鐵皮石斛近野生栽培環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究

馬飛鴻　吳俊　曾松偉

摘要：為鐵皮石斛（Dendrobium officinale Kimura et Migo）近野生栽培搭建了一套完善的監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)主要借助精密傳感設(shè)備和STM32中央處理芯片實現(xiàn)對鐵皮石斛栽培地溫濕度以及CO2濃度數(shù)據(jù)的采集和處理，同時調(diào)控噴淋裝置的工作;通過GPRS通信模塊實現(xiàn)終端設(shè)備與Internet的數(shù)據(jù)交互;利用Mysql和Eclipse軟件實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的交互和網(wǎng)頁開發(fā)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能。此外，為提高栽培環(huán)境濕度數(shù)據(jù)的有效性，保證噴淋裝置的正常工作，系統(tǒng)在濕度數(shù)據(jù)處理過程中加入了最小二乘實時預(yù)測算法，能夠識別出異?；蛘邠p壞的濕度傳感器。

關(guān)鍵詞：鐵皮石斛（Dendrobium officinale Kimura et Migo）;近野生;最小二乘;監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號：S24;TP273+.5? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）04-0147-05

Abstract： In order to meet the industrial demand， a set of perfect monitoring system for the near wild cultivation of Tin caulis dendrobii was built. The monitoring system mainly used the precision sensing equipment and STM32 central processing chip to collect and process the temperature and humidity and CO2 concentration data of dendrobium cultivation， and then regulated the spraying device; data interaction between terminal equipment and Internet was completed through GPRS module; finally， Mysql and Eclipse software were used to complete the interaction with the database and web development， realize remote monitoring function. In order to improve the effectiveness of cultivation environment humidity data and ensure the normal operation of sprinkler device， the system added the least square real-time prediction algorithm in the data processing process to identify abnormal or damaged humidity sensor.

Key words： Tin caulis dendrobii （Dendrobium officinale Kimura et Migo） ; near wild; least squares; monitoring system

鐵皮石斛（Dendrobium officinale Kimura et Migo）近野生栽培技術(shù)是鐵皮石斛栽培技術(shù)的新成果。傳統(tǒng)的鐵皮石斛栽培方法有石斛懸崖壁栽培法、石斛附樹栽培法、原木邊材栽培法等[1]。鐵皮石斛近野生栽培法又稱仿野生石斛栽培，是指選擇一個近乎野生的環(huán)境，并只結(jié)合某些必要的調(diào)控手段（水分噴灑）來進行石斛植株培育的技術(shù)。斯金平等[2]研究發(fā)現(xiàn)，在僅保證定期水分噴灑的情況下，崖壁仿野生栽培出來的鐵皮石斛植株形態(tài)與純野生鐵皮石斛無異，其功效成分顯著提高。

為推廣鐵皮石斛近野生栽培技術(shù)，實現(xiàn)近野生鐵皮石斛的大面積批量化生產(chǎn)，提高經(jīng)濟效益，本研究結(jié)合農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)，為鐵皮石斛近野生崖壁栽培搭建了一套環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)不同，本研究中鐵皮石斛近野生栽培監(jiān)控系統(tǒng)是在輕度干預(yù)鐵皮石斛野外生長的前提下搭建的。該系統(tǒng)主要可分為采集終端和監(jiān)控中心兩大模塊，采集終端主要結(jié)合嵌入式技術(shù)和自動化技術(shù)實現(xiàn)對鐵皮石斛植株生長環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和水分自動灌溉;監(jiān)控中心則借助無線通信技術(shù)和數(shù)據(jù)庫知識實現(xiàn)對采集終端的遠程監(jiān)控功能和數(shù)據(jù)存儲功能。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計

