氣等環(huán)境的變化，對藥材的生長有這具體的影響，為了能夠科學(xué)地管理和種植中藥材，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到中藥材種植上，提高中藥材種植的產(chǎn)量和質(zhì)量。

本研究主要是建立一個(gè)科技與農(nóng)業(yè)結(jié)合的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合亳州地道藥材白芍進(jìn)行管理，并通過科學(xué)的種植方式協(xié)助新一代農(nóng)戶由各項(xiàng)農(nóng)業(yè)技術(shù)信息的數(shù)據(jù)庫對中藥材進(jìn)行分析控管，并通過終端設(shè)備控制管理中藥材生長期間溫度、濕度、光照等環(huán)境指標(biāo)、種植方法、等重要信息進(jìn)行遠(yuǎn)程管控，使技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)?zāi)苡行У膫鞒?，并設(shè)計(jì)一套智能中藥種植監(jiān)控系統(tǒng)。

1　物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能中藥種植

目前農(nóng)村人口結(jié)構(gòu)高齡化，許多務(wù)農(nóng)人員都進(jìn)城打工，農(nóng)村剩余勞動力大部分都是老年人，缺少傳統(tǒng)耕種的繼承者，依照個(gè)人經(jīng)驗(yàn)耕作而使得市場上農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊、耕作技術(shù)無法有效地傳授進(jìn)而導(dǎo)致技術(shù)傳承不易等問題，本系統(tǒng)通過農(nóng)業(yè)專業(yè)人士提供的各項(xiàng)種植技術(shù)與信息，定期通過專人統(tǒng)一管理并儲存至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，不僅能適用于多種中藥材種植，而且可通過終端設(shè)備取得數(shù)據(jù)庫內(nèi)的各種中藥材的生長期間溫濕度光照等環(huán)境指標(biāo)、種植方法等重要信息提供于用戶進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)，不僅能讓入行新人快速入門，供使用者通過終端設(shè)備進(jìn)行技術(shù)上的學(xué)習(xí)及周期性指導(dǎo)，使技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)?zāi)苡行У膫鞒小?/p>

2　系統(tǒng)開發(fā)相關(guān)技術(shù)

2.1嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)（Embedded System），根據(jù)英國電機(jī)工程師協(xié)會（U.K. Institution ofElectrical Engineer）的定義，嵌入式系統(tǒng)是一種完全嵌入受控器件內(nèi)部，為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，為控制、監(jiān)視、輔助各種設(shè)備、機(jī)器、工廠運(yùn)作的裝置，是為特定功能所設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)［2］。與個(gè)人計(jì)算機(jī)這樣的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不同，嵌入式系統(tǒng)通常執(zhí)行的是帶有特定要求的預(yù)先定義的任務(wù)。由于針對特定功能進(jìn)行開發(fā)，整合需要的硬件資源進(jìn)行設(shè)計(jì)，能降低所需要硬件成本，并且在軟件開發(fā)過程能針對硬件調(diào)整以獲得系統(tǒng)的優(yōu)化，讓系統(tǒng)能更加穩(wěn)定、可靠。

2.2Android

Android是一套主要應(yīng)用于行動設(shè)備、基于 Linux 核心的基礎(chǔ)的開放原始碼軟件操作系統(tǒng)，由 Google 公司成立的開放式手持設(shè)備聯(lián)盟（Open HandsetAlliance 縮寫 OHA）于 2007年11月正式發(fā)放第一個(gè)版本，以開放原始碼并提供SDK（Software Development Kit）讓開發(fā)者能在Andriod操作系統(tǒng)上開發(fā)應(yīng)用方程式。

2.3傳感器

傳感器（Sensor）是用來接收信息或外界刺激、將其信息反應(yīng)的組件，并且能將所接收到的外界信息轉(zhuǎn)換，以數(shù)值形式后輸出，現(xiàn)今傳感器已廣泛用在自動化工業(yè)、3C產(chǎn)業(yè)等作為信息接收［3］。本論文所使用的傳感器為Phidgets公司推出的感知組件，使用的感測器種類分別為亮度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器，用以感測自然環(huán)境中的亮度、溫度、濕度等模擬信息傳換為數(shù)字信號傳輸給電子裝置進(jìn)行應(yīng)用。

