基于5G的智慧農業物聯網控制管理系統設計

熊峻輝，劉娟秀，黃心怡，雷光明，毛媛

（成都工業學院 電子工程學院，四川成都，611730）

0 引言

目前智慧農業系統在世界各國發展迅速，現代農業精細化大規模生產與物聯網結合有著巨大的市場需求空間[1]。國外對于智慧農業存在多種有溫室大棚種植技術，不僅能夠利用網絡進行大棚的實時通信，還能夠進行對大棚內的各個參數進行調節，并對其大棚中各個參數進行實時監控與調節。如美國已應用“5S 技術”[2]、智能化農機技術等形成了農業精細化，幫助農場主精細化耕作并提質增效；日本利用數字技術、傳感技術和遠程控制等技術建立了個性化“網上農場”式農業運營新模式[3]，使消費者可實時自主遠程精準控制自有農產品生產，并獲得理想的農產品。雖然我國現代農業化發展進程加快，但是相較于國外的技術我們還是落后，再加上我國領土寬廣，類型繁多，推廣進程不一，導致國內農業發展各方面不均衡。因此我國農業現代化需要更進一步的提升。

針對這一現狀，本項目擬設計一個農業物聯網控制管理系統，該平臺利用5G、物聯網等新型信息化技術，將STM32作為中央處理器、傳感器模塊作為監測裝置，引入到農業科技園區應用中，解決傳統農業數據采集難、傳輸效率低、人力成本高等問題。

1 研究內容

■ 1.1 系統總體設計

本項目采用STM32和ZigBee技術以及5G通信技術的融合實現數據的收集與傳輸。STM32系統中包含溫濕度控制、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微處理器中先設定好程序，利用光照模塊、溫濕度模塊對外部環境進行數據采集，將這些數據傳給單片機，在操作系統設定的標準參數范圍內進行各個方面的比對，從而將實際操作反饋給物理操作系統并進行處理。再通過串口利用ZigBee技術實現數據傳輸系統，將數據傳輸到數據庫中，同時通過USB接口利用5G通信實現遠程數據傳輸與分析，負責收集和傳送單片機的指令。這兩個通信模塊也可以與上位機進行通信，達到更精確高效的工作效率，采集更多實時數據，減少商業成本投入。系統工作原理如圖1所示。

圖1 系統工作原理圖

■ 1.2 各功能模塊設計

（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據，將數據通過網絡傳輸給主控單片機，主控單片機通過5G模塊下載數據庫的信息與溫濕度數據進行對比，來發送指令控制調溫濕度的模塊達到預設溫濕度。

（2）光照模塊(TEMT6000)：光照模塊的基本原理是以光電效應為基礎，把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將非電信號轉換成電信號。通過ADC采集電信號數據，將數據通過網絡傳輸給主控單片機，主控單片機通過5G模塊下載數據庫信息與光照模塊數據進行對比，來發送指令進行補光和遮光等物理操作使得光照達到預設適宜強度。

（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換成電信號。通過ADC采集電信號數據，將數據通過網絡傳輸給主控單片機，主控單片機通過ZigBee模塊下載數據庫的信息與土壤濕度模塊數據進行對比，來發送指令控制自動灌溉模塊實現調節土壤濕度。

（4）溫控模塊(風扇)：風扇模塊是通過控制PWM值來控制風扇轉速，進而控制降溫速度。主控單片機通過發送的指令來控制風扇不同的轉速。

（5）ZigBee模塊(CC2530)：通信模塊的作用是將傳感器得到的數據傳輸給主控單片機。在農業監測區域內根據隨機分布的多種類的微型傳感器利用ZigBee組網，在對網絡進行全覆蓋的同時，采集、計算和處理區域中監測到的對象的動態信息。由于對農業生產的監控面積十分大，想要網絡覆蓋足夠全面，采用ZigBee組網是十分實用的。采用ZigBee獲取各個模塊的數據，主控單片機通過不同的局域網IP，獲取不同模塊的數據，將獲取數據與數據庫下載數據進行對比，進而實現不同邏輯之間的控制。

（6）5G模塊(MH5000)：系統近程數據傳輸利用ZigBee組網，遠程數據傳輸利用5G模塊，再聯系物聯網云平臺實現終端設備和數據監控中心的遠程通信。同時，將Web服務器部署在第三方云平臺上，通過界面設置相關自動化設備的閾值參數，進而完成補光等一系列操作。

■ 1.3 軟件設計

軟件系統主要完成的功能包括系統初始化、環境溫度控制、土壤濕度控制、光強控制和數據傳輸通信。軟件總體流程圖如圖3所示。

圖3 系統軟件總體流程圖

當軟件開始運行時，首先進行基礎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，直接進入網絡節點1或網絡節點n（n為2，3，4，5……）或進入數據庫讀取數據，直接得出數據n或進行數據比對1或數據比對n，得出控制指令1或控制n，分別進入網絡節點1或網絡節點n，得到數據n或數據1，若為數據1，則再次進入數據比對的循環。

軟件的初始化流程如圖4所示。將程序設置為IO模式，再復位控制模塊，如果控制模塊復位失敗則返回0，繼續進行復位控制模塊操作，如果復位成功，則進行IO接收，控制模塊初始化成功，返回1，程序結束，如果初始化失敗，則返回0，繼續進行IO接收操作。

圖4 初始化流程圖

因為STM32內部自帶ADC轉換，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，把模擬量轉換為數字量，再在系統中比較輸入的數字量和預設數字量的關系，從而決定是否開啟或關閉抽水泵。光照模塊也是同理。在溫度調節方式中，將DHT11傳感器的Dout引腳，連接到STM32的PA2口，使用STM32的TIM1通用定時器，對環境溫度進行輸入捕獲，和預設的數字量進行數據比較，通過PE9引腳輸出PWM波，根據比較結果決定風扇是否開啟。軟件流程如圖5所示。

圖5 控制模塊流程圖

2 調試結果

（1）溫度控制調試：根據不同地理位置和大棚種植類型，從數據庫獲取該條件下溫度閥值。調試時，以數據庫獲取的閾值為設定值，如設置閾值為30℃，在未達到閾值溫度時，風扇關閉，如圖6所示。在溫度高于設定的30℃時，風扇開啟實現降溫。測試結果如圖7所示。

圖6 溫度在設定值內

圖7 溫度超過設定值

（2）土壤濕度控制調試：根據不同地理位置和大棚種植類型，從數據庫獲取該條件下土壤濕度閥值。如設置閾值為5.1%，在未達到閾值土壤濕度時，抽水泵開啟，如圖8所示。在土壤濕度高于設定的5.1%時，抽水泵關閉。測試結果如圖9所示。

圖8 土壤濕度在閥值內

圖9 土壤濕度超過閥值

（3）光強控制調試：根據不同地理位置和大棚種植類型，從數據庫獲取該條件下光照強度閥值，調試時，以數據庫測試閾值為準，測試閥值40000，即當光照強度低于該測試閥值時，進行補光裝置工作。閥值內如圖10所示，此時燈并未點亮。超過閥值的情況如圖11所示，此時燈點亮進行補光。

圖10 光照強度在閥值內

圖11 光照強度超過閥值

3 結論

本文設計了一種智能栽培系統，通過簡單的操作實現了自動化栽培，更加滿足現如今中國的農村現狀，并且還可以運用在除栽培以外的其他行業中。還有5G技術的輔助，進一步提高了數據傳輸的速度與精度。有利于農業實現精細化生產以及高效出產，具有較好的應用前景。