1、基于 Arduino 和 SIM900 的现代化中药农场远程监控管理系统的研究摘要：针对目前我国落后的中药种植管理模式，本文借助于物联网技术，提出一种应用于现代化农场参数无线监测管理系统。我们以宁夏拓明农场为实践对象，远程监控管理种植的板蓝根、甘草、黄芪三种中药植物。通过在农场内安装的各种特征传感器，将需要获取的特征信息远程传送到管理人员的手机、电脑等电子设备上，由此管理人员就能在任何地方随时随地的把握农场的各种情况，以便通过手机、电脑反馈控制农场各类自动化设备的操作，实现远程监控管理现代化中药种植农场的目的。同时，通过将采集的数据信息构建数据库，进行信息融合分析。最终实现中药生产和管理的信息
2、化和数字化以及自动化，促进中药生产的现代化和规模化。 关键词：物联网技术；远程管理；中药种植 1 前言 近年来，远程监控技术应用于现代化农业的研究十分热门。它起源于 20 世纪末西方国家提出的“数字农业“思想，是结合了 GIS、GPS 技术、智能决策系统、自动控制理论的一种现代化农业生产形式。据报道，截止 2013 年已有中药材种植面积达 110 万亩，有 20 余万农民从事中药产业，约 1/4 的农田种植药材。今天，中药材生产已经成为亳州农业的支柱产业。尽管种植中药材的面积大，品种多，但却存在着种植以散户为主、技术低下，操作不规范，偏面追求产量和效益，忽视质量等问题。亳州种植中药材的问题在全
3、国有普遍性。中药种植属于高风险行业，天气、病虫害、化肥和农药价格、油价、市场需求等因素都会影响收成。所以运用信息化手段管理农场将成为了一个趋势和向导。 2 现代化中药农场管理系统基本框架 整个物联网应用可以分为三层，见表 1。 本系统由各种特征传感器构成一个微型监护网络，传感器节点上使用中央控制器对所需要监测的植物生命指标、环境指标等传感器进行控制来采集数据。通过 SIM900 无线接发模块和 Arduino Yun 模块二种联网方式将数据发送至终端设备，并由该设备将数据传输至网络上，通过网络可将数据传输至远程监控中心，由专业人员对数据进行分析统计，提供必要的咨询服务，实现远程管理。 3 系统
4、技术关键 3.1 远程监控技术 3.1.1 远程监控控制端介绍 本系统的一大优点就是在于其便利的远程监控，共有两种方式。 一种是基于“ArduinoYun 模块“联网方式的监控（简称“网页端“） ，该方式的好处就在于可以很方便的查看和控制。我们采用的 Arduino Yun主板，自带路由器（即无线传输功能） ，将传感器采集到的信息传输到互联网，同时移动电子设备（包括笔记本电脑、ipad、手机等一切可上网的设备）连接到互联网网络。就可以实现远程监控管理操作。 该方法非常便捷使用，不限制于所使用的设备，对比手机 App 或 PC端软件的好处是：免去了下载安装，避免换设备时因没有安装而不能使用的情况
5、；同时网页端的操作不受电子设备本身操作系统的影响（无论是安卓或 IOS 平台都可以使用） ，省去了开发 App 时需要兼顾系统平台的问题。 另外，考虑到系统的安全性，我们在使用网页端时，设置了用户名和密码进行加密保护，避免有其他人员的使用。 目前已经可以完成：自动灌溉、实时温湿度获取、实时图像获取、检测入侵、系统自动报警等。 操作界面，见图 1。 图 1 “网页端“在电脑操作界面示意图 在“网页端“的电脑操作界面上，还可切换数据视图，如：折线图、柱状图、文本数据。同时设计有图片保存功能，可将所需要的数据以图片格式保存。 同时，将这些采集到的数据建立数据库，为后期研究作准备（详见技术关键信息整合
6、部分） 。 另一种则是基于“SIM900 模块“的联网方式（简称“手机端“） ，它是基于电话拨号、短信功能。可以在没有无线网络的状况下使用，保证了单一故障情况下系统的可靠性。由现场的传感器实时监测当时的温湿度、光强等环境数据，并把数据通过无线接发模块 SIM900 定时发送到管理人员的手机上。或需主动查询时，即通过拨号到指定号码，随后可以短信形式接收到实时的农场参数信息（T 为温度、H 为湿度、L 为光强） ， 目前已完成的有：短信接收温湿度、光照度、有无人员闯入等信息，见图 2。 图 2 “手机端“系统工作流程图 3.1.2 远程监控功能介绍 远程监控主要可实现以下 4 方面的功能：实时数据
