基于北斗和物聯(lián)網(wǎng)的中藥材種植監(jiān)測平臺的設計與實現(xiàn)

引 言

當前，在經(jīng)濟新常態(tài)下，互聯(lián)網(wǎng)和新一代信息技術已成為我國經(jīng)濟發(fā)展的新引擎?，F(xiàn)階段，互聯(lián)網(wǎng)正不斷與越來越多的傳統(tǒng)行業(yè)融合，包括中藥材行業(yè)。

隨著國家對中藥材產(chǎn)業(yè)監(jiān)管、監(jiān)測體系的要求越來越高， 中藥產(chǎn)業(yè)必須要有一個覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈的信息化支撐體系，做到產(chǎn)業(yè)鏈的可追溯。

為了實現(xiàn)中藥材產(chǎn)業(yè)鏈的全程監(jiān)管，必須要建立與之相適應的信息化支撐體系，目前，商務部牽頭已在中藥材加工生產(chǎn)和流通環(huán)節(jié)建立了國家中藥材流通追溯體系，但產(chǎn)業(yè)鏈上游尚未實現(xiàn)可管可控。利用現(xiàn)代信息技術實現(xiàn)中藥材在上游種植環(huán)節(jié)的可管可控，采用北斗衛(wèi)星定位、物聯(lián)網(wǎng)、云計算技術，結合基礎地理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)對中藥材種植、生長、管護情況的監(jiān)測，對于全面掌握區(qū)域中藥材種植分布情況，提高中藥材質量品質與中藥材精準種植具有重大意義，同時還能實現(xiàn)中藥材種植面積可控、產(chǎn)量可估、市場可調的目標。

1 關鍵技術

1.1 北斗衛(wèi)星導航技術

北斗衛(wèi)星導航是我國具有獨立自主產(chǎn)權的高端技術，近年來北斗技術在農(nóng)業(yè)領域應用開始普及。北斗衛(wèi)星導航技術在中藥材種植監(jiān)測中的主要用途是測畝和管護巡查，由于中藥材的種植分布呈現(xiàn)不規(guī)則化和分散化，利用北斗終端可實現(xiàn)種植面積的精確測量、地理坐標標識。另一方面，對于某些種植區(qū)域較為偏僻的山區(qū)或無人區(qū)，現(xiàn)有移動通信手段無法有效覆蓋，北斗RDSS 功能可確保采集數(shù)據(jù)直接通過衛(wèi)星傳輸， 降低了對地面通信系統(tǒng)的依賴，對于邊遠地區(qū)、地形復雜地區(qū)的關鍵數(shù)據(jù)采集非常適用。北斗終端能夠切實提升中藥材種植基地的管理水平和監(jiān)測水平。

1.2 WebGIS技術

中藥材種植監(jiān)測平臺基于WebGIS 技術，WebGIS 是一個交互式、分布式、動態(tài)的地理信息系統(tǒng)，用戶可以瀏覽空間數(shù)據(jù)并制作專題圖，進行空間檢索和空間分析，為用戶提供中藥材種植空間數(shù)據(jù)瀏覽、查詢和分析服務。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)技術

在中藥材種植監(jiān)測過程中用到了多種環(huán)境監(jiān)測傳感器， 因此利用物聯(lián)網(wǎng)技術，通過傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)十分必要， 主要通過小型氣象站將局部氣候環(huán)境信息上傳至平臺，實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測。

1.4 云計算技術

中藥材種植監(jiān)測平臺采用云計算平臺架構，能夠融合接入多樣化的業(yè)務。云計算平臺根據(jù)用戶需求動態(tài)劃分或釋放不同的物理和虛擬資源，當需求增加時，通過增加可用的資源進行匹配；如果用戶不再使用這部分資源，便可釋放。云計算為客戶提供的這種能力是無限的，實現(xiàn)了IT 資源利用的可擴展性。此外，在系統(tǒng)的長期運行過程中，將會產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)， 這些數(shù)據(jù)對于建立區(qū)域性中藥材大數(shù)據(jù)平臺十分重要。

2 平臺總體設計

平臺設計以云計算平臺為基礎，結合北斗衛(wèi)星導航、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術，采用分層架構設計。系統(tǒng)邏輯架構分為采集與傳輸層、業(yè)務支撐層、數(shù)據(jù)資源管理層、綜合業(yè)務應用層以及信息安全體系和運行維護體系。

以陜西省為例，平臺在功能上能夠完成陜西省中藥材種植面積數(shù)據(jù)采集、測量、處理、傳輸、標準化、模型計算、WebGIS 數(shù)據(jù)規(guī)格化、系統(tǒng)構建、數(shù)據(jù)展示及應用，直觀反映了中藥材種植分布現(xiàn)狀，覆蓋當前陜西省 72 個中藥材種植縣及主要種植品種，規(guī)范化基地、重點發(fā)展品種則可以按照縣、市（地區(qū)）、省統(tǒng)計單品種植面積、進行產(chǎn)量預估，并對重點種類、重點規(guī)范化基地建立中藥材管護監(jiān)測點。平臺總體架構如圖 1

3 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

系統(tǒng)設計分為四個子系統(tǒng)，分別為分布面積展示系統(tǒng)、中藥材種植監(jiān)測系統(tǒng)、中藥材管護系統(tǒng)、中藥材估產(chǎn)系統(tǒng)。

3.1 分布面積展示系統(tǒng)

中藥材種植面積分布展示通過加載適當?shù)牡貓D系統(tǒng)，包括地形圖和行政圖，完成以下功能：

(1) 建立全省中藥材種植信息庫，包括陜西省各縣中藥材種植的品種、面積、主要種植戶和合作社信息；

(2) 按照每種單品區(qū)域面積分布情況，自動生成種植面積覆蓋區(qū)域，并統(tǒng)計本區(qū)域面積；

(3) 以鄉(xiāng)、鎮(zhèn)為單位統(tǒng)計本區(qū)域內(nèi)中藥材種植面積，以縣和地區(qū)為單位統(tǒng)計本區(qū)域內(nèi)的中藥材種植面積；

