基于物联网技术的中草药标准化种植环境调控系统设计_唐涛.pdf

3 电子技术 基于物联网技术的中草药标准化种植环境调控 系统设计 唐涛 王鑫 刘华 宋欣 姜永成 王繁珍 天津农学院工程技术学院 天津 300392 基金项目 1 天津市科技计划项目 中央引导地方科技发展资金 项目编号 24ZYCGSN00290 2 2022年河北省重点研发计划 京津冀 协同专项 项目编号 22347402D 摘要 针对中草药种植中环境监测实时性差 偏远地区通信难的问题 本文设计了一套基于LoRa无线通信与PLC控制的环境调控系统 系 统通过RS 485总线集成土壤氮磷钾 温湿度 二氧化碳浓度 光照等多传感器 利用LoRa技术实现3km内数据无线回传 结合MQTT协议 将数据推送至阿里云平台 PLC根据云端分析结果自动控制温控 补光 灌溉等执行机构 支持手动 自动双模式切换 测试结果表明 传 感器数据采集周期 10s LoRa节点日均功耗 0 1W 该系统为中小型种植户提供了低成本的标准化管理方案 关键词 环境监测 LoRa MQTT 标准化种植 中图分类号 TP272 S24 文献标识码 A 0 引言 近年来 中药材生态种植已成为推动中医药高质量发展 的重要方向 同时我国持续强化 中药材生产质量管理规范 GAP 的实施力度 着力促进常用中药材种植的规范化与 标准化 1 截至 2025 年 3 月统计数据显示 全国中药材种 植面积已突破 5000 万亩 产业规模显著扩大 2 然而 种 植环境的科学化管理仍是制约药材产量与品质提升的核心 瓶颈 3 许多中草药品种尚未制定统一的种植标准 导致质 量参差不齐 部分地区仍使用传统粗放式种植 依赖人工 巡检 4 存在监测实时性不足 温湿度数据滞后数小时 调控精准度低 灌溉水量依赖经验判断 等问题 缺乏科学 管理 易导致药材质量波动 现有数字化系统多采用有线传 感网络 面临田间布线复杂 需预埋线缆 单亩改造成本高 地形适应性差等缺陷 难以规模化推广 针对以上问题 本研究提出一种基于物联网技术的中 草药标准化种植环境调控系统 该系统以PLC 可编程逻 辑控制器 为核心控制单元 构建分布式无线传感网络 实现对温度 湿度 光照强度 土壤温湿度及氮磷钾含量 等关键参数的实时监测与动态调控 利用 LoRa 技术独有的 远距离传输 覆盖半径 3 10km 低功耗运行 节点日均 能耗 0 1W 与强抗干扰特性 5 彻底解决山地 梯田等 复杂地形的设备部署难题 为现代中药种植产业的高质量 发展提供了可靠的技术支撑 1 系统方案 为了适应山地 偏远地区的网络环境 构建一套基于低 功耗广域网 LPWAN 技术的中草药标准化种植环境调控 系统 该系统具备实时监测种植环境中土壤氮 磷 钾含量 温度 湿度 光照强度以及二氧化碳浓度等关键参数的能力 由感知执行层 控制层和服务层构成 其结构示意图如图 1 所示 云平台边缘网关 网关 从机传感器执行机构 上位机 服务层 控制层 感知执行层 图 1 系统结构示意图 1 感知执行层 利用RS 485总线技术构建网络 集 成高精度的环境传感器节点 实时监测中草药种植环境中的 关键参数 如温度 湿度 光照强度 土壤中的氮 磷 钾 含量以及二氧化碳浓度 通过 LoRa 低功耗广域网技术 实 现传感数据的无线回传至边缘网关 有效克服了传统有线部 署的局限性 此外 根据控制层的指令 可以调整环境温度 补充光照 调节二氧化碳浓度 增加土壤水分等 2 服务层 云平台负责接收边缘网关通过 MQTT 协议 传输的数据 并进行集中处理与分析 3 控制层 实现精准的环境调控 PLC 从云端获取经 过处理的数据 并依据预设的逻辑控制执行器 自动调节环 境参数 同时 通过上位机组态软件提供直观的人机交互 界面 2 硬件系统 2 1 传感器模块 图2为数据流传示意图 LoRa模块提供RS 232和 DOI 10 16589 11 3571 tn 2025 18 011 4 电子制作 2025 年9月 电子技术 RS 485 总线接口 兼容大多数标准或非标准的用户协议 