基于5G網(wǎng)絡(luò)的智慧大棚種植控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要: 闡述基于5G網(wǎng)絡(luò)的智慧大棚種植控制管理系統(tǒng)，通過(guò)傳感器進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的采集，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊MT32單片機(jī)主控核心板，手機(jī)App通過(guò)云端服務(wù)器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)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(guó)5G的商用正快速發(fā)展，5G時(shí)代下不只是5G手機(jī)的應(yīng)用，它還將面向未來(lái)智慧農(nóng)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(jī)、智慧醫(yī)療、應(yīng)急安全等等。農(nóng)業(yè)種植也是蘊(yùn)含巨****展?jié)摿Φ膽?yīng)用領(lǐng)域，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)也正由技術(shù)創(chuàng)新向應(yīng)用創(chuàng)新轉(zhuǎn)變，而5G也將為農(nóng)業(yè)帶來(lái)海量的原始數(shù)據(jù)，從而推動(dòng)智慧農(nóng)業(yè)的不斷前進(jìn)。

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

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能架構(gòu)規(guī)劃圖。圖1為系統(tǒng)架構(gòu)功能，系統(tǒng)工作原理：通過(guò)STM32核心控制板的信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)，其中溫濕度的數(shù)據(jù)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(jī)智云Aiot開(kāi)發(fā)平臺(tái)的服務(wù)端進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)App查看數(shù)據(jù)和操控?cái)?shù)據(jù)，上位機(jī)屏幕可以對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)或者對(duì)被控制器控制，手機(jī)App或者屏幕可以對(duì)所種植的蔬菜種類(lèi)進(jìn)行選擇，對(duì)環(huán)境的溫度，光照、CO2含量進(jìn)行調(diào)控。

圖一系統(tǒng)架構(gòu)功能

系統(tǒng)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(yuǎn)程在線采集土壤情況、酸堿度、養(yǎng)分、氣象信息等，實(shí)現(xiàn)旱情自動(dòng)預(yù)報(bào)、灌溉用水量智能決策、遠(yuǎn)程、自動(dòng)控制灌溉設(shè)備等功能，并且將數(shù)據(jù)及時(shí)反饋給技術(shù)人員，最終達(dá)到精耕細(xì)作、準(zhǔn)確施肥、合理灌溉的目的，可以實(shí)現(xiàn)從植物的育種、成長(zhǎng)、成熟實(shí)現(xiàn)一體化的管理。

（2）農(nóng)業(yè)管理智能化。農(nóng)業(yè)管理智能化就是在植物生長(zhǎng)的過(guò)程中，由智能監(jiān)管農(nóng)作物缺少什么（例如養(yǎng)分不足，病蟲(chóng)害的預(yù)判），就及時(shí)給它什么，5G就是讓人對(duì)機(jī)械的命令立即到達(dá)執(zhí)行，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)植物生長(zhǎng)的整個(gè)周期進(jìn)行監(jiān)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(qiáng)大技術(shù)支撐下，實(shí)時(shí)發(fā)送圖像數(shù)據(jù)讓人們了解菜園作物狀況。也就是消費(fèi)者可以隨時(shí)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)觀看種植過(guò)程，看農(nóng)作物生長(zhǎng)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(jù)信息數(shù)據(jù)提供最佳生長(zhǎng)環(huán)境，即使勞動(dòng)力和能源較少，也可以提高農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)力和質(zhì)量。使用智能農(nóng)場(chǎng)設(shè)備，當(dāng)人們不在時(shí)，可以打開(kāi)和關(guān)閉溫室的窗戶，并自動(dòng)供水。無(wú)人駕駛拖拉機(jī)可實(shí)時(shí)向管理員提供障礙物數(shù)據(jù)，并且重定路徑。

2，硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)主要是根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求，對(duì)硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中主要包括植物補(bǔ)光電路和聯(lián)動(dòng)控制電路，還有節(jié)點(diǎn)傳感器電路，其電路設(shè)計(jì)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(jié)點(diǎn)模塊PCB板

3軟件設(shè)計(jì)

MCU程序流程圖：

（1）主機(jī)屏幕的設(shè)計(jì)思路為：各模塊初始化，初始化Npf2L01為接收模式，接收各個(gè)節(jié)點(diǎn)傳回來(lái)的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通過(guò)Nrf24L01無(wú)線模塊發(fā)送到主機(jī)MCU,傳輸完畢Npf2L01無(wú)線模塊進(jìn)入待機(jī)模式，等待下一次循環(huán)。

