鐵皮石斛智能管理系統的設計與開發

張明麗 呂偉德 邊天煜 宋濤

摘 要：文章闡述了基于物聯網技術的鐵皮石斛智能管理系統的電路、網絡、硬件及軟件設計。通過對環境控制系統、中控控制系統、智能控制管理系統及移動客戶端的開發和實現，達到智能化栽培管理的目的。利用基于多傳感器信息融合的鐵皮石斛智能管理系統在種植基地中的應用，實現實時、科學和精確的種植管理。

關鍵詞：鐵皮石斛；物聯網；智能管理；設計；開發

鐵皮石斛（Dendrobium candidum Wall.ex Lind L.）為蘭科石斛屬多年生附生草本植物。鐵皮石斛作為一種名貴藥材，具有滋陰補腎、健脾養胃、潤肺生津等功效[1]。鐵皮石斛由于過度采挖，野生資源瀕臨絕種；加之自然繁殖率低，數量已十分稀少，現大部分依靠人工種植。但與其他植物不同，鐵皮石斛對培養環境條件要求比較苛刻。本項目通過在鐵皮石斛種植基地引入智能物聯網，實時、動態、精確和遠程視頻監測鐵皮石斛種植的環境參數，實時收集數據，傳輸至終端進行分析處理，以便及時調整和控制鐵皮石斛的種植管理工藝，實現鐵皮石斛低耗、優質、高效的規模化擴繁，實時、科學和精確的馴化和種植管理，最終實現鐵皮石斛的生態化、規?；托畔⒒姆N植。

1 鐵皮石斛智能栽培管理系統設計

鐵皮石斛智能栽培管理系統的研發是農業技術與物聯網技術的跨界融合，運用現代生物技術與現代互聯網技術相結合的方法[2-5]，采用以仿野生栽培模式，實施“智能化物聯網”管理，形成以“互聯網+仿野生”為主導的生態種植與智能管理理念。

1.1 系統設計

鐵皮石斛智能栽培管理系統由傳感采集、視頻監控、智能分析和遠程控制4部分組成。使用PCB制版軟件Altuim Designer 17繪制系統電路圖，將電路分成了3個模塊電路：（1）電源電路，用于將輸入的220 V交流電壓轉換成系統工作所需的12 V直流電壓，為整個電路系統供電。（2）面板電路，用于電路按鍵控制部分的用戶交互，電路板上有按鍵，同時每個按鍵都配有相應的LED指示當前電路的狀態，并使用單片機采集按鍵的信息，通過隔離電路將信號傳送到通訊模塊。（3）通訊電路，用單片機和4G通訊電路實現整機的無線通訊，將面板采集到的用戶的按鍵信息通過云端發送到控制設備上實現對受控設備的手動控制。采用基于XML與WebService組件化開發模式構建網絡系統，實現業務模塊/組件的松藕合。

1.2 硬件設計

硬件架構主要有傳感器、傳輸終端、智能適配器及控制器4個部分。根據對溫室大棚控制的要求，系統需要設有空氣溫濕度傳感器、光照傳感器、風速傳感器及風向傳感器等。傳輸終端是專業用于農業環境下的智能設備，通過有線以太網或GPRS無線傳輸兩種方式進行數據的采集與傳輸，用戶通過手機或電腦就可輕易實現對目標區域環境信息的實時查看與遠程控制。智能適配器給外接傳感器供電，單個模塊可接6路傳感器?？刂破魍ㄟ^發布命令來完成協調和指揮計算機系統的操作，包括指令寄存器、程序計數器、時序產生器、指令譯碼器和操作控制器。

本項目基于2.4 GHz的無線自組網傳輸終端，同時集合“北斗”系統第一代衛星通訊模塊及二代定位模塊，研制出超低功耗性能的數據傳輸終端[6]。每個傳輸終端可同時接入5到10路傳感器；可選配GPS定位模塊，通過GSM/GPRS網絡快速將數據信息同步發送到數據服務器，與GIS系統整合對接。

1.3 軟件設計

軟件系統主要由分布式大規模數據存儲平臺、遠程數據傳輸及遠程控制系統3部分組成。

1.3.1 分布式大規模數據存儲平臺

基于“云計算”技術的互聯網專用數據存儲與解析應用軟件，系統前端采用負載均衡單元，分布式調度存儲處理海量的數據，兼容不同數據交換協議，支持災難性的數據恢復[6]。數據存儲平臺主要由服務器、數據采集儀和數據表構成。服務器是數據采集后臺服務程序，運行有數據中心，網關接收節點傳輸的數據并發送至服務器，可將數據保存至MySQL數據庫中。數據采集儀是傳感器采集物理信息的設備。每個節點都有一個INT類型的節點號進行標示（NodeID），可以接入多個傳感器。數據表主要用來存儲、分析及處理監測系統的歷史數據及實時數據，由傳感器歷史數據表、傳感器實時數據表和傳感器信息表3張數據表構成。傳感器歷史數據表采用MySQL數據庫進行存儲，用于上層應用中的圖表顯示、歷史查詢、分類查詢等目的；傳感器實時數據表主要用于上層應用中定時刷新、實時顯示等功能；傳感器信息表由DataCenter服務程序自動寫入，詳細描述所要顯示的傳感器名稱、傳感器通道名稱，及通道數據所使用的計量單位信息等。

1.3.2 遠程數據傳輸系統

遠程數據傳輸系統用于傳感器采集的溫室內部溫濕度、光照、土壤含水量等數據和視頻監控數據的管理，可展示電腦與手機終端上實時、直觀的數據。采用ZigBee無線傳輸模式上傳傳感器采集的數據，再用ZigBee發送模塊將傳感器的采集數據傳送到ZigBee節點上。用戶可以在平臺上查看實時數據采集、歷史數據管理及為用戶提供的匯總統計圖、打印報表、數據庫備份等。