在数据传输过程中 模块支持透明传输 空中无线通信距离 可达 0 3 公里 适合本系统的应用需求 土壤氮磷钾传感器 温湿度传感器 二氧化碳传感器 光照传感器 网关云平台 协议协议 图 2 数据流转示意图 中草药种植过程中 需要进行气候环境与土壤环境的 信息采集 表1详细列出了本系统所选用的传感器及其具 体参数 涵盖了土壤氮磷钾含量 温湿度 二氧化碳浓度 光照强度等关键指标的监测 例如 对于土壤氮磷钾含量 的监测 系统采用 AS7341 多通道光谱传感芯片 通过近红 外光谱分析技术实现非接触式测量 内置温度补偿算法 确保复杂环境下的稳定性 其测量精度可达 5 能够 实时反映土壤养分状况 温湿度传感器则采用 SHT35 数字 芯片 内置加热元件 防止结露导致的测量误差 测量范 围 40 80 0 100 RH 测量精度我的 0 5 湿 度 2 RH 稳定性好 适用于山地 梯田等各种恶劣环境 二氧化碳浓度传感器基于 SCD30 非分散红外 NDIR 芯片 配备高分子滤膜隔离水汽干扰 支持自动基线校准 误差 50ppm 独特的透气性能 抗干扰能力强 确保中草药光 合作用与呼吸作用的平衡 光照强度传感器集成 BH1750FVI 高分辨率光敏芯片 支持 I2C 转 RS 485 通信 响应速度快 响应时间 1ms 测量范围 0 200000Lux 能够准确反映中草 药生长所需的光照条件 所有传感器均通过RS 485总线与 LoRa 模块相连 实现了高精度 高可靠性的环境数据采集 为中草药标准化种植提供了精准的数据支撑 2 2 PLC 本系统以西门子 S7 200 Smart PLC 为核 心控制单元 通过集成多类执行设备与通信 模块 实现中草药种植环境的精准调控 网 关通过RS 485串口协议与PLC连接 实现 云平台数据交互 系统启动后 运行指示灯 常亮标识设备工作状态 升温降温器 用于 调节环境温度 二氧化碳浓度过低时 风机 调节空气流通与二氧化碳浓度 环境光照不 充足时 补光器根据光照强度动态补光 PLC 硬件连接图如图 3 所示 1L Q0 0 Q0 1 Q0 2 Q0 3 Q0 4 Q0 5 Q0 7Q0 6 1M I0 0 I0 1 I0 2 I0 3 I0 4 I0 5 I0 6 I0 7 启动按钮 DC24V 停止按钮 自动运行按 钮 手动运行按 钮 N L GND D C 2 4 V DC24V 启动指示灯 升温 降温 通风 补光 停止指示灯 自动运行指示 灯 手动运行指示 灯 PLC S7 200 Smart Q1 0 Q1 1 灌溉 RS 485 A B MQTT M B 网关 A B 图 3 PLC 硬件连接图 3 软件系统 3 1 中草药环境参数库设计 基于 中药材生产质量管理规范 GAP 中草药种 植在温度 光照 土壤养分等方面与普通作物 以玉米 花 生为例 存在显著差异 如表2所示 为实现中草药种植 的精准调控 系统内置中草药环境参数库 涵盖半夏 黄芪 人参等常见品种的环境阈值 由表2中可以看出相比普通作物 中草药普遍需要高氮 高湿度 低温和二氧化碳浓度较低的种植环境 系统根据参 数库可以应对不同中草药适应的生长环境 同时采取调控措 施 而黄芪需强光促皂苷合成可以通过补光系统来提高其 产量 3 2 PLC 程序设计 以黄芪为例 软件采用 STEP 7 MicroWIN SMART 编写控制程序 基 于表2中黄芪种植环境参数的阈值 PLC程序通过实时采 集传感器数据 结合预设逻辑实现精准调控 具体控制策略 如下 表1 传感器及具体参数 序号 名称 模块 型号 芯片 关键参数 测量范围 供电电源 1 土壤氮磷钾传感器 AS7341 光谱传感芯片 0 1999 氮磷钾指数 DC12 24V 2 二氧化碳浓度传感器 SCD30 NDIR芯片 0 5000ppm DC7 30V 3 光照强度传感器 BH1750FVI 光敏芯片 0 200000Lux DC10 30V 4 温湿度传感器 SHT35 数字芯片 40 80 0 100 RH