基于物联网的名贵药材西红花种质资源库建立与智慧农业系统的开发

　　摘要 物联网技术在西红花生产上的应用具有创新性。阐述了基于物联网技术的西红花智慧农业系统设计方案，并分析了该系统的建设特点与应用价值。基于物联网的西红花智慧农业系统方便地将西红花种球智能种植管理从桌面延伸到生产现场，让生产现场实时在线，从而实现西红花栽培与数字世界的完美融合，必将引领西红花精确栽培技术发展。
　　关键词 西红花；物联网；种质资源库；智慧农业系统；设计；开发
　　中图分类号 S625.5 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2014）22-0335-02
　　西红花别名番红花、藏红花，是一种鸢尾科番红花属的多年生草本植物。我国最早于1965从联邦德国引进少许的西红花种球开始种植，在全国数地（浙江建德、天台、江苏海门与杭州等地）进行栽培试验，引种试验基本成功。1972—1984年，我国所有西红花球茎均由商业部、省医药公司调配，共调出球茎33.1万余只，范围扩大到全国17个省、市，59个地区，尤其是1980年国家经贸委将西红花列为引进消化吸收项目，出资从日本进口西红花种球，研究人员主要进行西红花生物学特性的观察和系统的栽培技术研究，结果表明江南地区的地理环境非常适合西红花的繁殖与生产，西红花产业得到稳步发展。近年来，在政府的大力支持下，杭州市西红花种植面积逐年扩大，目前在建德、富阳、余杭的西红花种植面积逾200 hm2，占全国西红花总面积的60%以上，2008年其球茎和花丝产值超过8 000万元，成为杭州市五大特色农业产业之一，也是当地农民的重要经济来源和大田种植结构调整的亮点。同时，西红花在我国浙江其他地区及西藏、新疆、北京、山东、上海、江苏等地都有栽培，现有栽培面积逾333.33 hm2，其中浙江栽培面积占全国的70%，平均产量7.5～15.0 kg/hm2，收购价格为25～30元/g，平均产值达18.75万～45.00万元/hm2，经济效益十分显著。但是，西红花种源少，加之栽培技术要求较高，利用的仅为柱头部分，产量极低，产量远不能满足市场需求，每年都要进口大量产品。由于西红花在栽培条件下不能结实，仅靠球茎无性繁殖，繁殖过程中种球退化比较严重[1]。花产量与球茎的大小有相关性，球茎变小，花产量随之下降，甚至不开花，且西红花品质参差不齐。
　　因此，构建实用的智慧农业关键信息采集与管理系统是一项亟需解决的任务，也是物联网技术在农业中成功应用并推广的关键[2]。该项目基于低功耗低成本农业信息采集传感器、无线传感器网络及其与GPRS公网融合等物联网相关技术，结合智能决策与控制技术，进行智慧农业关键信息采集与管理系统集成，实现西红花种球培育环境信息（环境湿度、环境温度、光照、CO2浓度等）、农作物生长状况以及田间定位等智慧农业关键信息的快速获取与管理，是国内首家针对西红花生产需要开发的智慧农业系统，相关软硬件成果已在浙江省富阳市渌渚西红花种植基地、杭州鸿越生态农业科技有限公司西红花种质资源中心、缙云宏峰西红花专业合作社进行应用示范、杭州瑞森生态农业公司水稻—西红花高效种植示范基地应用，取得了良好的应用效果。现将西红花智慧农业系统的功能与应用情况进行介绍如下，以供参考。
　　1 系统设计
　　1.1 开发定向
　　基于物联网的西红花智慧农业系统主要针对西红花种球复壮与繁育生产需要开发，结合西红花种球生产设施特点，利用智能传感器实时采集棚内空气温度、湿度、二氧化碳浓度、光照等环境参数，经由无线信号收发模块传输数据，采集数据汇入架设在阿里云服务器的西红花数据库[3]。并根据生产者需求，方便对种球繁育室的远程智能控制（图1）。该系统已推广到多家西红花生产单位使用，实现了对西红花种球生产环境进的自动控制、精准管理，并达到数据共享和对环境信息自动实时监测（图2）。
　　1.2 系统架构