1.3.3 遠程控制系統

設備遠程控制系統主要由控制設備和相應的繼電器控制電路組成，通過繼電器可以自由控制各種生產設備[7]。用戶通過電腦和手機終端從遠程登入系統，查看設備的工作情況，并對設備直接下達控制命令；還可通過GSM或NET向下位機發送命令來實現開關、調節大小、自動化等功能，實現遠程操作的功能。

2 鐵皮石斛智能栽培管理系統開發

2.1 環境控制系統開發

采用智能環境調控技術，按照溫室小氣候環境和植物生長需求，結合設定模型，自動采集生物信息和環境信息。環境控制系統根據鐵皮石斛的生長情況，自動控制溫室天窗、簾幕、濕簾、風機、空調等設備；根據所需參數精準的自動調節鐵皮石斛生長所需的氣候環境、灌溉和水肥，從而提高精準種植的水平。

2.2 中控控制系統開發

系統控制裝置有手/自動切換功能，可以在中央監控與管理計算機界面上分別設置每個區的環境控制操作。采用NVR對溫室內安裝的所有高清網絡視頻監控系統進行中心控制，通過計算機網絡進行圖像的實時傳輸與監控，同時通過視頻圖像實時觀察鐵皮石斛的生長狀況。

中控控制系統由感知層、傳輸層和應用層組成。感知層由大量感知、識別設備組成，主要作用是感知識別物體、采集捕獲數據信息。比如設置有土壤水分傳感器、土壤濕度傳感器、圖像傳感器等，可以感知作物環境的變化，把測到的數據記錄下來。傳輸層主要作用是利用各種不同類型的無線網絡，如3G網絡、GPRS網絡、WiFi網絡、Internet網絡等將感知到的數據信息傳輸到互聯網上，實現物物互聯，可在手機上查看鐵皮石斛的生長環境狀況。應用層可實現節水灌溉、土壤檢測、病蟲害預防、視頻監控等功能的遠程遙控操作。

2.3 智能控制管理系統開發

在智能管理系統的數據分析頁中，通過軟件進行單個數據的曲線分析，或多個傳感器數據的對比分析；并通過數據分析，建立專家模型，以此為基礎，在人工極少干預甚至不干預的情況下，對智能設備進行智能控制[8]。

2.4 移動客戶端的實現

客戶端實現采用PHP語言，實現服務器與客戶端的數據同步，并在一定程度上盡量降低用戶流量的使用。用戶通過手機客戶端可實時查詢現場傳感器信息以及對通風、加濕等設備進行控制，提高管理效率。系統實現與市級智慧農業綜合服務平臺的對接，視頻、傳感等信息數據實時共享；同時與浙江省智慧農業云視頻可視化平臺無縫接入。

3 鐵皮石斛智能栽培管理系統應用

鐵皮石斛智能栽培管理系統在杭州鴻越生態農業科技有限公司的鐵皮石斛生產基地進行應用試驗。根據農業物聯網的特點及鐵皮石斛種植要求，設計監控物聯網：感知控制層基于ZigBee和RS485傳感器網絡及計算機控制模塊，并針對可靠性、可擴展性和低功耗進行了優化設計；網絡傳輸層支持多種數據傳輸方式和數據同步，形成系統層間數據樞紐；應用層包含數據中心、阿里云服務器和智能控制策略系統；云終端負責采集溫室環境參數，配有傳感器、微處理器和無線通信模塊；監測系統采用自適應加權平均值數據融合方法進行數據處理。終端接入層采用Web前端技術和React Native為系統提供了可視化界面，實現對生產環境信息的遠程監測，解決海量歷史數據的存儲問題，實現對設施設備的遠程控制和智能化調控。

4 結語

智能管理系統通過采用先進的現代化高新技術，對鐵皮石斛的生產過程進行動態監測和控制，并根據其結果采取相應的措施。智能管理系統可以支持手機、iPad等各種便攜式終端的瀏覽，用戶即使身在田間地頭，也可以通過WiFi或各類移動運營商網絡對網站進行訪問，瀏覽各種傳感器信息，并實施對各種設備的控制[7]。同時，還可針對蘋果、安卓等系統定制APP，使得操作更加便捷、功能更加強大，農民易于接受，還可為名貴中藥材產業發展提供有力支持。

[參考文獻]

[1]伍芬芳，曾玲.淺談中藥鐵皮石斛[J].浙江中西醫結合雜志，2004（3）：184.

[2]宋兆杰，張金泉.數字農業研究進展及發展趨勢[J].現代化農業，2007（5）：1-4.

[3]朱茗.基于物聯網的智慧農業系統研究[J].中國新通信，2013（11）：19.

[4]王紀章.基于物聯網的溫室環境智能管理系統研究[D].鎮江：江蘇大學，2013.

[5]彭程.基于物聯網技術的智慧農業發展策略研究[J].西安郵電學院報，2012（2）：94-98.

[6]呂偉德.基于物聯網技術的水培花卉智能生產關鍵技術的研究與應用[D].杭州：浙江大學，2014.

[7]張明麗，呂偉德，饒君鳳.基于物聯網的鐵皮石斛仿野生高品質栽培關鍵技術[J].現代農業科技，2016（19）：89-91.

[8]胡玉林.基于物聯網技術的溫室智能控制系統設計與實現[D].杭州：浙江農林大學，2018.