7、检测：主控制器定时轮询传感器节点，检测环境实时数据，包括实时图像、温度、湿度、光照等数据，将信息存储到主控器的芯片卡中，用于后期环境数据的记录，同时建立数据库，实时获取检测数据的信息，便于计算机完成对数据处理和分析。系统自动报警：当主控制器检测到本地监控参数，会对数据进行分析，如果监控参数达到报警阈值，主控制器将根据预警方案向控制中心发送报警信息，从而提醒管理者，随后可立即采取相应措施。以板蓝根为例，当温度超过 25，土壤湿度超过 80%时，系统就会自动报警提示，见图 3。入侵检测：系统可以根据人体红外传感器进行入侵检测。当有动物或人员进入检测范围内（57m） ，系统将会发送短信提示管理者。同
8、时触发蜂鸣器工作，发出警报声意图赶走入侵者并提示现场人员采取相应措施。反馈控制：用户可以通过手机发送相关控制命令到主控制器，主控制器接收到指令后会根据预设规则采集相应数据信息，并将数据信息反馈至用户终端。如用手机或电脑远程“开启/关闭“农场的自动灌溉装置等。 图 3 自动报警示意图（红色字为报警提示） 3.2 硬件平台选择 在硬件选择上，我们采用当今比较流行的开源硬件-Arduino。Arduino 是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包含硬件（各种型号的 Arduino 板）和软件（Arduino IDE） 。 Arduino 是一个基于开放原始码的软硬件平台，构建于开放原始码sim
9、ple I/O 介面版，并且具有使用类似 Java、C 语言的Processing/Wiring 开发环境。 3.3 传感器的选择 传感器采集中药植物各种生长参数，这些参数将通过下位机进行数据处理及融合，通过无线数据传输将数据发送到终端节点并由 Internet 发送到远程监控中心，为管理人员提供各种重要的生长参数变化，帮助他们实时监测远端中药植物的生长状况，并可以及时地采取相应措施。无线传感器网络节点的点框图和处理器单元如下图所示： 图 4 点框图和处理器单元示意图 对于该系统，我们将采用如下的传感器：光强度-BH1750；温湿度-SHT1x 和 SHT11；生长情况-东芝 MJPG UVC
10、 720P 高清摄像头；人体红外感应模块-HC-SR501；有源蜂鸣器-AC-S701。 3.4 充电技术与功耗 充电技术我们将采用太阳能充电的形式，但是太阳能充电的电流过小，不能很快速的充满一节锂电池，所以在系统中我们将加入低功耗模式。即传感部分及数据处理部分将采每隔一段时间采集并上传数据的形式，而非循环采集。 在设备唤醒上，我们优先采用 WDT 看门狗进行唤醒。 3.5 数据获取-建立数据库 对于由分布在农场中的各个传感器装置采集到的数据资料，通过电脑将这些数据存储到数据库中。另外，作为备份，采用在软件中建立数据库和在 Arduino YUN 硬件中放置储存芯片记录实时检测数据。 4 总结
11、与展望 在传统人工逐渐被代替的今天，中药材生产必须彻底打破小农经济的模式，走规模化规范化的改革道路，引进高科技先进的管理模式和技术。故我们所设计的“现代化农场远程监控管理系统“是符合当下改革潮流趋势的，本系统有助于推动中药种植的发展、质量控制与普及提高，并朝着客观化、标准化、规范化方向迈上新台阶，对推动中医药事业实现数字化、现代化具有深远的意义。 参考文献： 1陈吕洲.Arduino 程序设计基础M.北京航空航天大学出版社，2010. 2徐小龙.无线传感器网络技术与应用R.南京邮电大学. 3杨林楠.三化螟、斑潜蝇发生预测模型研究与应用D.电子科技大学博士论文. 4曾新平.浅谈远程监控无线通讯方式的选择J.中小企业管理与科技，2015（20）. 5马志欣.谭峰.侯召龙.基于 Andriod 的农业生产远程监控系统J.农机化研究，2015（3）.编辑/丁一
