基于5G通信與AVR單片機的數字化農業大棚智能控制系統設計

黃翔 江佳凌 鮑洪霖 席佳穎

摘 要：隨著我國國民經濟的迅速發展，人民的生活水平日益提高，對于蔬菜的需求量相對也日趨增長。如何利用信息科學技術大批量種植蔬菜，已成為當務之急。文章所設計的基于5G通信與AVR單片機的數字化農業大棚智能控制系統，通過高精度土壤溫濕度傳感器、光敏電阻和智能氣象站，遠程在線采集土壤墑情、酸堿度、光照強度、氣象等信息，以此反映當前蔬菜的生長環境，并在監控站直觀地顯示數據變化。通過控制從站ATmega16，達到墑情（土壤的濕度情況）自動預報、灌溉用水量智能決策、遠程自動控制灌溉設備等功能。

關鍵詞：MySQL數據庫;ATmega16;農業大棚

中圖分類號：TP273.5文獻標識碼：A文章編號：1674-1064（2021）07-044-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.07.022

2019年9月，中國移動5G+農業數字化大會召開，標志著農業信息化進入5G時代[1]。數字化農業大棚的建立，可實現種植產量最大化、種植品種多樣化、種植生長可視化、種植過程科學化、種植技術多樣化，從而助推鄉村振興，共建農業生態。

1 系統整體設計

基于5G通信與AVR單片機的數字化農業大棚智能控制系統整體架構包含四層，各層作用如下：

環境監測模塊：遠程實時監測大棚農作物的生長環境數據，如空氣溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度等;遠程實時監控氣象，如精確氣象監測、氣象預報預警等。

5G監測云平臺：在主站的ATmega16通過無線傳感器網絡與大棚內的數據信息進行實時通訊，并周期性在云端服務器記錄農作物生長數據、環境參數。結合數據智能分析，可以呈現出棚內各個環境因素的走勢，并能夠實時識別環境異常并進行告警。

兼顧Web端和移動端的展示模塊：可以直觀展示棚內設備收集的數據。其數據動態支持各種使用場景，方便用戶在各種使用場景下自由切換使用模式。

智能決策系統：根據設定在MySQL的數據參數，自定義監控棚內數據[2]。當數據異常時發出警告，用戶依托于主站的無線收發模塊，使棚內配套的控制設備工作，實現棚內環境調控，準確施肥，合理灌溉。

2 關鍵技術和主要技術指標

2.1 MySQL數據庫設計

MySQL數據庫在查詢標準協議上支持大部分SQL查詢標準語言，因此用戶只要熟悉關鍵的SQL查詢語言就可以對MySQL數據庫進行數據修改、查看、命令、刪除。由于數據庫是軟件系統進行數據交互的基礎，因而數據庫設計是系統的核心。針對大棚的需求和被監測對象的特性建立數據庫表[3-4]，通過設置好索引和關聯關系，對收集的數據進行合理運用。數據庫表的設計有系統參數設置模塊、傳感器數據模塊、執行器數據模塊。系統參數設置模塊主要包含傳感器參數設置、大棚參數設置、氣象站參數設置、控制參數設置。傳感器數據模塊主要用來保存并設置大棚的濕溫度、光照強度、傳感器狀態和氣象狀況等。執行器數據模塊主要用來保存并設置噴水量、施肥量、大棚開度狀態等。

系統參數設置模塊如表1所示。大棚參數設置如表2所示。

2.2 無線收發系統編寫

該系統選用NRF905無線傳輸模塊，采用C語言進行軟件編寫。通過SPI協議直接和ATmega16單片機連接，頻率設置最高可達433/868/915MHz的開放ISM頻，數據速率100kb/s。在初始化工作中，NRF905處于Standby模式，編寫配置寄存器同時將接收地址寫好。設置TRX_CE和TX_EN端口，選擇接收和發送的模式。NRF905處于接收模式時會自動接收空中載波;處于發送模式時會自動添加前導碼和CRC校驗字，之后發送數據。當DR端口置高后，表示接收或發送完畢。

3 技術特點和優勢

目前，廣大農村地區采用煤油溫度計的溫度采集方式[5-6]，傳統的大棚監控系統一般采用模擬、有線監測系統。經過多年的使用，弊端逐漸暴露，如安全性能差、維修困難、布線復雜、測控軟件功能不統一、系統操作不規范等。

