基于FPGA 的智能農場系統設計

侯潤澤，卞曉曉，原子旋，鄧文昌

（南京航空航天大學金城學院 信息工程學院，江蘇 南京 210000）

0 引 言

隨著經濟的快速發展和城市化進程的加速推進，農業生產面臨著越來越多的挑戰和機遇，如何提高農業生產的效率和質量，成為當前迫切需要解決的問題。與此同時，隨著信息技術和智能技術的不斷發展和應用，物聯網技術在智慧農業中的應用也日益受到關注[1]。

物聯網（Internet of Things, IoT）是一種新型的互聯網技術，它將傳感器、智能設備和互聯網技術有機結合，實現了物與物、人與物之間的智能互聯和數據交互[2]。隨著農業現代化和信息化的深入發展，物聯網技術在智能農業領域的應用逐漸受到關注。而我國農業物聯網技術的發展尚處于初期探索階段，主要應用于設施農業上，存在規模小、成本高、見效差等問題[3]。本文針對物聯網智能農場系統設計，以國產芯片高云的GW2A-Tang Primer 20K 型號FPGA 作為核心處理器，結合傳感器、通信模塊等硬件設備，將物聯網技術應用于農業生產的各個環節，設計出一套完整的智能農場系統，從而提高農業生產的效率和質量。

1 系統的整體結構設計

系統包括門禁模塊、遮陽模塊、光照模塊、灌溉模塊、降溫模塊、數據顯示模塊、WiFi 模塊等。各個模塊之間的數據處理和數據傳輸都是通過GW2A 進行的。當光強過低時，光照子系統會啟動，打開LED 燈進行補光；當土壤濕度過低時，灌溉子系統會啟動，抽水泵開始對土壤進行澆灌；當室內溫度過低時，降溫子系統會啟動，打開風扇進行降溫。門禁和遮陽模塊則作為獨立系統，由管理者根據需求進行操作。整體系統如圖1 所示。

圖1 系統整體結構

2 系統的硬件結構部分

2.1 主控芯片

本文系統采用的是國產芯片高云的GW2A-Tang Primer 20K 型號FPGA。GW2A 開發板具有強大的數字信號處理能力和高速的信號傳輸能力，可以及時有效地控制各類裝置以實現相應的需求，使得數據傳輸穩定，精度較高。依托其高性能的DSP 資源、高速LVDS 接口以及豐富的B-SRAM 存儲器資源，采用各類高精度傳感器，通過GW2A 對系統進行底層邏輯設計，從而達到預期結果，完成預想功能[4]。

2.2 WiFi 模塊

本文系統采用的WiFi 模塊是ESP8266 模塊。該模塊的處理器為樂鑫公司研發的專用于物聯網的一款芯片，其特點為成本低、功耗低、集成TCP/IP 協議棧[5]。WiFi 模塊在整個農場系統中占有重要地位，智能農場通過WiFi 網絡將各個子系統相互連接進行通信，從而實現遠程控制、數據采集和監控等功能。WiFi 模塊聯網示意圖如圖2 所示。

圖2 WiFi 模塊聯網示意圖

2.3 溫濕度、光敏等傳感器模塊

本文系統采用DHT11 溫濕度傳感器，檢測農場內土壤濕度，以便及時對土壤進行灌溉；GY-30 光敏傳感器用于檢測農場內光照強度，以便對室內及時進行補光操作；采用高精度溫度傳感器實時監測農場內溫度，以便能夠及時對家畜養殖區進行降溫。

2.4 顯示屏、舵機、電機等模塊

本文系統采用0.96 寸OLED 顯示屏，實時顯示農場內溫濕度數據；使用SG90 舵機來控制大門的開關；使用28BYJ-48 步進電機來實現對蔬菜區大棚的控制。

3 系統的軟件部分

整個農場系統軟件部分由WiFi 聯網控制、數據讀取、數據處理、外設控制等程序構成。

WiFi 聯網控制作為整個系統的核心，將整個農場的各個子系統相互連接。當整個系統開始運行后，首先需要對WiFi模塊進行初始化，將其設置成AP 工作模式，啟動多連接，連接到農場中各個子模塊；然后對各個系統中的傳感器所發出的數據進行接收；最后將所接收到的數據處理后傳送至移動控制端，從而達到對農場進行實時監管的目的[6]。WiFi 聯網控制的部分流程如圖3 所示。

圖3 WiFi 聯網控制流程

4 模擬系統的制作

在智能農場的模擬系統搭建中，用到了人工草皮和各種微縮模型。整個智能農場被分為室內家畜養殖區、室外大棚蔬菜區和其他區域。室內家畜養殖區域內裝有LED 燈和風扇，這些LED 燈會根據光照的強度進行工作，風扇也會隨著室內溫度的變化自動進行工作。室外的大棚蔬菜種植區則由5 根不銹鋼桿和1 塊黑色編織袋構成大棚的主體，將電機與其組合，實現對大棚的遠程控制。蔬菜種植區的一側是儲水池，用于收集雨水，以及儲存對蔬菜進行灌溉的水源。智能農場正面圖如圖4 所示。

圖4 智能農場正面圖

5 系統的功能實現

各個子系統的工作流程如圖5 所示。

圖5 智能農場工作流程

5.1 遠程門禁以及遮陽大棚功能

對于系統的遠程門禁功能，由FPGA 輸出PWM 波來驅動舵機旋轉相應的角度。當有人需要進入農場，室內的值班人員通過按下按鈕來控制舵機打開大門。系統的遮陽大棚功能的原理同上，農場管理者可以根據天氣情況，通過按下按鈕來控制電機的轉動，從而達到開關大棚的目的。

5.2 自動灌溉功能

對于系統的自動灌溉功能，由FPGA 驅動DHT11 溫濕度傳感器開始工作，進行數據處理之后，通過對處理后的數據進行分析來確定土壤的濕度。當土壤中的水分含量低于某一設定的閾值后，繼電器會被驅動，從而打開水泵，實現對土壤進行灌溉的功能[7]。

5.3 光照功能

對于系統的光照功能，由FPGA 驅動光敏傳感器開始工作，接收數據并進行數據處理。當光照強度低于某一設定的閾值后，LED 燈會自動打開進行補光操作[8]。

5.4 降溫功能

系統的降溫功能由 FPGA 驅動溫度傳感器進行工作，數據經過處理和分析后，如果室內溫度達到某一設定的閾值，繼電器就會被驅動，從而打開風扇，達到自動降溫的目的。

5.5 聯網功能

系統的聯網功能由FPGA 驅動ESP8266 模塊實現，可通過與農場內的燈光、門禁、大棚、溫濕度等系統進行聯網，并與手機等客戶端進行通信，達到能夠遠程在手機上對農場功能進行監控和控制的目的[9]。

6 結 語

本文提出了一種基于FPGA 的物聯網智能農場系統設計方案。該系統可以根據實際農業生產中不同的需求和應用場景進行功能上的拓展。通過對系統設計進行詳細介紹和實驗模擬，可以看到該系統在實現農業生產監測、自動控制、數據分析等方面均具有很好的效果。此外，該系統還結合了物聯網技術，實現了設備之間的通信和數據交換，使得農業生產的各個環節得以實時監測和追蹤，從而提高生產效率和產品質量。同時，該系統還可以通過云計算和大數據分析等技術，實現對農業生產數據的深度挖掘和分析，為農業生產的智能化發展提供有力的支撐[10]。

總之，相信在未來的研究和實踐中，這種基于FPGA 的物聯網智能農場系統設計將會得到推廣和廣泛應用，并為農業生產帶來更多的創新和發展。