2.4繼電器

繼電器（Relay）是電子控制組件，利用較小電源去控制較大電源裝置的控制開關(guān)，通常在電子回路中負(fù)責(zé)電源控制、自動調(diào)節(jié)、電路轉(zhuǎn)換、安全保護(hù)等等功能。一般繼電器構(gòu)造是由鐵芯、線圈、銜鐵、簧片等組成，原理是運(yùn)用鐵芯、線圈組成的電磁鐵吸引簧片作為控制，做出電源的開與關(guān)的動作［4］。本文所使用的繼電器為與Arduino開發(fā)板兼容的繼電器模塊，可通過Digital I/O pins控制繼電器，其負(fù)載電壓為直流電28V10A、交流電277V10A，作動時(shí)間為10ms以下，其規(guī)格符合本系統(tǒng)的需求。

3　智能中藥種植系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了協(xié)助中藥材的種植者并且使開發(fā)者能使用感測與控制功能，本文通過以Arduino開發(fā)板整合傳感器與繼電器，感知器主軸為取得環(huán)境信息作為環(huán)境監(jiān)控與環(huán)境數(shù)據(jù)收集，是此系統(tǒng)搜集信息監(jiān)測環(huán)境及實(shí)時(shí)動態(tài)的來源，并將采集后信息儲手持裝置，繼電器目的為整合控制裝置，由控制裝置來調(diào)節(jié)環(huán)境，Arduino收集到的信息會通過無線網(wǎng)絡(luò)傳給Android手持裝置，使用者由手持裝置來控制環(huán)境，使環(huán)境的部分指標(biāo)能控制在范圍內(nèi)。

用戶可通過所設(shè)定的自動化信息，通過感知裝置自動取得環(huán)境信息并對控制裝置進(jìn)行自動化控制。本研究將感測與控制方法整合入Android操作系統(tǒng)框架中，提升Android操作系統(tǒng)的功能與可用性，所建構(gòu)出系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

圖1　智能中藥種植監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

3.1實(shí)體感控端

實(shí)體感知端以Arduino開發(fā)板整合傳感器與控制裝置，通過WiFi無線網(wǎng)絡(luò)模塊連上因特網(wǎng)，與手持裝置應(yīng)用端連接，裝置依功能可分為種植環(huán)境感測與種植環(huán)境調(diào)節(jié)兩部分。

3.1.1種植環(huán)境感測

種植環(huán)境感測功能是利用傳感器進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)控，將亮度傳感器、溫度感測器、濕度傳感器部屬在溫室種植環(huán)境收集溫室環(huán)境的亮度、溫度與濕度。實(shí)體感知端所有傳感器皆由Arduino開發(fā)板進(jìn)行信息收集與控制，Arduino開發(fā)板的Digital I/O與傳感器連接將環(huán)境參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，整理過的參數(shù)由WiFi無線網(wǎng)絡(luò)模塊所收集到信息可作為環(huán)境監(jiān)控并依據(jù)環(huán)境信息調(diào)解種植環(huán)境，調(diào)整出適合植物生長的環(huán)境。

3.1.2種植環(huán)境調(diào)節(jié)

種植環(huán)境調(diào)節(jié)功能是以Arduino開發(fā)板控制調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行環(huán)境調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)裝置是以繼電器控制LED燈、供水閥、加熱器及以對種植環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.2手持裝置端

手持裝置端主要是在Android操作系統(tǒng)的手持裝置，通過Android Application開發(fā)設(shè)計(jì)出與實(shí)體感控端互動的功能，另將數(shù)據(jù)接收、裝置控制方法整合入Android系統(tǒng)框架中提供開發(fā)者開發(fā)Android Application的API，以增強(qiáng)Android操作系統(tǒng)功能并讓開發(fā)者能以整合的框架設(shè)計(jì)Android Application。