DC12 24V 表2 中草药与普通作物参数对比 参数类型 黄芪 半夏 人参 玉米 花生 土壤氮含量 mg kg 50 80 60 90 60 80 20 40 30 50 二氧化碳浓度 ppm 400 800 500 900 400 600 300 500 300 500 光照强度 Lux 15000 30000 5000 10000 5000 15000 30000 50000 25000 40000 温度范围 15 25 18 28 15 22 20 30 25 35 湿度范围 RH 50 70 60 75 70 80 60 70 50 65 土壤湿度 40 60 65 80 65 75 50 70 60 75 5 电子技术 通风控制 触发条件 二氧化碳浓度 800ppm 超出 黄芪适宜范围上限 环境湿度 70 RH 高湿易引发病害 执行动作 自动启动风机 增强空气流通 降低二氧化碳浓 度与湿度 若为手动模式 触发声光报警并推送至云平台 提示人工干预 二氧化碳浓度超限优先于湿度调控 灌溉控制 触发条件 土壤湿度 60 过湿易导致根部腐烂 当 土壤湿度低于 40 时 自动开启滴灌系统 持续灌溉至阈 值恢复 当土壤湿度高于 60 时 立即关闭灌溉并启动排 水装置 手动模式下 系统推送报警并锁定灌溉操作权限 需人工确认后执行 若同时检测到高温 25 与低湿度 40 优先执行灌溉以缓解热胁迫 补光控制 触发条件 光照强度 48小时 根据气象数据联 动 执行动作 自动开启 LED 补光灯组 补光强度动态 调节至 20000 25000Lux 略高于阈值下限 光照恢复至 30000Lux 以上时 逐步关闭补光 手动模式下 用户可通 过上位机界面手动调节补光时长与强度 温控策略 触发条件 环境温度 25 高温加速蒸腾 导致水分流 失 环境温度 15 低温抑制生 长代谢 温度超限时 自动启动温 控系统 调控温度至 18 22 黄 芪最适区间 若温度波动剧烈 如 1 小时内变化 5 触发二级报警 并启动备用温控设备 手动模式下 用户可临时覆盖自动逻辑 直接控制 执行机构 结合土壤温湿度数据 避 免温控操作加剧土壤干燥或过湿 灌溉子程序如图5所示 设定湿 度范围为 40 实际值 60 首先将云端数据与设定参数 进行对比 判断数据是否在40 60 之间 然后再判断 是否为自动运行 若在设定范围内且为自动运行 则关闭灌 溉系统 若不是自动运行状态时则报警提醒用户进行手动关 闭灌溉系统 同时若不在设定范围内且为自动运行时 则表 示土壤水分太低 自动打开灌溉系统增加土壤水分 若不是 自动运行则报警提醒用户打开灌溉系统 3 3 上位机实时监控界面设计 上位机软件基于MCGS组态环境开发设计 用户可通 过上位机实时监控各项环境数据指标 进行在线实时监测 软件主要由登录界面 自动运行 手动运行 参数设置 报 警记录和数据监控组成 登录进入软件用户可以选择自动运行或手动运行 自动 运行模式时 根据预设的环境参数 如温度 湿度 光照阈 值 自动调控执行机构 风机 补光器 灌溉系统等 实 现无人值守的闭环控制 手动运行模式用户可以自主控制 通过灵活性 应急响应 调试支持 网络容错 LoRa 通信 中断时通过本地 PLC 独立操作 保障系统持续运行 和决 策参与五大优势 弥补了全自动系统的局限性 尤其在复杂 种植环境 如山地梯田 和突发场景下 手动控制成为保障 中草药品质与系统可靠性的关键机制 同时配置参数设置 可以根据不同中草药适应的种植环境进行参数更改 为中草 药种植环境调控系统的关键功能 如图 6 图 7 所示 通过 开始 获取云端数据 温控系统 光照系统 通风系统 灌溉系统 结束 图 4 主程序流程图 开始 是否 是否为 自动运行 是否为 自动运行 关闭灌溉系统 打开灌溉系统 报警报警 结束 是 是 否 否 否 图 5 灌溉系统子程序流程图 图 7 上位机参数设定界面 图 6 上位机报警记录界面 6 电子制作 2025 年9月 电子技术 该软件用户还可以实时获取环境参数 监控中草药种植环境 