鐵皮石斛近野生栽培環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是基于現(xiàn)有的崖壁栽培法建立的監(jiān)控系統(tǒng)，主要由數(shù)據(jù)采集節(jié)點子系統(tǒng)以及遠端監(jiān)控中心組成。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心模塊，它由采集傳感器、STM32系統(tǒng)核心板以及GPRS無線通信模塊組成，主要用來完成數(shù)據(jù)的采集、無線通訊和調(diào)控噴淋等功能;遠端監(jiān)控中心的建立則主要基于Linux操作系統(tǒng)，結(jié)合數(shù)據(jù)庫知識對發(fā)送至服務(wù)器的實時數(shù)據(jù)進行存儲調(diào)用，通過網(wǎng)頁實現(xiàn)遠程電腦端的實時數(shù)據(jù)監(jiān)控[4，5]。整個栽培監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)拓撲如圖1所示。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計即對數(shù)據(jù)采集節(jié)點子系統(tǒng)的硬件設(shè)計。主要包括子系統(tǒng)主控芯片引腳接口設(shè)計、液晶模塊接口設(shè)計、按鍵模塊接口設(shè)計、電源模塊的設(shè)計、傳感器接口模塊的設(shè)計以及GPRS通信模塊接口的設(shè)計。

2.1? 主控芯片硬件設(shè)計

整個硬件子系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32系列芯片中的STM32F429作為主控處理芯片[6]。該芯片帶有180 MHz的CPU，運行高達256 kB SRAM和高達2 MB的雙存儲庫快閃，帶SDRAM接口、Chrom-ART和LCD-TFT控制器。此外，STM32F429還提供了增強的輸入和輸出外設(shè)，具有更強的外設(shè)匹配能力。主控芯片引腳原理如圖2所示。

2.2? 傳感器模塊硬件設(shè)計

系統(tǒng)傳感器模塊包括溫濕度傳感器模塊和CO2傳感器。因鐵皮石斛巖壁栽培只需要一層十分淺薄的生長基質(zhì)，常規(guī)的土壤濕度測量儀器無法使用，本研究采用進口的溫濕度傳感器SHT30傳感器，經(jīng)過改裝后，對植株土壤表層的溫濕度進行測量。SHT30采用IIC協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，其通信接口原理如圖3所示。CO2傳感器采用B530傳感器，B530為三線制傳感器，輸出穩(wěn)定的模擬信號，傳感器接口原理如圖4所示。

2.3? GPRS模塊硬件設(shè)計

GPRS模塊實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)采集節(jié)點子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的發(fā)送和終端的反饋信號接收等功能。在本研究中GPRS模塊采用了SIMCOM800_L206芯片進行設(shè)計，該芯片在結(jié)構(gòu)上要優(yōu)于早期的GTM900系列，可以直接集成在主控板上。該模塊與SIM通訊卡相連接后，即可通過發(fā)送AT指令以實現(xiàn)與Internet的信息遠程交互。GPRS模塊的硬件原理如圖5所示。

2.4? 按鍵模塊接口設(shè)計

按鍵模塊主要實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)采集節(jié)點子系統(tǒng)的人為控制，主要實現(xiàn)開關(guān)電源、液晶開閉、頁面切換、服務(wù)器IP修改等功能。按鍵模塊的硬件原理接口設(shè)計如圖6所示。

2.5? 電源模塊硬件設(shè)計

12 V轉(zhuǎn)壓模塊采用進口的MP1470降壓芯片進行開關(guān)穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計，相比于常用的線性穩(wěn)壓電路，該電路具有更高的轉(zhuǎn)換效率和更高的穩(wěn)定性。MP1470降壓芯片的開關(guān)穩(wěn)壓電路原理如圖7所示。

5 V轉(zhuǎn)3.3 V電源模塊采用了進口的LM2596線性穩(wěn)壓芯片進行電路設(shè)計。其中，5 V轉(zhuǎn)3.3 V的電路原理如圖8所示。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本研究的軟件設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點子系統(tǒng)的程序設(shè)計以及監(jiān)控中心網(wǎng)頁設(shè)計兩部分，其中數(shù)據(jù)采集節(jié)點子系統(tǒng)的程序設(shè)計中包含了最小二乘實時預(yù)測算法的相關(guān)介紹。

