基于5G的智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)控制管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熊峻輝，劉娟秀，黃心怡，雷光明，毛媛

（成都工業(yè)學(xué)院 電子工程學(xué)院，四川成都，611730）

0 引言

目前智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)在世界各國發(fā)展迅速，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)精細(xì)化大規(guī)模生產(chǎn)與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合有著巨大的市場需求空間[1]。國外對(duì)于智慧農(nóng)業(yè)存在多種有溫室大棚種植技術(shù)，不僅能夠利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大棚的實(shí)時(shí)通信，還能夠進(jìn)行對(duì)大棚內(nèi)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并對(duì)其大棚中各個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)節(jié)。如美國已應(yīng)用“5S 技術(shù)”[2]、智能化農(nóng)機(jī)技術(shù)等形成了農(nóng)業(yè)精細(xì)化，幫助農(nóng)場主精細(xì)化耕作并提質(zhì)增效；日本利用數(shù)字技術(shù)、傳感技術(shù)和遠(yuǎn)程控制等技術(shù)建立了個(gè)性化“網(wǎng)上農(nóng)場”式農(nóng)業(yè)運(yùn)營新模式[3]，使消費(fèi)者可實(shí)時(shí)自主遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控制自有農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)，并獲得理想的農(nóng)產(chǎn)品。雖然我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)化發(fā)展進(jìn)程加快，但是相較于國外的技術(shù)我們還是落后，再加上我國領(lǐng)土寬廣，類型繁多，推廣進(jìn)程不一，導(dǎo)致國內(nèi)農(nóng)業(yè)發(fā)展各方面不均衡。因此我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化需要更進(jìn)一步的提升。

針對(duì)這一現(xiàn)狀，本項(xiàng)目擬設(shè)計(jì)一個(gè)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)控制管理系統(tǒng)，該平臺(tái)利用5G、物聯(lián)網(wǎng)等新型信息化技術(shù)，將STM32作為中央處理器、傳感器模塊作為監(jiān)測裝置，引入到農(nóng)業(yè)科技園區(qū)應(yīng)用中，解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集難、傳輸效率低、人力成本高等問題。

1 研究內(nèi)容

■ 1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用STM32和ZigBee技術(shù)以及5G通信技術(shù)的融合實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集與傳輸。STM32系統(tǒng)中包含溫濕度控制、光照、土壤濕度、溫控、ZigBee和5G模塊，其中需要首先在主控模塊STM32微處理器中先設(shè)定好程序，利用光照模塊、溫濕度模塊對(duì)外部環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將這些數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)，在操作系統(tǒng)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行各個(gè)方面的比對(duì)，從而將實(shí)際操作反饋給物理操作系統(tǒng)并進(jìn)行處理。再通過串口利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中，同時(shí)通過USB接口利用5G通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸與分析，負(fù)責(zé)收集和傳送單片機(jī)的指令。這兩個(gè)通信模塊也可以與上位機(jī)進(jìn)行通信，達(dá)到更精確高效的工作效率，采集更多實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，減少商業(yè)成本投入。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

■ 1.2 各功能模塊設(shè)計(jì)

（1）溫濕度控制模塊(DHT11)：濕度測量范圍為20%~90%RH；溫度測量范圍為0℃~50℃；濕度測量精度±5%相對(duì)濕度；溫度測量精度±5%℃溫度測量精度[4]。可通過DHT11并測量溫濕度得到數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給主控單片機(jī)，主控單片機(jī)通過5G模塊下載數(shù)據(jù)庫的信息與溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，來發(fā)送指令控制調(diào)溫濕度的模塊達(dá)到預(yù)設(shè)溫濕度。

（2）光照模塊(TEMT6000)：光照模塊的基本原理是以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)，把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。通過ADC采集電信號(hào)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給主控單片機(jī)，主控單片機(jī)通過5G模塊下載數(shù)據(jù)庫信息與光照模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，來發(fā)送指令進(jìn)行補(bǔ)光和遮光等物理操作使得光照達(dá)到預(yù)設(shè)適宜強(qiáng)度。

（3）土壤濕度模塊(YL-69)：土壤濕度模塊的基本原理將被測量的濕度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。通過ADC采集電信號(hào)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給主控單片機(jī)，主控單片機(jī)通過ZigBee模塊下載數(shù)據(jù)庫的信息與土壤濕度模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，來發(fā)送指令控制自動(dòng)灌溉模塊實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)土壤濕度。

（4）溫控模塊(風(fēng)扇)：風(fēng)扇模塊是通過控制PWM值來控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制降溫速度。主控單片機(jī)通過發(fā)送的指令來控制風(fēng)扇不同的轉(zhuǎn)速。

（5）ZigBee模塊(CC2530)：通信模塊的作用是將傳感器得到的數(shù)據(jù)傳輸給主控單片機(jī)。在農(nóng)業(yè)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)根據(jù)隨機(jī)分布的多種類的微型傳感器利用ZigBee組網(wǎng)，在對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全覆蓋的同時(shí)，采集、計(jì)算和處理區(qū)域中監(jiān)測到的對(duì)象的動(dòng)態(tài)信息。由于對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的監(jiān)控面積十分大，想要網(wǎng)絡(luò)覆蓋足夠全面，采用ZigBee組網(wǎng)是十分實(shí)用的。采用ZigBee獲取各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)，主控單片機(jī)通過不同的局域網(wǎng)IP，獲取不同模塊的數(shù)據(jù)，將獲取數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫下載數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同邏輯之間的控制。

