鐵皮石斛近野生栽培環境監控系統研究

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控系統，監控系統主要借助精密傳感設備和STM32中央處理芯片實現對鐵皮石斛栽培地溫濕度以及CO2濃度數據的采集和處理，同時調控噴淋裝置的工作;通過GPRS通信模塊實現終端設備與Internet的數據交互;利用Mysql和Eclipse軟件實現與數據庫的交互和網頁開發，實現遠程監控功能。此外，為提高栽培環境濕度數據的有效性，保證噴淋裝置的正常工作，系統在濕度數據處理過程中加入了最小二乘實時預測算法，能夠識別出異常或者損壞的濕度傳感器。

關鍵詞：鐵皮石斛（Dendrobium officinale Kimura et Migo）;近野生;最小二乘;監控系統

中圖分類號：S24;TP273+.5? ? ? ? ?文獻標識碼：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）近野生栽培技術是鐵皮石斛栽培技術的新成果。傳統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境，并只結合某些必要的調控手段（水分噴灑）來進行石斛植株培育的技術。斯金平等[2]研究發現，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，實現近野生鐵皮石斛的大面積批量化生產，提高經濟效益，本研究結合農業信息化技術，為鐵皮石斛近野生崖壁栽培搭建了一套環境監控系統。與傳統的農業大棚監控系統不同，本研究中鐵皮石斛近野生栽培監控系統是在輕度干預鐵皮石斛野外生長的前提下搭建的。該系統主要可分為采集終端和監控中心兩大模塊，采集終端主要結合嵌入式技術和自動化技術實現對鐵皮石斛植株生長環境數據的采集和水分自動灌溉;監控中心則借助無線通信技術和數據庫知識實現對采集終端的遠程監控功能和數據存儲功能。

1? 系統總體設計

鐵皮石斛近野生栽培環境監控系統是基于現有的崖壁栽培法建立的監控系統，主要由數據采集節點子系統以及遠端監控中心組成。數據采集子系統是整個監控系統的核心模塊，它由采集傳感器、STM32系統核心板以及GPRS無線通信模塊組成，主要用來完成數據的采集、無線通訊和調控噴淋等功能;遠端監控中心的建立則主要基于Linux操作系統，結合數據庫知識對發送至服務器的實時數據進行存儲調用，通過網頁實現遠程電腦端的實時數據監控[4，5]。整個栽培監控系統的結構拓撲如圖1所示。

2? 系統硬件設計

系統硬件設計即對數據采集節點子系統的硬件設計。主要包括子系統主控芯片引腳接口設計、液晶模塊接口設計、按鍵模塊接口設計、電源模塊的設計、傳感器接口模塊的設計以及GPRS通信模塊接口的設計。

2.1? 主控芯片硬件設計

整個硬件子系統采用意法半導體公司生產的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，具有更強的外設匹配能力。主控芯片引腳原理如圖2所示。

2.2? 傳感器模塊硬件設計

系統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，常規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，經過改裝后，對植株土壤表層的溫濕度進行測量。SHT30采用IIC協議傳輸數據，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模塊硬件設計

GPRS模塊實現了對數據采集節點子系統數據的發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芯片進行設計，該芯片在結構上要優于早期的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，即可通過發送AT指令以實現與Internet的信息遠程交互。GPRS模塊的硬件原理如圖5所示。

2.4? 按鍵模塊接口設計

按鍵模塊主要實現了對數據采集節點子系統的人為控制，主要實現開關電源、液晶開閉、頁面切換、服務器IP修改等功能。按鍵模塊的硬件原理接口設計如圖6所示。

2.5? 電源模塊硬件設計

12 V轉壓模塊采用進口的MP1470降壓芯片進行開關穩壓電源電路的設計，相比于常用的線性穩壓電路，該電路具有更高的轉換效率和更高的穩定性。MP1470降壓芯片的開關穩壓電路原理如圖7所示。

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

3? 系統軟件設計

本研究的軟件設計主要包括數據采集節點子系統的程序設計以及監控中心網頁設計兩部分，其中數據采集節點子系統的程序設計中包含了最小二乘實時預測算法的相關介紹。

3.1? 采集節點子系統的設計

采集節點模塊程序的編寫是在內嵌于STM32芯片的UCOSIII操作系統下完成的，UCOSIII實時操作系統是一個基于優先級調度的搶占式實時內核，其內核不僅支持搶占，還支持任務的搶占式調度，大大增強了系統的穩定性和實時性[7，8]。

數據采集節點子系統首先利用IIC、SPI等通信協議對傳感器數據進行采集，經過相關任務調度后，數據會從相應串口傳遞到GPRS模塊，實現數據的無線傳輸[9，10]。數據采集節點模塊的程序設計流程如圖9所示。在節點子系統初始化完成以及任務創建后，相關任務開始運行，其中任務0與任務1處于同一優先級，任務2優先級較高。3個任務分別完成了異常濕度傳感器識別功能、數據采集與發送功能、水分自動灌溉功能。