相比傳統大棚管理系統，數字化農業大棚采用環境監測模塊采集數據，提供各種后臺服務的服務器和用戶操作的客戶端軟件[7]。采集節點選用ATmega16為主控芯片，配置有溫濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、光敏電阻和智能氣象站以測量環境參數，微控制器讀取對應環境監測模塊的數據后，將這些數據通過ESP32發送至服務器。

同時，傳統大棚的各傳感器在使用過程中都帶有固定唯一的序列號。微控制器與各傳感器通訊過程（如查看通訊狀態、讀取數據）中，必須帶有序列號。因此，微控制器的固化程序中也必須有對應的序列號。若更換了原傳感器，則必須修改微控制器程序，否則數據通信將缺失此傳感器數據信號。這對用戶日常使用來說，是困難較大的。

本項目在軟件編程和硬件設計過程中，深入了解傳感器的工作機理，選用低功耗器件，引入休眠機制，減低系統功率;在云端服務器中，存儲各種信息的MySQL數據庫，擺脫程序對序列號唯一性的依賴，并對其進行了優化;根據實地農業大棚中的執行設備情況和被控對象的特性，筆者還設計了帶回滯的開關量控制和模糊PID控制的兩種控制策略。用戶可通過手機或電腦實時獲取大棚內部的環境，監測植物的生長狀況[8-10]。如果用戶需要手動干預大棚內部環境，可以通過網站控制ATmega16打開或關閉繼電器，從而達到人工干預的目的。

4 系統模擬展示

本項目通過安裝在棚內的溫濕度傳感器、光敏電阻和棚外的智能氣象站，將環境數據傳遞給從站（監控站）的ATmega16，通過NRF905無線傳輸模塊傳遞給主站（控制站）ATmega16。主站將接收來的數據通過ESP32與云端服務器通訊，對比數據有無異常并進行警告，同時周期性記錄各盆農作物的環境數據。當環境數據異常時，用戶在web端和移動端接收通知，控制主站的ATmega16發出信號，通過NRF905無線傳輸模塊將控制信號批量或特定地傳遞給從站ATmega16，進而驅動電機工作，使卷簾、通風、加濕、加熱等功能按需求開啟，并將數據反饋給從站ATmega16。

5 系統運用

在互聯網時代，農業管理方式也要除舊布新，結合智慧大棚的多項傳感器，通過優質的網絡傳輸，實現溫濕度、光照強度等土壤和環境參數的實時監控與數據采集及分析，同時通過遠程實時控制溫室與大棚內的各類設備，實現對灌溉、溫濕控作業的智能化管控與作物信息的可追溯管理，使農業管理更加輕松。

結合農業物聯網采集農業、畜牧業上傳的相關數據，通過網絡，依托大數據分析處理技術，從而實現數據分析、趨勢預判與數據可視化，并提供對應的解決方案，以更加精準、科學的管理方式，提高產量、防控病害，同時優化農業生產全鏈條資源的科學合理配置，提升生產精細化、集約化程度。有了數字化農業大棚，農業生產管理將更加智能化、精準化、高效化、快捷化，在節省人力的同時提高了農作物的產量和質量。

參考文獻

[1] 王永剛.淺議單片機硬件設計和軟件設計的相互關系[J].赤峰學院學報（自然科學版），2008（8）：8-9.

[2] 吳舟.基于移動互聯網的農業大棚智能監控系統的設計與實現[D].北京：北京郵電大學，2013.

[3] 張曉龍.基于ZigBee的農業溫室大棚監控系統的設計與實現[D].北京：北京郵電大學，2011.

[4] 王浩臣，秦國慶，呂植越，等.基于單片機的農業大棚智能監控網絡系統設計[J].無線互聯科技，2020，17（5）：49-51.

[5] 王國邦，鄭釗，陳志斌，等.基于無線傳輸的大棚監測系統[J].廣東蠶業，2019，53（8）：41-42，44.

[6] 曲鳴飛，趙丹.基于控制器的單片機農業大棚溫度監測系統設計[J].新農業，2019（14）：27.

[7] 周習謙.基于嵌入式的農業大棚檢測系統[D].武漢：武漢輕工大學，2019.

[8] 翟宇.智能農業大棚測控系統的研究和設計[D].濟南：山東大學，2019.

[9] 高薊偉.基于微信平臺的農業大棚管理系統[D].北京：中國地質大學（北京），2018.

[10] 陳建美.基于WebGIS和物聯網的農業大棚監控系統研究[D].武漢：長江大學，2018.