基于5G網(wǎng)絡(luò)的智慧大棚種植控制系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)，通過傳感器進行環(huán)境參數(shù)的采集，通過無線網(wǎng)絡(luò)進行組網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊MT32單片機主控核心板，手機App通過云端服務(wù)器實現(xiàn)遠程監(jiān)控與控制。

引言

5G網(wǎng)絡(luò)高速度、泛在網(wǎng)、低功耗、低時延、萬物聯(lián)網(wǎng)，在中國5G的商用正快速發(fā)展，5G時代下不只是5G手機的應(yīng)用，它還將面向未來智慧農(nóng)業(yè)、VR/AR、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、無人駕駛、車聯(lián)網(wǎng)、智能家居、無人機、智慧醫(yī)療、應(yīng)急安全等等。農(nóng)業(yè)種植也是蘊含巨****展?jié)摿Φ膽?yīng)用領(lǐng)域，通過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)帶來海量的原始數(shù)據(jù)，從而推動智慧農(nóng)業(yè)的不斷前進。

目前農(nóng)業(yè)大棚種植是農(nóng)產(chǎn)品的一個重要來源地，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)，不僅耗費人力，又容易發(fā)生差錯，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

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STM32核心控制板的信號采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行環(huán)境監(jiān)測，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5G網(wǎng)絡(luò)模塊和機智云Aiot開發(fā)平臺的服務(wù)端進行聯(lián)網(wǎng)，通過App查看數(shù)據(jù)和操控數(shù)據(jù)，上位機屏幕可以對所有數(shù)據(jù)進行監(jiān)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進行選擇，對環(huán)境的溫度，光照、CO2含量進行調(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，遠程在線采集土壤情況、酸堿度、養(yǎng)分、氣象信息等，實現(xiàn)旱情自動預(yù)報、灌溉用水量智能決策、遠程、自動控制灌溉設(shè)備等功能，并且將數(shù)據(jù)及時反饋給技術(shù)人員，最終達到精耕細作、準確施肥、合理灌溉的目的，可以實現(xiàn)從植物的育種、成長、成熟實現(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的過程中，由智能監(jiān)管農(nóng)作物缺少什么（例如養(yǎng)分不足，病蟲害的預(yù)判），就及時給它什么，5G就是讓人對機械的命令立即到達執(zhí)行，同時實現(xiàn)對植物生長的整個周期進行監(jiān)控和管理，解放人力勞動。

（3）種植過程公開化。在5G的強大技術(shù)支撐下，實時發(fā)送圖像數(shù)據(jù)讓人們了解菜園作物狀況。也就是消費者可以隨時進入網(wǎng)絡(luò)觀看種植過程，看農(nóng)作物生長過程中都用什么****，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)提供最佳生長環(huán)境，即使勞動力和能源較少，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)場設(shè)備，當人們不在時，可以打開和關(guān)閉溫室的窗戶，并自動供水。無人駕駛拖拉機可實時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

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計主要是根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)指標要求，對硬件電路進行設(shè)計，其中主要包括植物補光電路和聯(lián)動控制電路，還有節(jié)點傳感器電路，其電路設(shè)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(jié)點模塊PCB板

3軟件設(shè)計

MCU程序流程圖：

（1）主機屏幕的設(shè)計思路為：各模塊初始化，初始化Npf2L01為接收模式，接收各個節(jié)點傳回來的數(shù)據(jù)并進行處理，處理完后通過串口發(fā)送給屏幕顯示，同時將處理完的數(shù)據(jù)通過Nrf24L01無線模塊發(fā)送到主機MCU,傳輸完畢Npf2L01無線模塊進入待機模式，等待下一次循環(huán)。

（2）主機MCU的設(shè)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的數(shù)據(jù)并進行處理，同時通過Wi Fi無線模塊上傳到機智云服務(wù)器，機智云服務(wù)器通過Wi Fi無線模塊傳回數(shù)據(jù)并進行處理，主機MCU從而進行各種相關(guān)的模塊控制，其流程如圖5所示。

（3）手機App程序設(shè)計：通過開發(fā)者中心的圖形化界面定義設(shè)備功能，機智云自動生成設(shè)備MCU與通信模組之間的串口通信協(xié)議，開發(fā)者根據(jù)協(xié)議文檔即可實現(xiàn)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)能力。設(shè)備接入機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺后，機智云提供了面向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)通過機智云AIoT開發(fā)平臺提供的API進行與設(shè)備的數(shù)據(jù)、控制的實時通訊，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(shù)據(jù)與評價

測試數(shù)據(jù)結(jié)果與實際相符合，在機智云服務(wù)器后臺能清晰地看到機智云被手機App或者屏幕控制時數(shù)據(jù)的變化，同時在App端上下線時能夠明確記錄。設(shè)備連上云端后，設(shè)備收集回來的環(huán)境數(shù)據(jù)就會實時顯示在手機App上和串口顯示屏上，此時可以使用手機對設(shè)備進行手動和自動設(shè)置。

手動設(shè)置可以對設(shè)備內(nèi)的風扇、抽進水電機及植物補光燈等進行開關(guān)控制；自動設(shè)置會根據(jù)用戶選擇不同的蔬菜種類和環(huán)境參數(shù)進行相應(yīng)自主控制，以達到自動化控制目的。通過開啟自動聯(lián)動模式，根據(jù)環(huán)境參數(shù)閾值的設(shè)定，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動聯(lián)動功能，可以聯(lián)動滴灌、抽風、加熱、補光、遮陽等功能的自動控制，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)將實時采集到的傳感器數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的種植經(jīng)驗相結(jié)合，形成了適合作物種植特點的決策庫，系統(tǒng)將根據(jù)感知到數(shù)據(jù)，控制執(zhí)行機構(gòu)自動調(diào)節(jié)空氣溫濕度、土壤濕度、光照強度、CO2濃度等功能指標。

使農(nóng)作物始終處于在最佳的生長環(huán)境中，大大降低種植成本，縮短種植時間，實現(xiàn)節(jié)能增收。用戶可通過手機App或顯示屏就能隨時了解大棚中溫濕度，土壤濕度，光照強度，CO2濃度等環(huán)境的變化，也可改成手動模式，對執(zhí)行機構(gòu)進行手動調(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、強大的控制功能、遠程監(jiān)控功能，采用了先進的3D打印技術(shù)，更加智能化。

5結(jié)語

5G時代，農(nóng)業(yè)將會更加智能、更加精準，基于5G網(wǎng)絡(luò)的智慧大棚種植控制管理系統(tǒng)設(shè)計與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)溫室大棚相比，我們的項目創(chuàng)新點更加智能化、數(shù)字化、聯(lián)網(wǎng)化，再也不是單一的檢測硬件了，農(nóng)場將布滿傳感器，收集數(shù)據(jù)以反饋給機器，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)的對策，在家種地變得更加便捷。

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