3.1? 采集節(jié)點子系統(tǒng)的設(shè)計

采集節(jié)點模塊程序的編寫是在內(nèi)嵌于STM32芯片的UCOSIII操作系統(tǒng)下完成的，UCOSIII實時操作系統(tǒng)是一個基于優(yōu)先級調(diào)度的搶占式實時內(nèi)核，其內(nèi)核不僅支持搶占，還支持任務(wù)的搶占式調(diào)度，大大增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性[7，8]。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點子系統(tǒng)首先利用IIC、SPI等通信協(xié)議對傳感器數(shù)據(jù)進行采集，經(jīng)過相關(guān)任務(wù)調(diào)度后，數(shù)據(jù)會從相應(yīng)串口傳遞到GPRS模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸[9，10]。數(shù)據(jù)采集節(jié)點模塊的程序設(shè)計流程如圖9所示。在節(jié)點子系統(tǒng)初始化完成以及任務(wù)創(chuàng)建后，相關(guān)任務(wù)開始運行，其中任務(wù)0與任務(wù)1處于同一優(yōu)先級，任務(wù)2優(yōu)先級較高。3個任務(wù)分別完成了異常濕度傳感器識別功能、數(shù)據(jù)采集與發(fā)送功能、水分自動灌溉功能。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點子系統(tǒng)在采集與發(fā)送相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)的同時，主要通過判斷鐵皮石斛生長基質(zhì)表面的濕度值，當(dāng)監(jiān)測濕度低于當(dāng)天最低濕度預(yù)設(shè)值時，將啟動噴淋裝置，實現(xiàn)自動灌溉功能。在鐵皮石斛崖壁栽培的過程中發(fā)現(xiàn)，一旦遭遇暴雨、大風(fēng)等極端天氣的影響，濕度傳感器設(shè)備易發(fā)生損壞，產(chǎn)生數(shù)據(jù)異?，F(xiàn)象。在早期開發(fā)的數(shù)據(jù)采集節(jié)點子系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)識別程序只采用常規(guī)的閾值判斷法對部分缺失或者極端的濕度數(shù)據(jù)信息進行簡單處理，而無法對已經(jīng)處于非正常工作狀態(tài)的濕度傳感器數(shù)據(jù)進行識別，以至于噴淋裝置的錯誤噴灑。因此，本研究在數(shù)據(jù)識別程序中加入了較為復(fù)雜的短時預(yù)測算法，借以使得系統(tǒng)能夠?qū)Πl(fā)生異常的濕度傳感器進行較為精確的識別以及反饋[11]?；谧钚《怂惴ǖ亩虝r預(yù)測較為迅速，且在函數(shù)估計和逼近中的應(yīng)用十分廣泛，具有更好的工程實現(xiàn)意義[12]，本研究最終選取了最小二乘預(yù)測算法對數(shù)據(jù)采集節(jié)點子系統(tǒng)的濕度分析進行相關(guān)改進，以對處于非正常工作狀態(tài)的濕度傳感器進行識別。

圖10給出了最小二乘預(yù)測算法在數(shù)據(jù)采集節(jié)點子系統(tǒng)中的工作流程。本研究中最小二乘預(yù)測算法的樣本數(shù)據(jù)在UCOSIII系統(tǒng)中按照隊列存儲。當(dāng)系統(tǒng)在接收到新的傳感器數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)將被實時傳遞進存儲隊列，隊列中的首位數(shù)據(jù)則自動被移出隊列，并釋放存儲空間，從而使得隊列數(shù)據(jù)隨著時間不斷更新，成功確保了系統(tǒng)每次調(diào)用算法任務(wù)時預(yù)測結(jié)果的時效性。通過結(jié)合計算機語言，最小二乘預(yù)測算法在該系統(tǒng)中具備了實時遞推性[13]。

在實際算法應(yīng)用中，通過實時更新的樣本數(shù)據(jù)，最終可以得到一個最小二乘實時預(yù)測值。節(jié)點子系統(tǒng)每次讀入的濕度值將與實時預(yù)測值進行比較，當(dāng)讀入值與預(yù)測值的偏差比大于50%（數(shù)據(jù)時間間隔為30 min）時，將繼續(xù)讀入兩次數(shù)據(jù)，如果兩次數(shù)據(jù)偏差比仍舊過大，則掛起該節(jié)點對噴淋裝置的功能控制引腳，并發(fā)送濕度傳感器異常信息給服務(wù)器終端。此外，在噴淋裝置工作時，將先掛起算法相關(guān)任務(wù)，在噴淋結(jié)束后重新恢復(fù)任務(wù)，進而避免水分噴灑過程中土表濕度大幅度變化所帶來的影響。

