基于多光谱传感技术的中药材生长监测系统设计与应用研究

摘要：为实现中药材生长科学管理，提出了一种基于多光谱传感技术的中药材生长监测系统。该系统内部配备的多光谱传感器、大气传感器、土壤传感器以及辐射传感器。系统通过ARM（Advanced"RISC"Machine）单片机进行数据采集并利用4G无线网络将数据发送至远程服务器存储并用于后续分析。结果表明，该系统可以稳定的测量中药材各阶段生长参数，为中药材精准种植提供了有效的方案。

关键词：中药材""生长监测""多光谱传感技术"""4G无线网络""单片机

中图分类号：TP393

Design"and"Application"Research"of"Traditional"Chinese"Medicine"Growth"Monitoring"System"Based"on"Multispectral"Sensing"Technology

ZHAO"Zhe1"""TAN"Jifeng1*"""CHEN"Peng2"""LIU"Lihong2

1.Sinomach"Sensing"Technology"Co.，"Ltd."Shenyang，"Liaoning"Province，110094"China;"2."Shenyang"Polytechnic"College，"Shenyang，"Liaoning"Province，"110045"China

Abstract："A"traditional"Chinese"medicine"growth"monitoring"system"based"on"multispectral"sensing"technology"is"proposed"to"achieve"scientific"management"of"traditional"Chinese"medicine"growth."The"system"is"equipped"with"multispectral"sensors，"atmospheric"sensors，"soil"sensors，"and"radiation"sensors"internally."The"system"collects"data"through"Advanced"RISC"Machine（ARM）"microcontroller"and"sends"the"data"to"a"remote"server"for"storage"and"subsequent"analysis"via"4G"wireless"network."The"results"indicate"that"the"system"can"stably"measure"the"growth"parameters"of"Chinese"medicinal"materials"at"various"stages，"providing"an"effective"solution"for"precise"cultivation"of"Chinese"medicinal"materials.

Key"Words："Chinese"medicinal"materials;"Growth"monitoring;"Multispectral"sensing"technology;"4G"wireless"network;"Advanced"RISC"Machine

中医药是中华民族的瑰宝。中药材种植的规范化管理是中药材质量管理体系中的重要环节，这对中药材的品质、药效的提升起着至关重要的作用，因此需要设计适用于中药材种植管理的监测系统以实现中药材信息化、数字化管理[1]。为了达到上述目标，本文采用了中药材的反射光谱特性作为评估其生长状态的关键手段，结合气象、辐射、土壤等多维度的生长监测参数，从多角度监测中药材的生长环境。此外，多光谱传感技术可以观测到肉眼无法分辨的中药材叶片的变化，利用这一特点可以对中药材进行健康评估、病害识别以及病虫害预防等相关工作。本文深入对基于多光谱传感技术的中药材生长监测系统的设计方案进行深入讨论，并分析其测量结果。

1"国内外发展现状

目前，国内外农业领域广泛采用的生长监测系统主要聚焦于气象、土壤等基础数据的监测[2-3]。然而，这种基础性的数据监测方式不足以对中药材这类特殊农作物的生长状况评估以及病虫害监测预警。

多光谱传感技术作为一种能够监测农作物微观变化的手段，在农业种植领域被广泛的应用。它在植物生长监测、环境状态评估以及病虫害预防等多个关键领域中发挥着举足轻重的作用[4]。无人机遥感技术虽然具有高效、灵活的优势，但要求种植者具有无人机操作能力、数据分析能力。因此，需要一种具有简易性、全面性的监测系统实现中药材生长的评估监测。

2""中药材生长监测系统总体设计

本文设计的中药材生长监测系统由传感器系统、数据采集系统、数据传输系统、数据存储系统几大部分组成。中药材生长监测系统功能结构如图1所示。

3""硬件设计

3.1"总体结构

中药材生长监测系统以ARM"Cortex-M3内核的STM32F105RCT6作为核心处理器，并通过芯片集成的外设资源实现与不同类型传感器的连接与通信。系统的硬件结构如图"2所示。

3.2"多光谱传感器模块设计

多光谱传感器作为中药材生长监测仪的核心元器件，用于捕捉中药材生长的光谱信息。常用的光谱植被指数覆盖的光谱范围为420～480"nm、490～560"nm、640～700"nm、730～760"nm以及800～855"nm[5]，这些波段内的光能够反映中药材的生长状态。本文设计的中药材生长监测系统选取了AMS公司生产的AS7343多光谱传感器。该传感器可测量13段光谱并覆盖了380～1"100"nm的范围，满足设计需求。

3.3"4G物联网模组设计

在中药材生长监测系统中，数据传输是通过4G网络来实现的。系统选用了上海移远通信公司提供的EC200"4G物联网模组。单片机收集的数据通过USB协议经由4G通信模组发送至远程服务器，实现数据访问。

4""系统软件设计

云平台管理系统软件的设计旨在实现对中药材生长在线服务数据进行实时监测和数据管理。云平台管理系统功能结构图如图"3所示。

5"试验结果与分析

本系统设定数据上传间隔为5"min，每天共产生288条数据记录。本文选取系统在2024年1—4月期间的网络数据传输情况，如表"1所示。由于中药材生长环境是一个缓慢变化的过程且系统设置的采样间隔较短，因此丢失少量数据不会显著的影响对整体环境的监测。

图"4为2023年12月至2024年5月上旬中药材种植区的归一化差异植被指数"（Normalized"Difference"Vegetation"Index，NDVI）监测情况，由此可见，在2023年12月至2024年2月，种植区内基本为裸土，NDVI值较低；在2024年3月至2024年5月，种植区内中药材逐渐生长，NDVI值逐渐升高。

6结语

本文提出了一种基于多光谱传感技术的中药材生长监测系统的设计方案，旨在通过精准监测中药材生长过程中的关键参数，为中药材的种植管理提供科学依据。本系统通过部署以多光谱传感器为主，多种气象传感器为辅的传感器监测平台，实现对中药材种植区域的全面监测，不仅提高了中药材种植管理的效率，同时也为中药材的质量提供了保证。

参考文献

• 杨慧娟，董林林，郑文科.我国中药材生产质量管理中存在的问题与对策[J].中国现代中药，2024，26（3）：4""""25-430.
• 李联鑫，梁冀，林雪琼，等.物联网大棚农作物生长环境参数监测系统的设计[J].电子制作，2024，32（2）：50""""-53."
• 庞启，成妍妍，庞丽霞.基于LabVIEW的半夏生长环境因子监测软件系统设计与实现[J].辽宁农业职业技""""术学院学报，2023，25（5）：1-4.
• 朱春宇."基于深度学习的高光谱与多光谱遥感图像融合方法研究[D].长春：吉林大学，2024.
• 冯惠芬，李映雪，吴芳，等.机器学习结合高光谱植被指数与SPAD值估算冬小麦氮含量[J].农业工程学报，2024，40（1）：227-237.