基于北斗和物联网的中药材种植监测平台的设计与实现

引 言

当前，在经济新常态下，互联网和新一代信息技术已成为我国经济发展的新引擎。现阶段，互联网正不断与越来越多的传统行业融合，包括中药材行业。

随着国家对中药材产业监管、监测体系的要求越来越高， 中药产业必须要有一个覆盖全产业链的信息化支撑体系，做到产业链的可追溯。

为了实现中药材产业链的全程监管，必须要建立与之相适应的信息化支撑体系，目前，商务部牵头已在中药材加工生产和流通环节建立了国家中药材流通追溯体系，但产业链上游尚未实现可管可控。利用现代信息技术实现中药材在上游种植环节的可管可控，采用北斗卫星定位、物联网、云计算技术，结合基础地理信息系统，实现对中药材种植、生长、管护情况的监测，对于全面掌握区域中药材种植分布情况，提高中药材质量品质与中药材精准种植具有重大意义，同时还能实现中药材种植面积可控、产量可估、市场可调的目标。

1 关键技术

1.1 北斗卫星导航技术

北斗卫星导航是我国具有独立自主产权的高端技术，近年来北斗技术在农业领域应用开始普及。北斗卫星导航技术在中药材种植监测中的主要用途是测亩和管护巡查，由于中药材的种植分布呈现不规则化和分散化，利用北斗终端可实现种植面积的精确测量、地理坐标标识。另一方面，对于某些种植区域较为偏僻的山区或无人区，现有移动通信手段无法有效覆盖，北斗RDSS 功能可确保采集数据直接通过卫星传输， 降低了对地面通信系统的依赖，对于边远地区、地形复杂地区的关键数据采集非常适用。北斗终端能够切实提升中药材种植基地的管理水平和监测水平。

1.2 WebGIS技术

中药材种植监测平台基于WebGIS 技术，WebGIS 是一个交互式、分布式、动态的地理信息系统，用户可以浏览空间数据并制作专题图，进行空间检索和空间分析，为用户提供中药材种植空间数据浏览、查询和分析服务。

1.3 物联网技术

在中药材种植监测过程中用到了多种环境监测传感器， 因此利用物联网技术，通过传感器采集环境数据十分必要， 主要通过小型气象站将局部气候环境信息上传至平台，实现环境数据的监测。

1.4 云计算技术

中药材种植监测平台采用云计算平台架构，能够融合接入多样化的业务。云计算平台根据用户需求动态划分或释放不同的物理和虚拟资源，当需求增加时，通过增加可用的资源进行匹配；如果用户不再使用这部分资源，便可释放。云计算为客户提供的这种能力是无限的，实现了IT 资源利用的可扩展性。此外，在系统的长期运行过程中，将会产生海量数据， 这些数据对于建立区域性中药材大数据平台十分重要。

2 平台总体设计

平台设计以云计算平台为基础，结合北斗卫星导航、物联网、移动互联网、大数据等现代信息技术，采用分层架构设计。系统逻辑架构分为采集与传输层、业务支撑层、数据资源管理层、综合业务应用层以及信息安全体系和运行维护体系。

以陕西省为例，平台在功能上能够完成陕西省中药材种植面积数据采集、测量、处理、传输、标准化、模型计算、WebGIS 数据规格化、系统构建、数据展示及应用，直观反映了中药材种植分布现状，覆盖当前陕西省 72 个中药材种植县及主要种植品种，规范化基地、重点发展品种则可以按照县、市（地区）、省统计单品种植面积、进行产量预估，并对重点种类、重点规范化基地建立中药材管护监测点。平台总体架构如图 1

