基于多光譜傳感技術的中藥材生長監測系統設計與應用研究

摘要：為實現中藥材生長科學管理，提出了一種基于多光譜傳感技術的中藥材生長監測系統。該系統內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。系統通過ARM（Advanced"RISC"Machine）單片機進行數據采集并利用4G無線網絡將數據發送至遠程服務器存儲并用于后續分析。結果表明，該系統可以穩定的測量中藥材各階段生長參數，為中藥材精準種植提供了有效的方案。

關鍵詞：中藥材""生長監測""多光譜傳感技術"""4G無線網絡""單片機

中圖分類號：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

中醫藥是中華民族的瑰寶。中藥材種植的規范化管理是中藥材質量管理體系中的重要環節，這對中藥材的品質、藥效的提升起著至關重要的作用，因此需要設計適用于中藥材種植管理的監測系統以實現中藥材信息化、數字化管理[1]。為了達到上述目標，本文采用了中藥材的反射光譜特性作為評估其生長狀態的關鍵手段，結合氣象、輻射、土壤等多維度的生長監測參數，從多角度監測中藥材的生長環境。此外，多光譜傳感技術可以觀測到肉眼無法分辨的中藥材葉片的變化，利用這一特點可以對中藥材進行健康評估、病害識別以及病蟲害預防等相關工作。本文深入對基于多光譜傳感技術的中藥材生長監測系統的設計方案進行深入討論，并分析其測量結果。

1"國內外發展現狀

目前，國內外農業領域廣泛采用的生長監測系統主要聚焦于氣象、土壤等基礎數據的監測[2-3]。然而，這種基礎性的數據監測方式不足以對中藥材這類特殊農作物的生長狀況評估以及病蟲害監測預警。

多光譜傳感技術作為一種能夠監測農作物微觀變化的手段，在農業種植領域被廣泛的應用。它在植物生長監測、環境狀態評估以及病蟲害預防等多個關鍵領域中發揮著舉足輕重的作用[4]。無人機遙感技術雖然具有高效、靈活的優勢，但要求種植者具有無人機操作能力、數據分析能力。因此，需要一種具有簡易性、全面性的監測系統實現中藥材生長的評估監測。

2""中藥材生長監測系統總體設計

本文設計的中藥材生長監測系統由傳感器系統、數據采集系統、數據傳輸系統、數據存儲系統幾大部分組成。中藥材生長監測系統功能結構如圖1所示。

3""硬件設計

3.1"總體結構

中藥材生長監測系統以ARM"Cortex-M3內核的STM32F105RCT6作為核心處理器，并通過芯片集成的外設資源實現與不同類型傳感器的連接與通信。系統的硬件結構如圖"2所示。

3.2"多光譜傳感器模塊設計

多光譜傳感器作為中藥材生長監測儀的核心元器件，用于捕捉中藥材生長的光譜信息。常用的光譜植被指數覆蓋的光譜范圍為420～480"nm、490～560"nm、640～700"nm、730～760"nm以及800～855"nm[5]，這些波段內的光能夠反映中藥材的生長狀態。本文設計的中藥材生長監測系統選取了AMS公司生產的AS7343多光譜傳感器。該傳感器可測量13段光譜并覆蓋了380～1"100"nm的范圍，滿足設計需求。

3.3"4G物聯網模組設計

在中藥材生長監測系統中，數據傳輸是通過4G網絡來實現的。系統選用了上海移遠通信公司提供的EC200"4G物聯網模組。單片機收集的數據通過USB協議經由4G通信模組發送至遠程服務器，實現數據訪問。

4""系統軟件設計

云平臺管理系統軟件的設計旨在實現對中藥材生長在線服務數據進行實時監測和數據管理。云平臺管理系統功能結構圖如圖"3所示。

5"試驗結果與分析

本系統設定數據上傳間隔為5"min，每天共產生288條數據記錄。本文選取系統在2024年1—4月期間的網絡數據傳輸情況，如表"1所示。由于中藥材生長環境是一個緩慢變化的過程且系統設置的采樣間隔較短，因此丟失少量數據不會顯著的影響對整體環境的監測。

圖"4為2023年12月至2024年5月上旬中藥材種植區的歸一化差異植被指數"（Normalized"Difference"Vegetation"Index，NDVI）監測情況，由此可見，在2023年12月至2024年2月，種植區內基本為裸土，NDVI值較低；在2024年3月至2024年5月，種植區內中藥材逐漸生長，NDVI值逐漸升高。

6結語

本文提出了一種基于多光譜傳感技術的中藥材生長監測系統的設計方案，旨在通過精準監測中藥材生長過程中的關鍵參數，為中藥材的種植管理提供科學依據。本系統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測平臺，實現對中藥材種植區域的全面監測，不僅提高了中藥材種植管理的效率，同時也為中藥材的質量提供了保證。

參考文獻

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