铁皮石斛智能管理系统的设计与开发

张明丽 吕伟德 边天煜 宋涛

摘 要：文章阐述了基于物联网技术的铁皮石斛智能管理系统的电路、网络、硬件及软件设计。通过对环境控制系统、中控控制系统、智能控制管理系统及移动客户端的开发和实现，达到智能化栽培管理的目的。利用基于多传感器信息融合的铁皮石斛智能管理系统在种植基地中的应用，实现实时、科学和精确的种植管理。

关键词：铁皮石斛；物联网；智能管理；设计；开发

铁皮石斛（Dendrobium candidum Wall.ex Lind L.）为兰科石斛属多年生附生草本植物。铁皮石斛作为一种名贵药材，具有滋阴补肾、健脾养胃、润肺生津等功效[1]。铁皮石斛由于过度采挖，野生资源濒临绝种；加之自然繁殖率低，数量已十分稀少，现大部分依靠人工种植。但与其他植物不同，铁皮石斛对培养环境条件要求比较苛刻。本项目通过在铁皮石斛种植基地引入智能物联网，实时、动态、精确和远程视频监测铁皮石斛种植的环境参数，实时收集数据，传输至终端进行分析处理，以便及时调整和控制铁皮石斛的种植管理工艺，实现铁皮石斛低耗、优质、高效的规模化扩繁，实时、科学和精确的驯化和种植管理，最终实现铁皮石斛的生态化、规模化和信息化的种植。

1 铁皮石斛智能栽培管理系统设计

铁皮石斛智能栽培管理系统的研发是农业技术与物联网技术的跨界融合，运用现代生物技术与现代互联网技术相结合的方法[2-5]，采用以仿野生栽培模式，实施“智能化物联网”管理，形成以“互联网+仿野生”为主导的生态种植与智能管理理念。

1.1 系统设计

铁皮石斛智能栽培管理系统由传感采集、视频监控、智能分析和远程控制4部分组成。使用PCB制版软件Altuim Designer 17绘制系统电路图，将电路分成了3个模块电路：（1）电源电路，用于将输入的220 V交流电压转换成系统工作所需的12 V直流电压，为整个电路系统供电。（2）面板电路，用于电路按键控制部分的用户交互，电路板上有按键，同时每个按键都配有相应的LED指示当前电路的状态，并使用单片机采集按键的信息，通过隔离电路将信号传送到通讯模块。（3）通讯电路，用单片机和4G通讯电路实现整机的无线通讯，将面板采集到的用户的按键信息通过云端发送到控制设备上实现对受控设备的手动控制。采用基于XML与WebService组件化开发模式构建网络系统，实现业务模块/组件的松藕合。

1.2 硬件设计

硬件架构主要有传感器、传输终端、智能适配器及控制器4个部分。根据对温室大棚控制的要求，系统需要设有空气温湿度传感器、光照传感器、风速传感器及风向传感器等。传输终端是专业用于农业环境下的智能设备，通过有线以太网或GPRS无线传输两种方式进行数据的采集与传输，用户通过手机或电脑就可轻易实现对目标区域环境信息的实时查看与远程控制。智能适配器给外接传感器供电，单个模块可接6路传感器。控制器通过发布命令来完成协调和指挥计算机系统的操作，包括指令寄存器、程序计数器、时序产生器、指令译码器和操作控制器。

本项目基于2.4 GHz的无线自组网传输终端，同时集合“北斗”系统第一代卫星通讯模块及二代定位模块，研制出超低功耗性能的数据传输终端[6]。每个传输终端可同时接入5到10路传感器；可选配GPS定位模块，通过GSM/GPRS网络快速将数据信息同步发送到数据服务器，与GIS系统整合对接。

1.3 软件设计

软件系统主要由分布式大规模数据存储平台、远程数据传输及远程控制系统3部分组成。

1.3.1 分布式大规模数据存储平台

基于“云计算”技术的互联网专用数据存储与解析应用软件，系统前端采用负载均衡单元，分布式调度存储处理海量的数据，兼容不同数据交换协议，支持灾难性的数据恢复[6]。数据存储平台主要由服务器、数据采集仪和数据表构成。服务器是数据采集后臺服务程序，运行有数据中心，网关接收节点传输的数据并发送至服务器，可将数据保存至MySQL数据库中。数据采集仪是传感器采集物理信息的设备。每个节点都有一个INT类型的节点号进行标示（NodeID），可以接入多个传感器。数据表主要用来存储、分析及处理监测系统的历史数据及实时数据，由传感器历史数据表、传感器实时数据表和传感器信息表3张数据表构成。传感器历史数据表采用MySQL数据库进行存储，用于上层应用中的图表显示、历史查询、分类查询等目的；传感器实时数据表主要用于上层应用中定时刷新、实时显示等功能；传感器信息表由DataCenter服务程序自动写入，详细描述所要显示的传感器名称、传感器通道名称，及通道数据所使用的计量单位信息等。

1.3.2 远程数据传输系统

远程数据传输系统用于传感器采集的温室内部温湿度、光照、土壤含水量等数据和视频监控数据的管理，可展示电脑与手机终端上实时、直观的数据。采用ZigBee无线传输模式上传传感器采集的数据，再用ZigBee发送模块将传感器的采集数据传送到ZigBee节点上。用户可以在平台上查看实时数据采集、历史数据管理及为用户提供的汇总统计图、打印报表、数据库备份等。

