基于5G網(wǎng)絡(luò )的智慧大棚種植控制系統設計

摘要: 闡述基于5G網(wǎng)絡(luò )的智慧大棚種植控制管理系統，通過(guò)傳感器進(jìn)行環(huán)境參數的采集，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行組網(wǎng)，數據傳輸到SMT32單片機主控核心板，手機App通過(guò)云端服務(wù)器實(shí)現遠程監控與控制。

引言

5G網(wǎng)絡(luò )高速度、泛在網(wǎng)、低功耗、低時(shí)延、萬(wàn)物聯(lián)網(wǎng)，在中國5G的商用正快速發(fā)展，5G時(shí)代下不只是5G手機的應用，它還將面向未來(lái)智慧農業(yè)、VR/AR、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、無(wú)人駕駛、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、智能家居、無(wú)人機、智慧醫療、應急安全等等。農業(yè)種植也是蘊含巨****展潛力的應用領(lǐng)域，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò )農業(yè)大數據也正由技術(shù)創(chuàng )新向應用創(chuàng )新轉變，而5G也將為農業(yè)帶來(lái)海量的原始數據，從而推動(dòng)智慧農業(yè)的不斷前進(jìn)。

目前農業(yè)大棚種植是農產(chǎn)品的一個(gè)重要來(lái)源地，特別是鮮花和蔬菜，傳統的溫室大棚種植其控制主要靠人為操作調節，不僅耗費人力，又容易發(fā)生差錯，也不能做到預防，因此構建基于5G網(wǎng)絡(luò )的智慧大棚生態(tài)管理系統具有極其重要的意義。

1 系統設計

系統功能架構規劃圖。圖1為系統架構功能，系統工作原理：通過(guò)STM32核心控制板的信號采集與數據處理系統進(jìn)行環(huán)境監測，其中溫濕度的數據采集主要由空氣溫濕度傳感器DHT11、光照傳感器、CO2傳感器、土壤濕度傳感器、煙霧傳感器、NRF24L01模塊、主控CPU單元、電容觸摸屏顯示器、WiFi esp8266模塊、充放電電路及其他**電路組成，然后通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò )模塊和機智云Aiot開(kāi)發(fā)平臺的服務(wù)端進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)App查看數據和操控數據，上位機屏幕可以對所有數據進(jìn)行監測或者對被控制器控制，手機App或者屏幕可以對所種植的蔬菜種類(lèi)進(jìn)行選擇，對環(huán)境的溫度，光照、CO2含量進(jìn)行調控。

圖一系統架構功能

系統功能：

（1）種植技術(shù)智能化。5G采用高精度土壤溫濕度傳感器和智能氣象站，遠程在線(xiàn)采集土壤情況、酸堿度、養分、氣象信息等，實(shí)現旱情自動(dòng)預報、灌溉用水量智能決策、遠程、自動(dòng)控制灌溉設備等功能，并且將數據及時(shí)反饋給技術(shù)人員，最終達到精耕細作、準確施肥、合理灌溉的目的，可以實(shí)現從植物的育種、成長(cháng)、成熟實(shí)現一體化的管理。

（2）農業(yè)管理智能化。農業(yè)管理智能化就是在植物生長(cháng)的過(guò)程中，由智能監管農作物缺少什么（例如養分不足，病蟲(chóng)害的預判），就及時(shí)給它什么，5G就是讓人對機械的命令立即到達執行，同時(shí)實(shí)現對植物生長(cháng)的整個(gè)周期進(jìn)行監控和管理，解放人力勞動(dòng)。

（3）種植過(guò)程公開(kāi)化。在5G的強大技術(shù)支撐下，實(shí)時(shí)發(fā)送圖像數據讓人們了解菜園作物狀況。也就是消費者可以隨時(shí)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )觀(guān)看種植過(guò)程，看農作物生長(cháng)過(guò)程中都用什么****，什么肥，讓大家放心食用。

（4）勞力管理智能化。在5G技術(shù)支持下，根據信息數據提供最佳生長(cháng)環(huán)境，即使勞動(dòng)力和能源較少，也可以提高農產(chǎn)品的生產(chǎn)力和質(zhì)量。使用智能農場(chǎng)設備，當人們不在時(shí)，可以打開(kāi)和關(guān)閉溫室的窗戶(hù)，并自動(dòng)供水。無(wú)人駕駛拖拉機可實(shí)時(shí)向管理員提供障礙物數據，并且重定路徑。

2，硬件電路設計

系統硬件電路設計主要是根據系統設計技術(shù)指標要求，對硬件電路進(jìn)行設計，其中主要包括植物補光電路和聯(lián)動(dòng)控制電路，還有節點(diǎn)傳感器電路，其電路設計圖分別如圖2、圖3、圖4所示。