3.2? 監(jiān)控中心的設(shè)計

監(jiān)控中心是在PC端的Linux系統(tǒng)平臺下開發(fā)并完成的。監(jiān)控中心的研發(fā)主要由數(shù)據(jù)庫搭建、Web設(shè)計以及決策反饋控制功能設(shè)計3部分組成。數(shù)據(jù)庫的搭建主要借助Mysql軟件及其輔助可視化軟件Navicat-Linux[14]來完成，其中數(shù)據(jù)表可簡單分為date、hum、temp、CO2 4部分;Web界面則根據(jù)Java面向?qū)ο蠡Z言和eclipse軟件完成設(shè)計;決策反饋控制功能利用GPRS模塊的數(shù)據(jù)接收功能來實現(xiàn)。

圖11為決策反饋信息的簡要傳遞流程，反饋信號先從監(jiān)控中心發(fā)出，服務(wù)器端接收到信息后，通過GTP協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)基站[15，16]，然后由基站的BTS將數(shù)據(jù)傳遞到對應(yīng)SIM卡上，采集節(jié)點端的GPRS模塊會接收到相應(yīng)指令信息。

4? 數(shù)據(jù)分析與功能實現(xiàn)

4.1? 數(shù)據(jù)分析

為驗證最小二乘實時預(yù)測算法在本研究中的應(yīng)用效果，本研究結(jié)合Matlab軟件，通過監(jiān)測終端實際所得數(shù)據(jù)，在PC端對濕度傳感器正常工作情況和損壞導(dǎo)致的數(shù)據(jù)異常情況進行了模擬仿真。其中，樣本數(shù)據(jù)取自浙江省安吉市的鐵皮石斛崖壁栽培試驗地。圖12為2018年4月25號至29號期間接收到的土表濕度值擬合曲線，采集節(jié)點為3號，數(shù)據(jù)采集間隔為10 min，最低土表濕度預(yù)設(shè)值為30%相對濕度。虛線代表最小二乘實時預(yù)測曲線。由圖12可見，基質(zhì)表面濕度值預(yù)測曲線的軌跡與實際變化曲線基本吻合。其中，在4月27日下午3點，當(dāng)前值與預(yù)測值的偏差比為45%，低于50%，未滿足系統(tǒng)算法任務(wù)的觸發(fā)條件。

圖13為2018年4月17—19日期間的濕度變化擬合曲線，采集節(jié)點編號為6號，采集間隔為30 min，最低土表濕度預(yù)設(shè)值為30%相對濕度。虛線表示最小二乘實時預(yù)測曲線。由圖13可見，在17日中午11點左右，植株土表濕度值降至30%，達到試驗設(shè)定的最低預(yù)設(shè)值，噴淋裝置開始正常工作;在18日上午8點傳感器數(shù)據(jù)發(fā)生紊亂，在9點30分濕度值數(shù)據(jù)為0，與預(yù)測值的偏差比為100%，并且后兩次數(shù)據(jù)與當(dāng)前預(yù)測值的偏差值都為86.7%，大于預(yù)設(shè)的50%偏差值，滿足算法任務(wù)的觸發(fā)條件，噴淋裝置控制引腳將被掛起，避免了異常工作情況。

4.2? 功能實現(xiàn)

本研究中監(jiān)控系統(tǒng)成功實現(xiàn)了節(jié)點模塊的數(shù)據(jù)采集、發(fā)送功能、算法判定功能以及GPRS數(shù)據(jù)收發(fā)功能。其中，節(jié)點的數(shù)據(jù)采集功能以及算法判定功能將最終通過終端的頁面監(jiān)測來完成檢測;GPRS網(wǎng)絡(luò)的IP設(shè)置則需結(jié)合按鍵和LCD顯示來完成（實地放置節(jié)點后，LCD背光將被關(guān)閉）。