的状态 当环境数据超出预设范围时 系统会触发报警提示 提醒用户及时处理 此外 用户还可以通过实时曲线功能查 看环境参数的变化趋势 预测系统环境的未来走势 从而为 种植管理提供数据支持和决策依据 这种设计使得种植环境 的管理更加直观 精准和高效 4 通信与测试 4 1 通信 通过串口调试工具配置主机和从机LoRa模块 一 个LoRa发送 多个LoRa接收 主机配置发送频率为 440MHz 接收频率为435MHz 从机则配置发送频率为 435MHz 接收频率为 440MHz 从机 LoRa 通过 RS 485 协议连接一个或多个传感器设备 用于读取传感器采集的数 据 主机LoRa则与PLC设备连接这种设计通过一点对多 点连接 利用了 LoRa 技术的优势 实现了高效 稳定的无 线数据传输与控制 LoRa 参数配置如表 3 所示 表3 LoRa参数配置 参数 LoRa1 LoRa2 LoRa3 发送频率MHz 440 435 435 接收频率MHz 435 440 440 设备地址 0102 0102 0102 网络ID 01 01 01 地址启用 开启 开启 开启 连接云平台 将 LoRa 网关和云服务器连接在同一区域 网内 申请云平台账号 根据网关配置工具配置云参数 利 用MQTT协议实现网关和云平台连接进行通讯 6 先扫描 设备选定当前设备进行云参数设置 设置完成后写入参数到 设备 得到回复写参数到设备 OK 即通讯成功 该云平台可 以同时订阅和发布各 5 个主题 通过 RS 485 协议和 MQTT 协议将传感器采集的数据上传至阿里云平台 实现数据的集 中存储和管理 这种方式摆脱了对本地服务器的硬件依赖 能够根据实际需求动态调整服务器的规模和容量 实现资源 的弹性扩展或缩减 从而提高了资源利用率 增强了系统的 灵活性 可扩展性和业务适应性 4 2 测试 为验证 LoRa 无线采集系统在动态环境中的稳定性与可 靠性 针对黄芪种植环境进行了数据采集实验 如图8所示 环境温度 14 土壤湿度 27 二氧化碳浓度 297ppm 光照强度12060lux以及氮含量17mg kg均不在黄芪适应 的生长范围 所以系统自动启动了通风 温控 光照 灌溉 等系统从而调节出适应黄芪的生长环境 测试实验结果表 明 系统在动态环境条件下 能够快速应对种植环境变化从 而调节环境参数 图 8 上位机测试结果图 5 结论 本文对传统环境监测系统在传输距离和功耗方面的局 限性 提出了一种基于LoRa无线技术和PLC控制核心的 中草药环境调控系统 该系统将低功耗广域网技术应用于中 草药种植 适合长期实时监控以及超远距离数据采集等优 势 减少了人工干预的需求 为种植管理提供了标准化 高 效 可靠的解决方案 未来 将进一步优化系统的功耗和传 输距离 探索更多传感器和执行器的集成 并探索自动控制 算法在系统中的应用 以提升系统的自动化水平和减少成本 和人力资源的损耗 参考文献 1 中国政府网 国务院办公厅关于提升中药质量促进中医药产 业高质量发展的意见 EB OL zhengceku 202503 content 7014717 htm 2 中国政府网 我国的中药材生产稳定发展 EB OL 2025 03 21 2025 03 21 cfh 20250321 jdzc 202503 content 7014879 htm 3 杨志平 杨宪章 郭呈成等 精密种植技术在提高中药材种植 效率中的应用 J 中国农机装备 2024 11 39 41 4 李吉莹 杨汉祥 乡村振兴背景下中药种植产业的创新发展 J 农村经济与科技 2024 35 18 38 40 5 李欣 高山林 王涵 等 基于 LoRa 技术的智能监测系统设 计与实现 J 海军工程大学学报 2024 36 01 15 21 28 6 樊思雨 基于LoRa和物联网云平台的水质监测系统的设计 与实现 D 西安理工大学 2022 作者简介 唐涛 2003 本科 研究方向为农业工程 通信作者 刘华 1977 女 高级实验师 研究方向智能 农机装备 智慧农业