基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的中草藥質(zhì)量安全監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)

引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展，中醫(yī)越來(lái)越受到大眾的關(guān)注和認(rèn)可， 人們對(duì)中草藥的需求也隨之增大，促進(jìn)了中草藥種植業(yè)的發(fā)展 [1]。由于中草藥市場(chǎng)需求加大，中草藥種植戶(hù)為了確保數(shù)量能滿(mǎn)足需求，卻忽視了中草藥質(zhì)量的保證，在中草藥種植過(guò)程中使用大量農(nóng)藥來(lái)保證中草藥不受病蟲(chóng)害的影響 [2]。這一行為導(dǎo)致的后果是中草藥質(zhì)量嚴(yán)重受損，甚至影響原有藥性，服用打過(guò)農(nóng)藥的中草藥也會(huì)給人們的健康帶來(lái)不利影響， 因此，中草藥種植的質(zhì)量安全監(jiān)測(cè)越來(lái)越受到社會(huì)關(guān)注，而中草藥的成分及其物理和化學(xué)性質(zhì)與農(nóng)藥相似，這也從另一個(gè)角度對(duì)中草藥的質(zhì)量安全監(jiān)測(cè)提出了更高要求 [3]。

如何將自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于中草藥質(zhì)量安全保障已受到我國(guó)中草藥界的重視，如若該項(xiàng)技術(shù)被應(yīng)用于中草藥種植業(yè)， 將會(huì)極大地促進(jìn)中草藥種植業(yè)的健康發(fā)展 [4]。這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于節(jié)省了人力耗時(shí)等弊端，補(bǔ)充了數(shù)據(jù)的完整性，可以實(shí)現(xiàn)全天二十四小時(shí)監(jiān)控，記錄各時(shí)段的數(shù)據(jù)變化，通過(guò)智能反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境相關(guān)參數(shù)的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)中草藥環(huán)境管理的智能化 [5-6]。同時(shí)為中草藥生產(chǎn)人員提供準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使人們對(duì)中草藥的種植規(guī)律有更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，從而優(yōu)化種植工藝，降低種植成本，提高種植效益，為中草藥種植科學(xué)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ) [7]。

根據(jù)以上需求，本文借助物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)了一套中草藥環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)反饋和自動(dòng)調(diào)控等模塊。鑒于中草藥種植環(huán)境的特點(diǎn)采用具有通信距離短、功耗低、使用方便、布局靈活、覆蓋面積大等特點(diǎn)，適合中草藥種植的 ZigBee技術(shù) [8]。目前，在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方面已經(jīng)有許多成熟的產(chǎn)品，大多數(shù)都利用 ZigBee 技術(shù)，例如邦納公司生產(chǎn)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，因其具有監(jiān)測(cè)和控制能力，一般被應(yīng)用在工業(yè)或農(nóng)業(yè)中 [9] ；美國(guó)圍克爾斯博科技公司開(kāi)發(fā)研制的 EKO 系列產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)收集，一般應(yīng)用在農(nóng)業(yè)中 [10]。市場(chǎng)上常見(jiàn)的多為進(jìn)口產(chǎn)品，優(yōu)點(diǎn)在于質(zhì)量有保證，但價(jià)格昂貴，對(duì)于國(guó)內(nèi)種植戶(hù)而言性?xún)r(jià)比不高，不適合在我國(guó)中草藥種植領(lǐng)域使用和推廣，且大部分產(chǎn)品缺少自動(dòng)控制系統(tǒng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)智能化 [11]。

1 中草藥種植環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)架構(gòu)的設(shè)計(jì)

利用平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì) pH 值、溫度、重金屬及農(nóng)藥殘留含量等多參數(shù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)采集、處理和顯示，對(duì)中草藥中重金屬及農(nóng)藥參量數(shù)據(jù)定期采集上報(bào)，通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)無(wú)線傳輸，實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)中心的聯(lián)系，并利用實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，使中草藥生長(zhǎng)環(huán)境處于穩(wěn)定狀態(tài) [12]。平臺(tái)架構(gòu)如圖 1 所示。將傳感器組安裝在中草藥種植環(huán)境中，通過(guò) ZigBee 技術(shù)把相關(guān)數(shù)據(jù)傳到網(wǎng)關(guān)， 系統(tǒng)可支持 RS 232、以太網(wǎng)、WiFi、ZigBee 和藍(lán)牙等方式。網(wǎng)關(guān)放置在種植區(qū)域附近，將數(shù)據(jù)傳到云端服務(wù)器即監(jiān)測(cè)中心，最后把數(shù)據(jù)傳至網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)或移動(dòng)端，人們可以通過(guò)智能手機(jī)等手持設(shè)備，登錄 APP 軟件連接監(jiān)測(cè)中心的數(shù)據(jù)信息， 使得用戶(hù)可以隨時(shí)獲取中草藥生長(zhǎng)的環(huán)境參數(shù)等信息 [13]。