（6）5G模塊(MH5000)：系統(tǒng)近程數(shù)據(jù)傳輸利用ZigBee組網(wǎng)，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸利用5G模塊，再聯(lián)系物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備和數(shù)據(jù)監(jiān)控中心的遠(yuǎn)程通信。同時(shí)，將Web服務(wù)器部署在第三方云平臺(tái)上，通過界面設(shè)置相關(guān)自動(dòng)化設(shè)備的閾值參數(shù)，進(jìn)而完成補(bǔ)光等一系列操作。

■ 1.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要完成的功能包括系統(tǒng)初始化、環(huán)境溫度控制、土壤濕度控制、光強(qiáng)控制和數(shù)據(jù)傳輸通信。軟件總體流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件總體流程圖

當(dāng)軟件開始運(yùn)行時(shí)，首先進(jìn)行基礎(chǔ)初始化和通信模塊初始化，若初始化異常則重新開始初始化；初始化成功后，進(jìn)行通信連接，鏈接異常則重新開始初始化。鏈接成功后，直接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)1或網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)n（n為2，3，4，5……）或進(jìn)入數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)，直接得出數(shù)據(jù)n或進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)1或數(shù)據(jù)比對(duì)n，得出控制指令1或控制n，分別進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)1或網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)n，得到數(shù)據(jù)n或數(shù)據(jù)1，若為數(shù)據(jù)1，則再次進(jìn)入數(shù)據(jù)比對(duì)的循環(huán)。

軟件的初始化流程如圖4所示。將程序設(shè)置為IO模式，再復(fù)位控制模塊，如果控制模塊復(fù)位失敗則返回0，繼續(xù)進(jìn)行復(fù)位控制模塊操作，如果復(fù)位成功，則進(jìn)行IO接收，控制模塊初始化成功，返回1，程序結(jié)束，如果初始化失敗，則返回0，繼續(xù)進(jìn)行IO接收操作。

圖4 初始化流程圖

因?yàn)镾TM32內(nèi)部自帶ADC轉(zhuǎn)換，所以在土壤濕度控制模塊中，AO口接到STM32的PA0口，DO口接到STM32的PA1口，把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再在系統(tǒng)中比較輸入的數(shù)字量和預(yù)設(shè)數(shù)字量的關(guān)系，從而決定是否開啟或關(guān)閉抽水泵。光照模塊也是同理。在溫度調(diào)節(jié)方式中，將DHT11傳感器的Dout引腳，連接到STM32的PA2口，使用STM32的TIM1通用定時(shí)器，對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行輸入捕獲，和預(yù)設(shè)的數(shù)字量進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，通過PE9引腳輸出PWM波，根據(jù)比較結(jié)果決定風(fēng)扇是否開啟。軟件流程如圖5所示。

圖5 控制模塊流程圖

2 調(diào)試結(jié)果

（1）溫度控制調(diào)試：根據(jù)不同地理位置和大棚種植類型，從數(shù)據(jù)庫獲取該條件下溫度閥值。調(diào)試時(shí)，以數(shù)據(jù)庫獲取的閾值為設(shè)定值，如設(shè)置閾值為30℃，在未達(dá)到閾值溫度時(shí)，風(fēng)扇關(guān)閉，如圖6所示。在溫度高于設(shè)定的30℃時(shí)，風(fēng)扇開啟實(shí)現(xiàn)降溫。測試結(jié)果如圖7所示。

圖6 溫度在設(shè)定值內(nèi)

圖7 溫度超過設(shè)定值

（2）土壤濕度控制調(diào)試：根據(jù)不同地理位置和大棚種植類型，從數(shù)據(jù)庫獲取該條件下土壤濕度閥值。如設(shè)置閾值為5.1%，在未達(dá)到閾值土壤濕度時(shí)，抽水泵開啟，如圖8所示。在土壤濕度高于設(shè)定的5.1%時(shí)，抽水泵關(guān)閉。測試結(jié)果如圖9所示。

圖8 土壤濕度在閥值內(nèi)

圖9 土壤濕度超過閥值

（3）光強(qiáng)控制調(diào)試：根據(jù)不同地理位置和大棚種植類型，從數(shù)據(jù)庫獲取該條件下光照強(qiáng)度閥值，調(diào)試時(shí)，以數(shù)據(jù)庫測試閾值為準(zhǔn)，測試閥值40000，即當(dāng)光照強(qiáng)度低于該測試閥值時(shí)，進(jìn)行補(bǔ)光裝置工作。閥值內(nèi)如圖10所示，此時(shí)燈并未點(diǎn)亮。超過閥值的情況如圖11所示，此時(shí)燈點(diǎn)亮進(jìn)行補(bǔ)光。

圖10 光照強(qiáng)度在閥值內(nèi)

圖11 光照強(qiáng)度超過閥值

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種智能栽培系統(tǒng)，通過簡單的操作實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化栽培，更加滿足現(xiàn)如今中國的農(nóng)村現(xiàn)狀，并且還可以運(yùn)用在除栽培以外的其他行業(yè)中。還有5G技術(shù)的輔助，進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣扰c精度。有利于農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)精細(xì)化生產(chǎn)以及高效出產(chǎn)，具有較好的應(yīng)用前景。