基于多光譜傳感技術(shù)的中藥材生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

摘要：為實(shí)現(xiàn)中藥材生長(zhǎng)科學(xué)管理，提出了一種基于多光譜傳感技術(shù)的中藥材生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)內(nèi)部配備的多光譜傳感器、大氣傳感器、土壤傳感器以及輻射傳感器。系統(tǒng)通過ARM（Advanced"RISC"Machine）單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并利用4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器存儲(chǔ)并用于后續(xù)分析。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以穩(wěn)定的測(cè)量中藥材各階段生長(zhǎng)參數(shù)，為中藥材精準(zhǔn)種植提供了有效的方案。

關(guān)鍵詞：中藥材""生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)""多光譜傳感技術(shù)"""4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)""單片機(jī)

中圖分類號(hào)：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

中醫(yī)藥是中華民族的瑰寶。中藥材種植的規(guī)范化管理是中藥材質(zhì)量管理體系中的重要環(huán)節(jié)，這對(duì)中藥材的品質(zhì)、藥效的提升起著至關(guān)重要的作用，因此需要設(shè)計(jì)適用于中藥材種植管理的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)中藥材信息化、數(shù)字化管理[1]。為了達(dá)到上述目標(biāo)，本文采用了中藥材的反射光譜特性作為評(píng)估其生長(zhǎng)狀態(tài)的關(guān)鍵手段，結(jié)合氣象、輻射、土壤等多維度的生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)參數(shù)，從多角度監(jiān)測(cè)中藥材的生長(zhǎng)環(huán)境。此外，多光譜傳感技術(shù)可以觀測(cè)到肉眼無(wú)法分辨的中藥材葉片的變化，利用這一特點(diǎn)可以對(duì)中藥材進(jìn)行健康評(píng)估、病害識(shí)別以及病蟲害預(yù)防等相關(guān)工作。本文深入對(duì)基于多光譜傳感技術(shù)的中藥材生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行深入討論，并分析其測(cè)量結(jié)果。

1"國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)領(lǐng)域廣泛采用的生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要聚焦于氣象、土壤等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)[2-3]。然而，這種基礎(chǔ)性的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方式不足以對(duì)中藥材這類特殊農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況評(píng)估以及病蟲害監(jiān)測(cè)預(yù)警。

多光譜傳感技術(shù)作為一種能夠監(jiān)測(cè)農(nóng)作物微觀變化的手段，在農(nóng)業(yè)種植領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用。它在植物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)、環(huán)境狀態(tài)評(píng)估以及病蟲害預(yù)防等多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域中發(fā)揮著舉足輕重的作用[4]。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)雖然具有高效、靈活的優(yōu)勢(shì)，但要求種植者具有無(wú)人機(jī)操作能力、數(shù)據(jù)分析能力。因此，需要一種具有簡(jiǎn)易性、全面性的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中藥材生長(zhǎng)的評(píng)估監(jiān)測(cè)。

2""中藥材生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的中藥材生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)幾大部分組成。中藥材生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3""硬件設(shè)計(jì)

3.1"總體結(jié)構(gòu)

中藥材生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以ARM"Cortex-M3內(nèi)核的STM32F105RCT6作為核心處理器，并通過芯片集成的外設(shè)資源實(shí)現(xiàn)與不同類型傳感器的連接與通信。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖"2所示。

3.2"多光譜傳感器模塊設(shè)計(jì)

多光譜傳感器作為中藥材生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)儀的核心元器件，用于捕捉中藥材生長(zhǎng)的光譜信息。常用的光譜植被指數(shù)覆蓋的光譜范圍為420～480"nm、490～560"nm、640～700"nm、730～760"nm以及800～855"nm[5]，這些波段內(nèi)的光能夠反映中藥材的生長(zhǎng)狀態(tài)。本文設(shè)計(jì)的中藥材生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選取了AMS公司生產(chǎn)的AS7343多光譜傳感器。該傳感器可測(cè)量13段光譜并覆蓋了380～1"100"nm的范圍，滿足設(shè)計(jì)需求。

3.3"4G物聯(lián)網(wǎng)模組設(shè)計(jì)

在中藥材生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸是通過4G網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)選用了上海移遠(yuǎn)通信公司提供的EC200"4G物聯(lián)網(wǎng)模組。單片機(jī)收集的數(shù)據(jù)通過USB協(xié)議經(jīng)由4G通信模組發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問。

4""系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

云平臺(tái)管理系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)中藥材生長(zhǎng)在線服務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)管理。云平臺(tái)管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖"3所示。

5"試驗(yàn)結(jié)果與分析

本系統(tǒng)設(shè)定數(shù)據(jù)上傳間隔為5"min，每天共產(chǎn)生288條數(shù)據(jù)記錄。本文選取系統(tǒng)在2024年1—4月期間的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸情況，如表"1所示。由于中藥材生長(zhǎng)環(huán)境是一個(gè)緩慢變化的過程且系統(tǒng)設(shè)置的采樣間隔較短，因此丟失少量數(shù)據(jù)不會(huì)顯著的影響對(duì)整體環(huán)境的監(jiān)測(cè)。

圖"4為2023年12月至2024年5月上旬中藥材種植區(qū)的歸一化差異植被指數(shù)"（Normalized"Difference"Vegetation"Index，NDVI）監(jiān)測(cè)情況，由此可見，在2023年12月至2024年2月，種植區(qū)內(nèi)基本為裸土，NDVI值較低；在2024年3月至2024年5月，種植區(qū)內(nèi)中藥材逐漸生長(zhǎng)，NDVI值逐漸升高。

6結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于多光譜傳感技術(shù)的中藥材生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，旨在通過精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)中藥材生長(zhǎng)過程中的關(guān)鍵參數(shù)，為中藥材的種植管理提供科學(xué)依據(jù)。本系統(tǒng)通過部署以多光譜傳感器為主，多種氣象傳感器為輔的傳感器監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)中藥材種植區(qū)域的全面監(jiān)測(cè)，不僅提高了中藥材種植管理的效率，同時(shí)也為中藥材的質(zhì)量提供了保證。

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