1.3.3 远程控制系统

设备远程控制系统主要由控制设备和相应的继电器控制电路组成，通过继电器可以自由控制各种生产设备[7]。用户通过电脑和手机终端从远程登入系统，查看设备的工作情况，并对设备直接下达控制命令；还可通过GSM或NET向下位机发送命令来实现开关、调节大小、自动化等功能，实现远程操作的功能。

2 铁皮石斛智能栽培管理系统开发

2.1 环境控制系统开发

采用智能环境调控技术，按照温室小气候环境和植物生长需求，结合设定模型，自动采集生物信息和环境信息。环境控制系统根据铁皮石斛的生长情况，自动控制温室天窗、帘幕、湿帘、风机、空调等设备；根据所需参数精准的自动调节铁皮石斛生长所需的气候环境、灌溉和水肥，从而提高精准种植的水平。

2.2 中控控制系统开发

系统控制装置有手/自动切换功能，可以在中央监控与管理计算机界面上分别设置每个区的环境控制操作。采用NVR对温室内安装的所有高清网络视频监控系统进行中心控制，通过计算机网络进行图像的实时传输与监控，同时通过视频图像实时观察铁皮石斛的生长状况。

中控控制系统由感知层、传输层和应用层组成。感知层由大量感知、识别设备组成，主要作用是感知识别物体、采集捕获数据信息。比如设置有土壤水分传感器、土壤湿度传感器、图像传感器等，可以感知作物环境的变化，把测到的数据记录下来。传输层主要作用是利用各种不同类型的无线网络，如3G网络、GPRS网络、WiFi网络、Internet网络等将感知到的数据信息传输到互联网上，实现物物互联，可在手机上查看铁皮石斛的生长环境状况。应用层可实现节水灌溉、土壤检测、病虫害预防、视频监控等功能的远程遥控操作。

2.3 智能控制管理系统开发

在智能管理系统的数据分析页中，通过软件进行单个数据的曲线分析，或多个传感器数据的对比分析；并通过数据分析，建立专家模型，以此为基础，在人工极少干预甚至不干预的情况下，对智能设备进行智能控制[8]。

2.4 移动客户端的实现

客户端实现采用PHP语言，实现服务器与客户端的数据同步，并在一定程度上尽量降低用户流量的使用。用户通过手机客户端可实时查询现场传感器信息以及对通风、加湿等设备进行控制，提高管理效率。系统实现与市级智慧农业综合服务平台的对接，视频、传感等信息数据实时共享；同时与浙江省智慧农业云视频可视化平台无缝接入。

3 铁皮石斛智能栽培管理系统应用

铁皮石斛智能栽培管理系统在杭州鸿越生态农业科技有限公司的铁皮石斛生产基地进行应用试验。根据农业物联网的特点及铁皮石斛种植要求，设计监控物联网：感知控制层基于ZigBee和RS485传感器网络及计算机控制模块，并针对可靠性、可扩展性和低功耗进行了优化设计；网络传输层支持多种数据传输方式和数据同步，形成系统层间数据枢纽；应用层包含数据中心、阿里云服务器和智能控制策略系统；云终端负责采集温室环境参数，配有传感器、微处理器和无线通信模块；监测系统采用自适应加权平均值数据融合方法进行数据处理。终端接入层采用Web前端技术和React Native为系统提供了可视化界面，实现对生产环境信息的远程监测，解决海量历史数据的存储问题，实现对设施设备的远程控制和智能化调控。

4 结语

智能管理系统通过采用先进的现代化高新技术，对铁皮石斛的生产过程进行动态监测和控制，并根据其结果采取相应的措施。智能管理系统可以支持手機、iPad等各种便携式终端的浏览，用户即使身在田间地头，也可以通过WiFi或各类移动运营商网络对网站进行访问，浏览各种传感器信息，并实施对各种设备的控制[7]。同时，还可针对苹果、安卓等系统定制APP，使得操作更加便捷、功能更加强大，农民易于接受，还可为名贵中药材产业发展提供有力支持。

[参考文献]

[1]伍芬芳，曾玲.浅谈中药铁皮石斛[J].浙江中西医结合杂志，2004（3）：184.

[2]宋兆杰，张金泉.数字农业研究进展及发展趋势[J].现代化农业，2007（5）：1-4.

[3]朱茗.基于物联网的智慧农业系统研究[J].中国新通信，2013（11）：19.

[4]王纪章.基于物联网的温室环境智能管理系统研究[D].镇江：江苏大学，2013.

[5]彭程.基于物联网技术的智慧农业发展策略研究[J].西安邮电学院报，2012（2）：94-98.

[6]吕伟德.基于物联网技术的水培花卉智能生产关键技术的研究与应用[D].杭州：浙江大学，2014.

[7]张明丽，吕伟德，饶君凤.基于物联网的铁皮石斛仿野生高品质栽培关键技术[J].现代农业科技，2016（19）：89-91.

[8]胡玉林.基于物联网技术的温室智能控制系统设计与实现[D].杭州：浙江农林大学，2018.