2 中草藥種植環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)

中草藥種植質(zhì)量安全監(jiān)測(cè)硬件組成如圖 2 所示，包括數(shù)據(jù)采集顯示模塊、微型處理器模塊、終端顯示模塊和信號(hào)發(fā)送模塊?；?Web Service 技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)訪問(wèn)和信息發(fā)布， 完成網(wǎng)站平臺(tái)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外數(shù)據(jù)交流?；诠ぷ髁骷夹g(shù)， 通過(guò)查詢(xún)流程定制工具對(duì)不同需求的用戶(hù)查詢(xún)進(jìn)行定制，并通過(guò)手機(jī)軟件進(jìn)行中草藥質(zhì)量安全和農(nóng)產(chǎn)品物流信息追溯、生產(chǎn)種植信息溯源，讓消費(fèi)者用上放心中草藥，建立基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的中草藥質(zhì)量安全體系追溯體系 [14]，實(shí)現(xiàn)二維條碼生成、打印功能，研究基于手機(jī)的條碼采集和識(shí)別技術(shù)，以支持手機(jī)、平板等終端設(shè)備的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全信息獲取 [15]。系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊，利用微型處理器把數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)測(cè)終端，接收終端上傳的數(shù)據(jù)并傳送到主機(jī)及移動(dòng)端。

3 中草藥種植環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)

構(gòu)建了基于重配置的物聯(lián)網(wǎng)軟件體系結(jié)構(gòu)，通過(guò)設(shè)計(jì)不同的 XML 系統(tǒng)配置文件來(lái)支持不同的環(huán)境，異構(gòu)設(shè)備部署。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括利用 Android 系統(tǒng)制作一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的中草藥種植環(huán)境移動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái) [16]。設(shè)計(jì) APP 的內(nèi)容和布局，通過(guò) APP 的使用即可查詢(xún)中草藥的生長(zhǎng)情況及環(huán)境參數(shù)等，同時(shí)在環(huán)境參數(shù)發(fā)生異常時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，判斷是否對(duì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)控 [17]。APP 中擁有環(huán)境參數(shù)讀取、環(huán)境參數(shù)歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)及分析、反饋系統(tǒng)、中草藥咨詢(xún)等模塊。同時(shí)開(kāi)發(fā)網(wǎng)頁(yè)端用來(lái)提供實(shí)時(shí)監(jiān)控的中草藥環(huán)境診斷服務(wù)。通過(guò)監(jiān)測(cè)光照、pH 值、重金屬等物理參數(shù)，實(shí)時(shí)分析生長(zhǎng)環(huán)境狀況， 建立中草藥生長(zhǎng)數(shù)據(jù)檔案，發(fā)布生長(zhǎng)質(zhì)量狀況曲線，對(duì)偏差狀況進(jìn)行預(yù)警。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)近年來(lái)我國(guó)對(duì)中草藥的需求大量增加，導(dǎo)致中草藥種植業(yè)出現(xiàn)過(guò)度使用農(nóng)藥，嚴(yán)重影響中草藥質(zhì)量，給人們的健康帶來(lái)隱患的行為，本文設(shè)計(jì)了中草藥種植監(jiān)測(cè)平臺(tái)，通過(guò)檢測(cè)相關(guān)參數(shù)來(lái)判斷中草藥的生長(zhǎng)情況，進(jìn)而調(diào)整種植方式，使其健康生長(zhǎng)，并利用記錄的中草藥生長(zhǎng)數(shù)據(jù)總結(jié)其生長(zhǎng)規(guī)律。與當(dāng)前傳統(tǒng)的中草藥種植系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)中草藥環(huán)境監(jiān)測(cè)的智能化，時(shí)刻記錄中草藥的生長(zhǎng)數(shù)據(jù)， 儲(chǔ)存在云空間，以保證出現(xiàn)在市場(chǎng)中的每一顆中草藥都可以追溯，進(jìn)而保障中草藥的質(zhì)量安全。此系統(tǒng)不僅適用于中草藥的種植監(jiān)測(cè)，還可以應(yīng)用在其他農(nóng)產(chǎn)品上，因此市場(chǎng)需求極大。