(4) 以單品為統(tǒng)計對象，實現(xiàn)按照單品進行縣、地區(qū)、省內(nèi)種植面積的統(tǒng)計。

圖 2 展現(xiàn)了利用數(shù)據(jù)地圖展示陜西中藥材種植面積概況， 數(shù)據(jù)地圖的優(yōu)勢在于數(shù)據(jù)與地圖相結合，能夠應用地圖來分析和展示與位置相關的數(shù)據(jù)，整體展現(xiàn)效果更加直觀、明確， 一目了然。

3.2 中藥材種植監(jiān)測系統(tǒng)

3.2.1 種植面積管理

對于中藥材種植基地來說，一般分布在一定海拔高度且多山地區(qū)域，由于種植區(qū)域的不規(guī)則性，會存在未連片種植的情況，導致種植面積測量較為困難。因此在中藥材種植基地的面積測量方面，可采用基于北斗衛(wèi)星導航的測畝儀完成， 在測量過程中，用戶可以圍繞被測地塊走一圈，獲取當前地塊面積，實現(xiàn)多人多終端測量，簡單方便，基于衛(wèi)星定位導航的測畝儀可以獲取當前地塊的坡度、海拔、周長、面積等，方便種植戶和經(jīng)營者了解種植畝數(shù)。

種植面積測量界面如圖 3 所示。

3.2.2 中藥材種植監(jiān)測系統(tǒng)

中藥材的分布和生存受周圍環(huán)境因素制約，中藥材不僅需要適應一定的溫度幅度（年平均溫度、最低和最高月平均溫度），還需要一定的溫度量（如大于10℃的活動積溫），且極端溫度（1 月份最低溫和 7 月份最高溫）會嚴重限制中藥材垂直分布和水平分布。影響中藥材分布的水分因子有年降雨量，濕度；影響中藥材分布的光因子有光照強度和日照時數(shù)，光因子會影響中藥材開花的情況。基于以上因素，在種植具有高附加值的中藥材過程中，有必要進行種植環(huán)境和生長過程的實時監(jiān)測，可以通過在種植基地設置多個監(jiān)測點，安置不同的傳感器，如溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器，定期收集該區(qū)域的環(huán)境數(shù)據(jù)，一方面有利于實時監(jiān)測中藥材的生長，預估當期中藥材的產(chǎn)量，另一方面，長期的歷史數(shù)據(jù)積累有利于把握種植基地的環(huán)境要素，對于下一年的戰(zhàn)略布局十分有利。

中藥材種植監(jiān)測系統(tǒng)拓撲圖如圖 4 所示。

3.3 中藥材種植管護系統(tǒng)

管護模塊主要為中藥材管護工作人員提供資源定位、資源數(shù)據(jù)收集等服務。管護模塊可對區(qū)域內(nèi)的中藥材資源分布情況進行精確定位，分類管理，建立區(qū)域中藥材資源基礎數(shù)據(jù)庫。

管護模塊由北斗數(shù)據(jù)采集、管護線路規(guī)劃、管護區(qū)域規(guī)劃、管護數(shù)據(jù)導入、管護人員管理、管護終端管理等子模塊組成。

北斗數(shù)據(jù)采集模塊主要完成北斗終端數(shù)據(jù)的接收和存儲 功能，當工作人員在進行區(qū)域管護巡查時，用戶可利用北斗手 持終端直接勾繪圖塊或通過軌跡記錄圖塊，也可利用北斗終 端設備，對中藥材資源等進行拍照和攝像，并進行經(jīng)緯度定點 記錄，同時可填寫相關文字信息。上傳時若沒有 3G/4G 信號， 則可將信息通過北斗短報文發(fā)送到系統(tǒng)，后臺數(shù)據(jù)采集模塊 對短報文進行解析，并將其保存到對應的資源數(shù)據(jù)庫中，若工 作人員進行普查的區(qū)域已有 3G/4G 信號覆蓋，則工作人員可 將資源信息直接通過移動互聯(lián)網(wǎng)（3G/4G）發(fā)送到系統(tǒng)，后臺 數(shù)據(jù)采集模塊對數(shù)據(jù)包進行解析后保存到資源數(shù)據(jù)庫中。中 藥材管護系統(tǒng)拓撲圖如圖 5 所示。 

3.4 中藥材估產(chǎn)系統(tǒng) 

根據(jù)中藥材的種植特點，在面積已知的情況下，根據(jù)中藥 材生長年限的不同進行數(shù)據(jù)建模，建立重點品種產(chǎn)量估算模 型，估計重點中藥材品種產(chǎn)量。根據(jù)區(qū)域劃分，按照地區(qū)、縣 的種植面積估計本年度中藥材的產(chǎn)量，并統(tǒng)計當年主要藥材的 估計產(chǎn)量，可輔助中藥材下一年的決策。

4 結 語

中藥是特殊的農(nóng)產(chǎn)品，具有明顯的地域性特點，因此在 尊重傳統(tǒng)的基礎上，創(chuàng)新發(fā)展是中藥材種植發(fā)展模式的大趨 勢。充分利用現(xiàn)代信息技術建立省級區(qū)域的中藥材管理信息平 臺，目前在國內(nèi)處于空白狀態(tài)，該平臺可以結合中藥材產(chǎn)品追 溯體系，形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈監(jiān)管鏈條，對統(tǒng)籌區(qū)域中藥材資源， 引導群眾脫貧致富具有十分重要的意義。