3.2.1Android Application

以開發(fā)Android Application為手持裝置實(shí)做出接受與控制實(shí)體感控端的操作功能與接口設(shè)計(jì)，安裝Eclipse開發(fā)環(huán)境與Google官方所提供的Android SDK，接口以XML語法來設(shè)計(jì)Layout，實(shí)作出與用戶互動的Android操作系統(tǒng)的操作界面。內(nèi)部功能以Java程序語言開發(fā)程序功能，撰寫供用戶與實(shí)體感控端互動功能，如：網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)、接收傳感器數(shù)據(jù)、環(huán)境調(diào)節(jié)裝置的控制等，其接收傳感器數(shù)據(jù)功能是通過ASG模塊的API獲得來自實(shí)體感控端的數(shù)據(jù)。

3.2.2ASG模塊

Android操作系統(tǒng)的架構(gòu)分為5層，分別為Linux Kernel層、Hardware Abstraction Layer層、Libraries層、Application Framework層與Application層。本文為讓Android開發(fā)者能使用本研究設(shè)計(jì)的感知功能模塊來開發(fā)Android Application，將感知功能模塊加入Android操作系統(tǒng)架構(gòu)中的Libraries層與Application Framework層。

4　結(jié)論

本文通過感測裝置接收環(huán)境信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至手持裝置，經(jīng)由用戶通過手執(zhí)裝備選擇所需的信息，發(fā)送要求至感測裝置，感測裝置在通過網(wǎng)路傳輸至使用者端的終端設(shè)備，供用戶獲取實(shí)用的信息，用戶不但能夠過手持裝置進(jìn)行控制指令，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給環(huán)境調(diào)節(jié)裝置，使得中藥材種植基地能通過使用者設(shè)定的信息，偵測環(huán)境并判斷環(huán)境因子是否處在合適范圍內(nèi)，若即將超過標(biāo)準(zhǔn)則通過控制裝置將環(huán)境因子控制在合適的范圍內(nèi)，且能通過終端裝置直接控制中藥材種植基地的環(huán)境因子，讓種植戶可以隨時(shí)隨地進(jìn)行對中藥材種植基地的監(jiān)控。

［參考文獻(xiàn)］

［1］劉藝.基于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理若干關(guān)鍵技術(shù)的研究［D］.北京：北京郵電大學(xué)，2014.

［2］歐文.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用研究［D］.昆明：昆明理工大學(xué)，2015.

［3］謝楊.基于云計(jì)算的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)［D］.西安：西安交通大學(xué)，2015.

［4］宋艷.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)種植系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2013（24）：38-42.

Things Intelligent Design Technology System Based on Traditional Chinese Medicine Planting

Ma Jian
（Information Engineering， Bozhou Vocational and Technical College， Bozhou236800， China）

Abstract：In order to improve the cultivation of traditional Chinese medicine production and reduce the cost of planting, Bozhou This selection of suitable varieties of peony cultivation of traditional Chinese medicine is based, and the cultivation of professional cooperatives and agricultural experts to assist in planting by the Bureau of medicine, through the deployment of the sensing device and Android handheld device interactive applications, receives the sensed data and control commands issued， real-time monitoring of environmental data of Chinese medicine planting， combined with embedded sensing device and the handheld device establish a structure to monitor the growth of Chinese environmental transmitted over the network to obtain the actual environment of temperature, rainfall and other values and analyze data provide some support for the environment and the growth of Chinese medicine to help improve the level of intelligence and precision farming yield and improve the quality of medicines.

Key words：Internet of Things; Chinese medicine planting; peony; intelligent

基金項(xiàng)目：安徽省教育廳自然科學(xué)重點(diǎn)基金項(xiàng)目；項(xiàng)目名稱：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在中藥材種植環(huán)境信息采集中的研究與應(yīng)用；項(xiàng)目編號：KJ2015A417。2013年安徽省教育廳質(zhì)量工程項(xiàng)目；項(xiàng)目名稱：網(wǎng)絡(luò)技術(shù)示范實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心；項(xiàng)目編號：2013sxzx055。

作者簡介：馬健（1980-），男，遼寧義縣，碩士，講師；研究方向：數(shù)據(jù)挖掘，網(wǎng)絡(luò)安全。