圖2燈光等電路圖

圖3煙霧及光照傳感器電路

圖4節點(diǎn)模塊PCB板

3軟件設計

MCU程序流程圖：

（1）主機屏幕的設計思路為：各模塊初始化，初始化Npf2L01為接收模式，接收各個(gè)節點(diǎn)傳回來(lái)的數據并進(jìn)行處理，處理完后通過(guò)串口發(fā)送給屏幕顯示，同時(shí)將處理完的數據通過(guò)Nrf24L01無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送到主機MCU,傳輸完畢Npf2L01無(wú)線(xiàn)模塊進(jìn)入待機模式，等待下一次循環(huán)。

（2）主機MCU的設計思路為：各模塊初始化，初始化Npf2L01為接收模式，接收主機屏幕傳回來(lái)的數據并進(jìn)行處理，同時(shí)通過(guò)Wi Fi無(wú)線(xiàn)模塊上傳到機智云服務(wù)器，機智云服務(wù)器通過(guò)Wi Fi無(wú)線(xiàn)模塊傳回數據并進(jìn)行處理，主機MCU從而進(jìn)行各種相關(guān)的模塊控制，其流程如圖5所示。

（3）手機App程序設計：通過(guò)開(kāi)發(fā)者中心的圖形化界面定義設備功能，機智云自動(dòng)生成設備MCU與通信模組之間的串口通信協(xié)議，開(kāi)發(fā)者根據協(xié)議文檔即可實(shí)現設備的聯(lián)網(wǎng)能力。設備接入機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺后，機智云提供了面向App應用的API，提供傳輸設備數據到應用、應用向設備發(fā)起的控制信息的功能。該系統通過(guò)機智云AIoT開(kāi)發(fā)平臺提供的API進(jìn)行與設備的數據、控制的實(shí)時(shí)通訊，解決智能硬件接入的需求。

圖5主控MCU程序流程圖

4，測試數據與評價(jià)

測試數據結果與實(shí)際相符合，在機智云服務(wù)器后臺能清晰地看到機智云被手機App或者屏幕控制時(shí)數據的變化，同時(shí)在A(yíng)pp端上下線(xiàn)時(shí)能夠明確記錄。設備連上云端后，設備收集回來(lái)的環(huán)境數據就會(huì )實(shí)時(shí)顯示在手機App上和串口顯示屏上，此時(shí)可以使用手機對設備進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)設置。

手動(dòng)設置可以對設備內的風(fēng)扇、抽進(jìn)水電機及植物補光燈等進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制；自動(dòng)設置會(huì )根據用戶(hù)選擇不同的蔬菜種類(lèi)和環(huán)境參數進(jìn)行相應自主控制，以達到自動(dòng)化控制目的。通過(guò)開(kāi)啟自動(dòng)聯(lián)動(dòng)模式，根據環(huán)境參數閾值的設定，實(shí)現系統的自動(dòng)聯(lián)動(dòng)功能，可以聯(lián)動(dòng)滴灌、抽風(fēng)、加熱、補光、遮陽(yáng)等功能的自動(dòng)控制，閾值設定。

所創(chuàng )新的意義，人工智能農業(yè)大棚種植系統將實(shí)時(shí)采集到的傳感器數據與傳統的種植經(jīng)驗相結合，形成了適合作物種植特點(diǎn)的決策庫，系統將根據感知到數據，控制執行機構自動(dòng)調節空氣溫濕度、土壤濕度、光照強度、CO2濃度等功能指標。

使農作物始終處于在最佳的生長(cháng)環(huán)境中，大大降低種植成本，縮短種植時(shí)間，實(shí)現節能增收。用戶(hù)可通過(guò)手機App或顯示屏就能隨時(shí)了解大棚中溫濕度，土壤濕度，光照強度，CO2濃度等環(huán)境的變化，也可改成手動(dòng)模式，對執行機構進(jìn)行手動(dòng)調節。

本系統擁有多種蔬菜種植模式，給予每種蔬菜最適宜的環(huán)境生長(cháng)參數。人工智能農業(yè)大棚種植系統擁有數據采集分析功能、數據處理功能、強大的控制功能、遠程監控功能，采用了先進(jìn)的3D打印技術(shù)，更加智能化。

5結語(yǔ)

5G時(shí)代，農業(yè)將會(huì )更加智能、更加精準，基于5G網(wǎng)絡(luò )的智慧大棚種植控制管理系統設計與傳統的農業(yè)溫室大棚相比，我們的項目創(chuàng )新點(diǎn)更加智能化、數字化、聯(lián)網(wǎng)化，再也不是單一的檢測硬件了，農場(chǎng)將布滿(mǎn)傳感器，收集數據以反饋給機器，農民只需坐在電腦前，便可以查看農作物的數據，根據采集的數據，做出相應的對策，在家種地變得更加便捷。

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