基于物联网技术的中草药质量安全监控平台的设计

引 言

随着社会的发展，中医越来越受到大众的关注和认可， 人们对中草药的需求也随之增大，促进了中草药种植业的发展 [1]。由于中草药市场需求加大，中草药种植户为了确保数量能满足需求，却忽视了中草药质量的保证，在中草药种植过程中使用大量农药来保证中草药不受病虫害的影响 [2]。这一行为导致的后果是中草药质量严重受损，甚至影响原有药性，服用打过农药的中草药也会给人们的健康带来不利影响， 因此，中草药种植的质量安全监测越来越受到社会关注，而中草药的成分及其物理和化学性质与农药相似，这也从另一个角度对中草药的质量安全监测提出了更高要求 [3]。

如何将自动监测技术应用于中草药质量安全保障已受到我国中草药界的重视，如若该项技术被应用于中草药种植业， 将会极大地促进中草药种植业的健康发展 [4]。这项技术的优点在于节省了人力耗时等弊端，补充了数据的完整性，可以实现全天二十四小时监控，记录各时段的数据变化，通过智能反馈系统实现对环境相关参数的控制，进而实现中草药环境管理的智能化 [5-6]。同时为中草药生产人员提供准确、实时的实验数据，使人们对中草药的种植规律有更进一步的认识，从而优化种植工艺，降低种植成本，提高种植效益，为中草药种植科学的可持续发展奠定基础 [7]。

根据以上需求，本文借助物联网相关技术设计了一套中草药环境监测系统，该系统包含数据采集、数据传输、数据分析、数据储存、数据反馈和自动调控等模块。鉴于中草药种植环境的特点采用具有通信距离短、功耗低、使用方便、布局灵活、覆盖面积大等特点，适合中草药种植的 ZigBee技术 [8]。目前，在农业自动化监测方面已经有许多成熟的产品，大多数都利用 ZigBee 技术，例如邦纳公司生产的无线传感器节点，因其具有监测和控制能力，一般被应用在工业或农业中 [9] ；美国围克尔斯博科技公司开发研制的 EKO 系列产品可实现对环境参数的实时收集，一般应用在农业中 [10]。市场上常见的多为进口产品，优点在于质量有保证，但价格昂贵，对于国内种植户而言性价比不高，不适合在我国中草药种植领域使用和推广，且大部分产品缺少自动控制系统，无法实现智能化 [11]。

1 中草药种植环境监测平台架构的设计

利用平台实现对 pH 值、温度、重金属及农药残留含量等多参数的实时自动采集、处理和显示，对中草药中重金属及农药参量数据定期采集上报，通过传感器节点与网关无线传输，实现与数据中心的联系，并利用实时准确的数据进行分析，进而对环境参数进行反馈调节，使中草药生长环境处于稳定状态 [12]。平台架构如图 1 所示。将传感器组安装在中草药种植环境中，通过 ZigBee 技术把相关数据传到网关， 系统可支持 RS 232、以太网、WiFi、ZigBee 和蓝牙等方式。网关放置在种植区域附近，将数据传到云端服务器即监测中心，最后把数据传至网络平台或移动端，人们可以通过智能手机等手持设备，登录 APP 软件连接监测中心的数据信息， 使得用户可以随时获取中草药生长的环境参数等信息 [13]。

2 中草药种植环境监测平台的硬件设计

中草药种植质量安全监测硬件组成如图 2 所示，包括数据采集显示模块、微型处理器模块、终端显示模块和信号发送模块。基于 Web Service 技术实现跨平台访问和信息发布， 完成网站平台建设，实现对外数据交流。基于工作流技术， 通过查询流程定制工具对不同需求的用户查询进行定制，并通过手机软件进行中草药质量安全和农产品物流信息追溯、生产种植信息溯源，让消费者用上放心中草药，建立基于物联网技术的中草药质量安全体系追溯体系 [14]，实现二维条码生成、打印功能，研究基于手机的条码采集和识别技术，以支持手机、平板等终端设备的农产品质量安全信息获取 [15]。系统主要包括数据采集模块，利用微型处理器把数据传送至监测终端，接收终端上传的数据并传送到主机及移动端。

3 中草药种植环境监测平台的软件设计

构建了基于重配置的物联网软件体系结构，通过设计不同的 XML 系统配置文件来支持不同的环境，异构设备部署。系统软件设计包括利用 Android 系统制作一个基于物联网技术的中草药种植环境移动监测平台 [16]。设计 APP 的内容和布局，通过 APP 的使用即可查询中草药的生长情况及环境参数等，同时在环境参数发生异常时发出预警信号，判断是否对环境进行调控 [17]。APP 中拥有环境参数读取、环境参数历史数据查询及分析、反馈系统、中草药咨询等模块。同时开发网页端用来提供实时监控的中草药环境诊断服务。通过监测光照、pH 值、重金属等物理参数，实时分析生长环境状况， 建立中草药生长数据档案，发布生长质量状况曲线，对偏差状况进行预警。

4 结 语

针对近年来我国对中草药的需求大量增加，导致中草药种植业出现过度使用农药，严重影响中草药质量，给人们的健康带来隐患的行为，本文设计了中草药种植监测平台，通过检测相关参数来判断中草药的生长情况，进而调整种植方式，使其健康生长，并利用记录的中草药生长数据总结其生长规律。与当前传统的中草药种植系统相比，本系统可以实现中草药环境监测的智能化，时刻记录中草药的生长数据， 储存在云空间，以保证出现在市场中的每一颗中草药都可以追溯，进而保障中草药的质量安全。此系统不仅适用于中草药的种植监测，还可以应用在其他农产品上，因此市场需求极大。