數據采集節點子系統在采集與發送相關環境數據的同時，主要通過判斷鐵皮石斛生長基質表面的濕度值，當監測濕度低于當天最低濕度預設值時，將啟動噴淋裝置，實現自動灌溉功能。在鐵皮石斛崖壁栽培的過程中發現，一旦遭遇暴雨、大風等極端天氣的影響，濕度傳感器設備易發生損壞，產生數據異常現象。在早期開發的數據采集節點子系統中，數據識別程序只采用常規的閾值判斷法對部分缺失或者極端的濕度數據信息進行簡單處理，而無法對已經處于非正常工作狀態的濕度傳感器數據進行識別，以至于噴淋裝置的錯誤噴灑。因此，本研究在數據識別程序中加入了較為復雜的短時預測算法，借以使得系統能夠對發生異常的濕度傳感器進行較為精確的識別以及反饋[11]。基于最小二乘算法的短時預測較為迅速，且在函數估計和逼近中的應用十分廣泛，具有更好的工程實現意義[12]，本研究最終選取了最小二乘預測算法對數據采集節點子系統的濕度分析進行相關改進，以對處于非正常工作狀態的濕度傳感器進行識別。

圖10給出了最小二乘預測算法在數據采集節點子系統中的工作流程。本研究中最小二乘預測算法的樣本數據在UCOSIII系統中按照隊列存儲。當系統在接收到新的傳感器數據時，數據將被實時傳遞進存儲隊列，隊列中的首位數據則自動被移出隊列，并釋放存儲空間，從而使得隊列數據隨著時間不斷更新，成功確保了系統每次調用算法任務時預測結果的時效性。通過結合計算機語言，最小二乘預測算法在該系統中具備了實時遞推性[13]。

在實際算法應用中，通過實時更新的樣本數據，最終可以得到一個最小二乘實時預測值。節點子系統每次讀入的濕度值將與實時預測值進行比較，當讀入值與預測值的偏差比大于50%（數據時間間隔為30 min）時，將繼續讀入兩次數據，如果兩次數據偏差比仍舊過大，則掛起該節點對噴淋裝置的功能控制引腳，并發送濕度傳感器異常信息給服務器終端。此外，在噴淋裝置工作時，將先掛起算法相關任務，在噴淋結束后重新恢復任務，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? 監控中心的設計

監控中心是在PC端的Linux系統平臺下開發并完成的。監控中心的研發主要由數據庫搭建、Web設計以及決策反饋控制功能設計3部分組成。數據庫的搭建主要借助Mysql軟件及其輔助可視化軟件Navicat-Linux[14]來完成，其中數據表可簡單分為date、hum、temp、CO2 4部分;Web界面則根據Java面向對象化語言和eclipse軟件完成設計;決策反饋控制功能利用GPRS模塊的數據接收功能來實現。

圖11為決策反饋信息的簡要傳遞流程，反饋信號先從監控中心發出，服務器端接收到信息后，通過GTP協議將數據發送至網絡基站[15，16]，然后由基站的BTS將數據傳遞到對應SIM卡上，采集節點端的GPRS模塊會接收到相應指令信息。

4? 數據分析與功能實現

4.1? 數據分析

為驗證最小二乘實時預測算法在本研究中的應用效果，本研究結合Matlab軟件，通過監測終端實際所得數據，在PC端對濕度傳感器正常工作情況和損壞導致的數據異常情況進行了模擬仿真。其中，樣本數據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，采集節點為3號，數據采集間隔為10 min，最低土表濕度預設值為30%相對濕度。虛線代表最小二乘實時預測曲線。由圖12可見，基質表面濕度值預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，當前值與預測值的偏差比為45%，低于50%，未滿足系統算法任務的觸發條件。

圖13為2018年4月17—19日期間的濕度變化擬合曲線，采集節點編號為6號，采集間隔為30 min，最低土表濕度預設值為30%相對濕度。虛線表示最小二乘實時預測曲線。由圖13可見，在17日中午11點左右，植株土表濕度值降至30%，達到試驗設定的最低預設值，噴淋裝置開始正常工作;在18日上午8點傳感器數據發生紊亂，在9點30分濕度值數據為0，與預測值的偏差比為100%，并且后兩次數據與當前預測值的偏差值都為86.7%，大于預設的50%偏差值，滿足算法任務的觸發條件，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

本研究中監控系統成功實現了節點模塊的數據采集、發送功能、算法判定功能以及GPRS數據收發功能。其中，節點的數據采集功能以及算法判定功能將最終通過終端的頁面監測來完成檢測;GPRS網絡的IP設置則需結合按鍵和LCD顯示來完成（實地放置節點后，LCD背光將被關閉）。

4.2.1? 采集節點的GPRS設置界面? 節點裝置的IP設置界面如圖14所示。

4.2.2? 監控平臺與損壞傳感器識別功能界面? 服務器終端功能的實現主要是完成相關網頁界面的開發，其中包括登陸界面設計、遠程監測界面設計以及信息提示功能界面設計。用戶登陸界面如圖15所示。

正常情況下的濕度數據監測界面如圖16所示。

當接收到節點數據異常信號時，服務器端會在頁面中彈出錯誤信息，如圖17所示。

5? 結論

本研究為崖壁環境下的鐵皮石斛栽培構建了一套較為完善的監控系統，實現了崖壁石斛土表溫濕度、CO2的實時遠程監測功能以及損壞傳感器識別功能。實地試驗結果表明，該監控系統的應用進一步提高了鐵皮石斛近野生崖壁栽培的可行性，并且在節約經濟成本的同時，提高了作物產量。在后續的研究中，該系統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境要素的監控，如結合攝像頭技術和圖像識別技術，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習、大數據算法的結合。

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