3 系统设计与实现

系统设计分为四个子系统，分别为分布面积展示系统、中药材种植监测系统、中药材管护系统、中药材估产系统。

3.1 分布面积展示系统

中药材种植面积分布展示通过加载适当的地图系统，包括地形图和行政图，完成以下功能：

(1) 建立全省中药材种植信息库，包括陕西省各县中药材种植的品种、面积、主要种植户和合作社信息；

(2) 按照每种单品区域面积分布情况，自动生成种植面积覆盖区域，并统计本区域面积；

(3) 以乡、镇为单位统计本区域内中药材种植面积，以县和地区为单位统计本区域内的中药材种植面积；

(4) 以单品为统计对象，实现按照单品进行县、地区、省内种植面积的统计。

图 2 展现了利用数据地图展示陕西中药材种植面积概况， 数据地图的优势在于数据与地图相结合，能够应用地图来分析和展示与位置相关的数据，整体展现效果更加直观、明确， 一目了然。

3.2 中药材种植监测系统

3.2.1 种植面积管理

对于中药材种植基地来说，一般分布在一定海拔高度且多山地区域，由于种植区域的不规则性，会存在未连片种植的情况，导致种植面积测量较为困难。因此在中药材种植基地的面积测量方面，可采用基于北斗卫星导航的测亩仪完成， 在测量过程中，用户可以围绕被测地块走一圈，获取当前地块面积，实现多人多终端测量，简单方便，基于卫星定位导航的测亩仪可以获取当前地块的坡度、海拔、周长、面积等，方便种植户和经营者了解种植亩数。

种植面积测量界面如图 3 所示。

3.2.2 中药材种植监测系统

中药材的分布和生存受周围环境因素制约，中药材不仅需要适应一定的温度幅度（年平均温度、最低和最高月平均温度），还需要一定的温度量（如大于10℃的活动积温），且极端温度（1 月份最低温和 7 月份最高温）会严重限制中药材垂直分布和水平分布。影响中药材分布的水分因子有年降雨量，湿度；影响中药材分布的光因子有光照强度和日照时数，光因子会影响中药材开花的情况。基于以上因素，在种植具有高附加值的中药材过程中，有必要进行种植环境和生长过程的实时监测，可以通过在种植基地设置多个监测点，安置不同的传感器，如温度传感器、湿度传感器、光照传感器，定期收集该区域的环境数据，一方面有利于实时监测中药材的生长，预估当期中药材的产量，另一方面，长期的历史数据积累有利于把握种植基地的环境要素，对于下一年的战略布局十分有利。

中药材种植监测系统拓扑图如图 4 所示。

3.3 中药材种植管护系统

管护模块主要为中药材管护工作人员提供资源定位、资源数据收集等服务。管护模块可对区域内的中药材资源分布情况进行精确定位，分类管理，建立区域中药材资源基础数据库。

管护模块由北斗数据采集、管护线路规划、管护区域规划、管护数据导入、管护人员管理、管护终端管理等子模块组成。

北斗数据采集模块主要完成北斗终端数据的接收和存储 功能，当工作人员在进行区域管护巡查时，用户可利用北斗手 持终端直接勾绘图块或通过轨迹记录图块，也可利用北斗终 端设备，对中药材资源等进行拍照和摄像，并进行经纬度定点 记录，同时可填写相关文字信息。上传时若没有 3G/4G 信号， 则可将信息通过北斗短报文发送到系统，后台数据采集模块 对短报文进行解析，并将其保存到对应的资源数据库中，若工 作人员进行普查的区域已有 3G/4G 信号覆盖，则工作人员可 将资源信息直接通过移动互联网（3G/4G）发送到系统，后台 数据采集模块对数据包进行解析后保存到资源数据库中。中 药材管护系统拓扑图如图 5 所示。 

3.4 中药材估产系统 

根据中药材的种植特点，在面积已知的情况下，根据中药 材生长年限的不同进行数据建模，建立重点品种产量估算模 型，估计重点中药材品种产量。根据区域划分，按照地区、县 的种植面积估计本年度中药材的产量，并统计当年主要药材的 估计产量，可辅助中药材下一年的决策。

4 结 语

中药是特殊的农产品，具有明显的地域性特点，因此在 尊重传统的基础上，创新发展是中药材种植发展模式的大趋 势。充分利用现代信息技术建立省级区域的中药材管理信息平 台，目前在国内处于空白状态，该平台可以结合中药材产品追 溯体系，形成完整的产业链监管链条，对统筹区域中药材资源， 引导群众脱贫致富具有十分重要的意义。