（2）主機(jī)MCU的設(shè)計(jì)思路為：各模塊初始化，初始化Npf2L01為接收模式，接收主機(jī)屏幕傳回來(lái)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，同時(shí)通過(guò)Wi Fi無(wú)線模塊上傳到機(jī)智云服務(wù)器，機(jī)智云服務(wù)器通過(guò)Wi Fi無(wú)線模塊傳回?cái)?shù)據(jù)并進(jìn)行處理，主機(jī)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(jī)App程序設(shè)計(jì)：通過(guò)開(kāi)發(fā)者中心的圖形化界面定義設(shè)備功能，機(jī)智云自動(dòng)生成設(shè)備MCU與通信模組之間的串口通信協(xié)議，開(kāi)發(fā)者根據(jù)協(xié)議文檔即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)能力。設(shè)備接入機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)后，機(jī)智云提供了面向App應(yīng)用的API，提供傳輸設(shè)備數(shù)據(jù)到應(yīng)用、應(yīng)用向設(shè)備發(fā)起的控制信息的功能。該系統(tǒng)通過(guò)機(jī)智云AIoT開(kāi)發(fā)平臺(tái)提供的API進(jìn)行與設(shè)備的數(shù)據(jù)、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(cè)試數(shù)據(jù)與評(píng)價(jià)

測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果與實(shí)際相符合，在機(jī)智云服務(wù)器后臺(tái)能清晰地看到機(jī)智云被手機(jī)App或者屏幕控制時(shí)數(shù)據(jù)的變化，同時(shí)在App端上下線時(shí)能夠明確記錄。設(shè)備連上云端后，設(shè)備收集回來(lái)的環(huán)境數(shù)據(jù)就會(huì)實(shí)時(shí)顯示在手機(jī)App上和串口顯示屏上，此時(shí)可以使用手機(jī)對(duì)設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)設(shè)置。

手動(dòng)設(shè)置可以對(duì)設(shè)備內(nèi)的風(fēng)扇、抽進(jìn)水電機(jī)及植物補(bǔ)光燈等進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制；自動(dòng)設(shè)置會(huì)根據(jù)用戶選擇不同的蔬菜種類(lèi)和環(huán)境參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)自主控制，以達(dá)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(jù)環(huán)境參數(shù)閾值的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)聯(lián)動(dòng)功能，可以聯(lián)動(dòng)滴灌、抽風(fēng)、加熱、補(bǔ)光、遮陽(yáng)等功能的自動(dòng)控制，閾值設(shè)定。

所創(chuàng)新的意義，人工智能農(nóng)業(yè)大棚種植系統(tǒng)將實(shí)時(shí)采集到的傳感器數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的種植經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，形成了適合作物種植特點(diǎn)的決策庫(kù)，系統(tǒng)將根據(jù)感知到數(shù)據(jù)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)調(diào)節(jié)空氣溫濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等功能指標(biāo)。

使農(nóng)作物始終處于在最佳的生長(zhǎng)環(huán)境中，大大降低種植成本，縮短種植時(shí)間，實(shí)現(xiàn)節(jié)能增收。用戶可通過(guò)手機(jī)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(qiáng)度，CO2濃度等環(huán)境的變化，也可改成手動(dòng)模式，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。

本系統(tǒng)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(zhǎng)參數(shù)。人工智能農(nóng)業(yè)大棚種植系統(tǒng)擁有數(shù)據(jù)采集分析功能、數(shù)據(jù)處理功能、強(qiáng)大的控制功能、遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，采用了先進(jìn)的3D打印技術(shù)，更加智能化。

5結(jié)語(yǔ)

5G時(shí)代，農(nóng)業(yè)將會(huì)更加智能、更加精準(zhǔn)，基于5G網(wǎng)絡(luò)的智慧大棚種植控制管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)溫室大棚相比，我們的項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)更加智能化、數(shù)字化、聯(lián)網(wǎng)化，再也不是單一的檢測(cè)硬件了，農(nóng)場(chǎng)將布滿傳感器，收集數(shù)據(jù)以反饋給機(jī)器，農(nóng)民只需坐在電腦前，便可以查看農(nóng)作物的數(shù)據(jù)，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，做出相應(yīng)的對(duì)策，在家種地變得更加便捷。

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