4.2.1? 采集節(jié)點的GPRS設(shè)置界面? 節(jié)點裝置的IP設(shè)置界面如圖14所示。

4.2.2? 監(jiān)控平臺與損壞傳感器識別功能界面? 服務(wù)器終端功能的實現(xiàn)主要是完成相關(guān)網(wǎng)頁界面的開發(fā)，其中包括登陸界面設(shè)計、遠程監(jiān)測界面設(shè)計以及信息提示功能界面設(shè)計。用戶登陸界面如圖15所示。

正常情況下的濕度數(shù)據(jù)監(jiān)測界面如圖16所示。

當(dāng)接收到節(jié)點數(shù)據(jù)異常信號時，服務(wù)器端會在頁面中彈出錯誤信息，如圖17所示。

5? 結(jié)論

本研究為崖壁環(huán)境下的鐵皮石斛栽培構(gòu)建了一套較為完善的監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了崖壁石斛土表溫濕度、CO2的實時遠程監(jiān)測功能以及損壞傳感器識別功能。實地試驗結(jié)果表明，該監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用進一步提高了鐵皮石斛近野生崖壁栽培的可行性，并且在節(jié)約經(jīng)濟成本的同時，提高了作物產(chǎn)量。在后續(xù)的研究中，該系統(tǒng)可增強對鐵皮石斛近野生崖壁栽培過程中鐵皮石斛其他生長情況和環(huán)境要素的監(jiān)控，如結(jié)合攝像頭技術(shù)和圖像識別技術(shù)，遠程觀測鐵皮石斛枝條的生長狀況，進一步促進鐵皮石斛近野生栽培與機器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)算法的結(jié)合。

參考文獻：

[1] 徐麗紅，周? 鑫，鄭蔚然，等.不同仿野生栽培鐵皮石斛多品質(zhì)指標(biāo)的比較[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，59（7）：1253-1257.

[2] 斯金平，俞巧仙，葉智根.仙草之首———鐵皮石斛養(yǎng)生治病[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[3] 斯金平，陳梓云，劉京晶，等.鐵皮石斛懸崖附生栽培技術(shù)研究[J].中國中藥雜志，2015，40（12）：2289-2292.

[4] 徐? 鴿，張紅燕.基于ZigBee技術(shù)智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2014，33（11）：6-8.

[5] TABASSUM S，HOSSAIN A.Design and development of weather monitoring and controlling system for a smart agro（farm）[J]. Intelligent control and automation，2018，9：65-73.

[6] KABALCI Y，KABALCI E，CANBAZ R，et al. Design and implementation of a solar plant and irrigation system with remote monitoring and remote control infrastructures[J].Solar energy，2016，139：506-517.

[7] 張慧娟.STM32F4系列搶占Cortex-M4內(nèi)核先機[J].電子設(shè)計技術(shù)，2011，18（11）：16.

[8] 何康華，雷陽陽.基于uCOS-III的教育機器人系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測量技術(shù)，2016，39（10）：114-118.

[9] 劉? 寧，陳冬瓊，楊克磊.基于STM32最小系統(tǒng)串口通信顯示系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機，2017，30（8）：33-34.

[10] 許琳娜，王振華，羅魏魏.基于STM32的四旋翼飛行器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2017，36（8）：122-124.

[11] 徐蓓蓓，章正國，鄭新龍，等.最小二乘支持向量機在短期風(fēng)速預(yù)測中的應(yīng)用概況[J].電氣技術(shù)，2013，14（6）：22-25.

[12] 田? 垅，劉宗田.最小二乘法分段直線擬合[J].計算機科學(xué)，2012，39（s1）：482-484.

[13] 周姍姍，柴金廣，李? 丹.實時遞推的最小二乘預(yù)測跟蹤算法[J].2011，19（10）：53-55.

[14] 趙光亮，舒小松.Navicat for MySQL平臺中的SQL語言分析與應(yīng)用[J].無線互聯(lián)科技，2017（19）：74-75.

[15] 韓潤衍.GPRS的無線遠程氣象數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計分析[J].科技展望，2017，27（1）：9.

[16] 楊海天，于婷婷，李春勝，等.基于GPRS的土壤墑情遠程監(jiān)測系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程，2016，6（1）：32-36.