　　该系统通过上海左岸芯慧电子有限公司提供的环境参数智能传感器和成都华迈提供的云平台高清视频系统等组建了一个可以远程感知的数字化西红花智慧系统，采集的数据通过3G移动网络或GPRS传输到西红数据中心进行数据关联、数据分析，开发出西红花智慧农业系统解决方案（图3）。系统的总体架构分4个部分，即环境信息传感采集、远程无线传输、远程控制和数据分析处理（图4），整个系统架构与软件开发由杭州职业技术学院课题组成员协作完成。环境信息传感采集系统主要完成种球生产现场环境参数的采集与调节；并采用高清智能摄像机，实时拍摄大棚内视频信息。远程无线传输系统将西红花种球生产现场采集的环境参数和视频信号，通过3G移动网络或GPRS传送到西红化数字平台中心。远程控制系统通过控制设备和继电器电路，可以自由操控生产现场的各种设备。数据分析处理系统分别开发出PC平台、手机安卓系统、手机苹果APP，用户可随时随地通过电脑或移动终端进行数据监测分析与生产设备的远程控制，为生产管理提供决策依据。
　　2 系统关键技术
　　基于物联网的西红花智慧农业系统，选配先进的农业智能传感器与采集感应器，无需布线，可实时监测现场的温、湿度、光照及气体浓度等信息，通过无线ZigBee技术，与网关及相关设备连接，当室内温、湿度、光照、气体等信息超过或低于系统设定范围时，可进行科学决策及自动调控，营造西红花适宜生长的环境。
　　物联网技术应用在西红花种球种植环境监控系统控制中，关键技术包括以下2个方面内容：①感知层进行生产环境无线数据精确感知与采集；②通过网络传输层将采集到的数据导入数据库通过计算机分析做出智能决策，并实现远程智能化控制，控制西红花生长所需要的空气温度、湿度、光照、气体浓度及土壤因子等，进而实现精准农业生产与管理[4]。
　　该系统主要功能：一是数据精确采集。系统可在线实时、连续地采集各项常见的生产环境参数，以数字、图形、图像等多种方式进行记录和显示。二是环境智能管理。系统可对传感器采集的环境数据在数据库后台进行自动处理，通过与设定阈值及专家系统的科学比对，自动调节环境设施的控制设备，实现智能化管理。三是及时发布预警信息。系统可设定各监控点的报警阀值，当出现数据异常时自动发出报警信号。四是设备兼容性好。采集器具有自识别功能，能方便安装；无线网关设备具备丰富的硬件接口，可以提供有线、无线等多种方式的通讯手段。
　　3 结论与讨论
　　该系统主要利用物联网技术，即通过相应的智能传感器设备实时监控西红花种球繁育种植环境，智能控制西红花种球生长发育所需环境如温度、湿度、光照、气体浓度及土壤温度、含水量等，实现西红化种球和平环境综合生态信息的自动检测，并对环境进行自动监控[5-6]。基于物联网技术的西红花智慧农业系统的开发应用旨在提高现代农业的自动化、智能化水平，促进数字农业发展、实现农业生产的精准化管理，对提高农产品的生产效率及产品的质量都具有重大意义，也为智慧农业的自动检测、自动控制、智能化管理及农业物联网的普及提供一定的依据[7-10]。
　　4 参考文献
　　[1] 饶君凤，王根法，吕伟德.浙江省西红花“二段法”优质高产栽培技术[J].安徽农业科学，2012，40（9）：5214-5215，5258.
　　[2] 彭程.基于物联网技术的智慧农业发展策略研究[J].西安邮电学院学报，2012，7（2）：94-98.
　　[3] 王纪章.基于物联网的温室环境智能管理系统研究[D].镇江：江苏大学，2013.
　　[4] 段益群，刘国彦.基于物联网的智慧农业大棚系统设计[J].软件工程师，2013（12）：35，31.
　　[5] 王莉，李毅，张宝琛.藏红花的研究进展[J].青海科技，2001（2）：18-21.
　　[6] 李再新，黄福.资源植物藏红花研究进展[J].四川食品与发酵，2005（4）：1-4.
　　[7] “农业物联网与食品安全控制体系研究”通过验收[J].信息技术与信息化，2014（5）：2.
　　[8] 姜涛.物联网中的安全问题及对策[J].信息技术与信息化，2014（5）：96-97.
　　[9] 董世秋.浅谈物联网的应用与发展趋势[J].中国管理信息化，2014（17）：66-67.
　　[10] 朱茗.基于物联网的智慧农业系统研究[J].中国新通信，2013，15（11）：19.

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