基于Arduino和SIM900的現代化中藥農場遠程監控管理系統的研究

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，本文借助于物聯網技術，提出一種應用于現代化農場參數無線監測管理系統。我們以寧夏拓明農場為實踐對象，遠程監控管理種植的板藍根、甘草、黃芪三種中藥植物。通過在農場內安裝的各種特征傳感器，將需要獲取的特征信息遠程傳送到管理人員的手機、電腦等電子設備上，由此管理人員就能在任何地方隨時隨地的把握農場的各種情況，以便通過手機、電腦反饋控制農場各類自動化設備的操作，實現遠程監控管理現代化中藥種植農場的目的。同時，通過將采集的數據信息構建數據庫，進行信息融合分析。最終實現中藥生產和管理的信息化和數字化以及自動化，促進中藥生產的現代化和規模化。

關鍵詞：物聯網技術；遠程管理；中藥種植

1前言

近年來，遠程監控技術應用于現代化農業的研究十分熱門。它起源于20世紀末西方國家提出的"數字農業"思想，是結合了GIS、GPS技術、智能決策系統、自動控制理論的一種現代化農業生產形式。據報道，截止2013年已有中藥材種植面積達110萬畝，有20余萬農民從事中藥產業，約1/4的農田種植藥材。今天，中藥材生產已經成為亳州農業的支柱產業。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、技術低下，操作不規范，偏面追求產量和效益，忽視質量等問題。亳州種植中藥材的問題在全國有普遍性。中藥種植屬于高風險行業，天氣、病蟲害、化肥和農藥價格、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場將成為了一個趨勢和向導。

2現代化中藥農場管理系統基本框架

整個物聯網應用可以分為三層，見表1。

本系統由各種特征傳感器構成一個微型監護網絡，傳感器節點上使用中央控制器對所需要監測的植物生命指標、環境指標等傳感器進行控制來采集數據。通過SIM900無線接發模塊和Arduino Yun模塊二種聯網方式將數據發送至終端設備，并由該設備將數據傳輸至網絡上，通過網絡可將數據傳輸至遠程監控中心，由專業人員對數據進行分析統計，提供必要的咨詢服務，實現遠程管理。

3系統技術關鍵

3.1遠程監控技術

3.1.1遠程監控控制端介紹 本系統的一大優點就是在于其便利的遠程監控，共有兩種方式。

一種是基于"ArduinoYun模塊"聯網方式的監控（簡稱"網頁端"），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到互聯網，同時移動電子設備（包括筆記本電腦、ipad、手機等一切可上網的設備）連接到互聯網網絡。就可以實現遠程監控管理操作。

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

另外，考慮到系統的安全性，我們在使用網頁端時，設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、系統自動報警等。

操作界面，見圖1。

圖1 "網頁端"在電腦操作界面示意圖

在"網頁端"的電腦操作界面上，還可切換數據視圖，如：折線圖、柱狀圖、文本數據。同時設計有圖片保存功能，可將所需要的數據以圖片格式保存。

同時，將這些采集到的數據建立數據庫，為后期研究作準備（詳見技術關鍵信息整合部分）。

另一種則是基于"SIM900模塊"的聯網方式（簡稱"手機端"），它是基于電話撥號、短信功能。可以在沒有無線網絡的狀況下使用，保證了單一故障情況下系統的可靠性。由現場的傳感器實時監測當時的溫濕度、光強等環境數據，并把數據通過無線接發模塊SIM900定時發送到管理人員的手機上。或需主動查詢時，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場參數信息（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"系統工作流程圖

3.1.2遠程監控功能介紹 遠程監控主要可實現以下4方面的功能：①實時數據檢測：主控制器定時輪詢傳感器節點，檢測環境實時數據，包括實時圖像、溫度、濕度、光照等數據，將信息存儲到主控器的芯片卡中，用于后期環境數據的記錄，同時建立數據庫，實時獲取檢測數據的信息，便于計算機完成對數據處理和分析。②系統自動報警：當主控制器檢測到本地監控參數，會對數據進行分析，如果監控參數達到報警閾值，主控制器將根據預警方案向控制中心發送報警信息，從而提醒管理者，隨后可立即采取相應措施。以板藍根為例，當溫度超過25℃，土壤濕度超過80%時，系統就會自動報警提示，見圖3。③入侵檢測：系統可以根據人體紅外傳感器進行入侵檢測。當有動物或人員進入檢測范圍內（5～7m），系統將會發送短信提示管理者。同時觸發蜂鳴器工作，發出警報聲意圖趕走入侵者并提示現場人員采取相應措施。④反饋控制：用戶可以通過手機發送相關控制命令到主控制器，主控制器接收到指令后會根據預設規則采集相應數據信息，并將數據信息反饋至用戶終端。如用手機或電腦遠程"開啟/關閉"農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開發環境。

3.3傳感器的選擇 傳感器采集中藥植物各種生長參數，這些參數將通過下位機進行數據處理及融合，通過無線數據傳輸將數據發送到終端節點并由Internet發送到遠程監控中心，為管理人員提供各種重要的生長參數變化，幫助他們實時監測遠端中藥植物的生長狀況，并可以及時地采取相應措施。無線傳感器網絡節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，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人體紅外感應模塊--HC-SR501；⑤有源蜂鳴器--AC-S701。

3.4充電技術與功耗 充電技術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鋰電池，所以在系統中我們將加入低功耗模式。即傳感部分及數據處理部分將采每隔一段時間采集并上傳數據的形式，而非循環采集。

在設備喚醒上，我們優先采用WDT看門狗進行喚醒。

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

4總結與展望

在傳統人工逐漸被代替的今天，中藥材生產必須徹底打破小農經濟的模式，走規模化規范化的改革道路，引進高科技先進的管理模式和技術。故我們所設計的"現代化農場遠程監控管理系統"是符合當下改革潮流趨勢的，本系統有助于推動中藥種植的發展、質量控制與普及提高，并朝著客觀化、標準化、規范化方向邁上新臺階，對推動中醫藥事業實現數字化、現代化具有深遠的意義。

參考文獻：

[1]陳呂洲.Arduino程序設計基礎[M].北京航空航天大學出版社，2010.

[2]徐小龍.無線傳感器網絡技術與應用[R].南京郵電大學.

[3]楊林楠.三化螟、斑潛蠅發生預測模型研究與應用[D].電子科技大學博士論文.

[4]曾新平.淺談遠程監控無線通訊方式的選擇[J].中小企業管理與科技，2015（20）.

[5]馬志欣.譚峰.侯召龍.基于Andriod的農業生產遠程監控系統[J].農機化研究，2015（3）.編輯/丁一