基于5G網絡的智慧大棚種植控制系統設計

摘要: 闡述基于5G網絡的智慧大棚種植控制管理系統，通過傳感器進行環境參數的采集，通過無線網絡進行組網，數據傳輸到SMT32單片機主控核心板，手機App通過云端服務器實現遠程監控與控制。

引言

5G網絡高速度、泛在網、低功耗、低時延、萬物聯網，在中國5G的商用正快速發展，5G時代下不只是5G手機的應用，它還將面向未來智慧農業、VR/AR、工業互聯網、智慧城市、無人駕駛、車聯網、智能家居、無人機、智慧醫療、應急安全等等。農業種植也是蘊含巨****展潛力的應用領域，通過5G網絡農業大數據也正由技術創新向應用創新轉變，而5G也將為農業帶來海量的原始數據，從而推動智慧農業的不斷前進。

目前農業大棚種植是農產品的一個重要來源地，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，又容易發生差錯，也不能做到預防，因此構建基于5G網絡的智慧大棚生態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STM32核心控制板的信號采集與數據處理系統進行環境監測，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5G網絡模塊和機智云Aiot開發平臺的服務端進行聯網，通過App查看數據和操控數據，上位機屏幕可以對所有數據進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進行選擇，對環境的溫度，光照、CO2含量進行調控。

圖一系統架構功能

系統功能：

（1）種植技術智能化。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、養分、氣象信息等，實現旱情自動預報、灌溉用水量智能決策、遠程、自動控制灌溉設備等功能，并且將數據及時反饋給技術人員，最終達到精耕細作、準確施肥、合理灌溉的目的，可以實現從植物的育種、成長、成熟實現一體化的管理。

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

（3）種植過程公開化。在5G的強大技術支撐下，實時發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進入網絡觀看種植過程，看農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技術支持下，根據信息數據提供最佳生長環境，即使勞動力和能源較少，也可以提高農產品的生產力和質量。使用智能農場設備，當人們不在時，可以打開和關閉溫室的窗戶，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指標要求，對硬件電路進行設計，其中主要包括植物補光電路和聯動控制電路，還有節點傳感器電路，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，接收各個節點傳回來的數據并進行處理，處理完后通過串口發送給屏幕顯示，同時將處理完的數據通過Nrf24L01無線模塊發送到主機MCU,傳輸完畢Npf2L01無線模塊進入待機模式，等待下一次循環。

（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的數據并進行處理，同時通過Wi Fi無線模塊上傳到機智云服務器，機智云服務器通過Wi Fi無線模塊傳回數據并進行處理，主機MCU從而進行各種相關的模塊控制，其流程如圖5所示。

（3）手機App程序設計：通過開發者中心的圖形化界面定義設備功能，機智云自動生成設備MCU與通信模組之間的串口通信協議，開發者根據協議文檔即可實現設備的聯網能力。設備接入機智云物聯網平臺后，機智云提供了面向App應用的API，提供傳輸設備數據到應用、應用向設備發起的控制信息的功能。該系統通過機智云AIoT開發平臺提供的API進行與設備的數據、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，測試數據與評價

測試數據結果與實際相符合，在機智云服務器后臺能清晰地看到機智云被手機App或者屏幕控制時數據的變化，同時在App端上下線時能夠明確記錄。設備連上云端后，設備收集回來的環境數據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備進行手動和自動設置。

手動設置可以對設備內的風扇、抽進水電機及植物補光燈等進行開關控制；自動設置會根據用戶選擇不同的蔬菜種類和環境參數進行相應自主控制，以達到自動化控制目的。通過開啟自動聯動模式，根據環境參數閾值的設定，實現系統的自動聯動功能，可以聯動滴灌、抽風、加熱、補光、遮陽等功能的自動控制，閾值設定。

所創新的意義，人工智能農業大棚種植系統將實時采集到的傳感器數據與傳統的種植經驗相結合，形成了適合作物種植特點的決策庫，系統將根據感知到數據，控制執行機構自動調節空氣溫濕度、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環境中，大大降低種植成本，縮短種植時間，實現節能增收。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濃度等環境的變化，也可改成手動模式，對執行機構進行手動調節。

本系統擁有多種蔬菜種植模式，給予每種蔬菜最適宜的環境生長參數。人工智能農業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，采用了先進的3D打印技術，更加智能化。

5結語

5G時代，農業將會更加智能、更加精準，基于5G網絡的智慧大棚種植控制管理系統設計與傳統的農業溫室大棚相比，我們的項目創新點更加智能化、數字化、聯網化，再也不是單一的檢測硬件了，農場將布滿傳感器，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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