基于5G通信與AVR單片機的數(shù)字化農(nóng)業(yè)大棚智能控制系統(tǒng)設(shè)計

黃翔 江佳凌 鮑洪霖 席佳穎

摘 要：隨著我國國民經(jīng)濟的迅速發(fā)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(xué)技術(shù)大批量種植蔬菜，已成為當(dāng)務(wù)之急。文章所設(shè)計的基于5G通信與AVR單片機的數(shù)字化農(nóng)業(yè)大棚智能控制系統(tǒng)，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(dāng)前蔬菜的生長環(huán)境，并在監(jiān)控站直觀地顯示數(shù)據(jù)變化。通過控制從站ATmega16，達到墑情（土壤的濕度情況）自動預(yù)報、灌溉用水量智能決策、遠程自動控制灌溉設(shè)備等功能。

關(guān)鍵詞：MySQL數(shù)據(jù)庫;ATmega16;農(nóng)業(yè)大棚

中圖分類號：TP273.5文獻標(biāo)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(nóng)業(yè)數(shù)字化大會召開，標(biāo)志著農(nóng)業(yè)信息化進入5G時代[1]。數(shù)字化農(nóng)業(yè)大棚的建立，可實現(xiàn)種植產(chǎn)量最大化、種植品種多樣化、種植生長可視化、種植過程科學(xué)化、種植技術(shù)多樣化，從而助推鄉(xiāng)村振興，共建農(nóng)業(yè)生態(tài)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

基于5G通信與AVR單片機的數(shù)字化農(nóng)業(yè)大棚智能控制系統(tǒng)整體架構(gòu)包含四層，各層作用如下：

環(huán)境監(jiān)測模塊：遠程實時監(jiān)測大棚農(nóng)作物的生長環(huán)境數(shù)據(jù)，如空氣溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度等;遠程實時監(jiān)控氣象，如精確氣象監(jiān)測、氣象預(yù)報預(yù)警等。

5G監(jiān)測云平臺：在主站的ATmega16通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與大棚內(nèi)的數(shù)據(jù)信息進行實時通訊，并周期性在云端服務(wù)器記錄農(nóng)作物生長數(shù)據(jù)、環(huán)境參數(shù)。結(jié)合數(shù)據(jù)智能分析，可以呈現(xiàn)出棚內(nèi)各個環(huán)境因素的走勢，并能夠?qū)崟r識別環(huán)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(nèi)設(shè)備收集的數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)動態(tài)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(tǒng)：根據(jù)設(shè)定在MySQL的數(shù)據(jù)參數(shù)，自定義監(jiān)控棚內(nèi)數(shù)據(jù)[2]。當(dāng)數(shù)據(jù)異常時發(fā)出警告，用戶依托于主站的無線收發(fā)模塊，使棚內(nèi)配套的控制設(shè)備工作，實現(xiàn)棚內(nèi)環(huán)境調(diào)控，準(zhǔn)確施肥，合理灌溉。

2 關(guān)鍵技術(shù)和主要技術(shù)指標(biāo)

2.1 MySQL數(shù)據(jù)庫設(shè)計

MySQL數(shù)據(jù)庫在查詢標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議上支持大部分SQL查詢標(biāo)準(zhǔn)語言，因此用戶只要熟悉關(guān)鍵的SQL查詢語言就可以對MySQL數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)修改、查看、命令、刪除。由于數(shù)據(jù)庫是軟件系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互的基礎(chǔ)，因而數(shù)據(jù)庫設(shè)計是系統(tǒng)的核心。針對大棚的需求和被監(jiān)測對象的特性建立數(shù)據(jù)庫表[3-4]，通過設(shè)置好索引和關(guān)聯(lián)關(guān)系，對收集的數(shù)據(jù)進行合理運用。數(shù)據(jù)庫表的設(shè)計有系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊、傳感器數(shù)據(jù)模塊、執(zhí)行器數(shù)據(jù)模塊。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊主要包含傳感器參數(shù)設(shè)置、大棚參數(shù)設(shè)置、氣象站參數(shù)設(shè)置、控制參數(shù)設(shè)置。傳感器數(shù)據(jù)模塊主要用來保存并設(shè)置大棚的濕溫度、光照強度、傳感器狀態(tài)和氣象狀況等。執(zhí)行器數(shù)據(jù)模塊主要用來保存并設(shè)置噴水量、施肥量、大棚開度狀態(tài)等。

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊如表1所示。大棚參數(shù)設(shè)置如表2所示。

2.2 無線收發(fā)系統(tǒng)編寫

該系統(tǒng)選用NRF905無線傳輸模塊，采用C語言進行軟件編寫。通過SPI協(xié)議直接和ATmega16單片機連接，頻率設(shè)置最高可達433/868/915MHz的開放ISM頻，數(shù)據(jù)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(shè)置TRX_CE和TX_EN端口，選擇接收和發(fā)送的模式。NRF905處于接收模式時會自動接收空中載波;處于發(fā)送模式時會自動添加前導(dǎo)碼和CRC校驗字，之后發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)DR端口置高后，表示接收或發(fā)送完畢。

3 技術(shù)特點和優(yōu)勢

目前，廣大農(nóng)村地區(qū)采用煤油溫度計的溫度采集方式[5-6]，傳統(tǒng)的大棚監(jiān)控系統(tǒng)一般采用模擬、有線監(jiān)測系統(tǒng)。經(jīng)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(fù)雜、測控軟件功能不統(tǒng)一、系統(tǒng)操作不規(guī)范等。

相比傳統(tǒng)大棚管理系統(tǒng)，數(shù)字化農(nóng)業(yè)大棚采用環(huán)境監(jiān)測模塊采集數(shù)據(jù)，提供各種后臺服務(wù)的服務(wù)器和用戶操作的客戶端軟件[7]。采集節(jié)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(huán)境參數(shù)，微控制器讀取對應(yīng)環(huán)境監(jiān)測模塊的數(shù)據(jù)后，將這些數(shù)據(jù)通過ESP32發(fā)送至服務(wù)器。

同時，傳統(tǒng)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(tài)、讀取數(shù)據(jù)）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(yīng)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(shù)據(jù)通信將缺失此傳感器數(shù)據(jù)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(shè)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(tǒng)功率;在云端服務(wù)器中，存儲各種信息的MySQL數(shù)據(jù)庫，擺脫程序?qū)π蛄刑栁ㄒ恍缘囊蕾?，并對其進行了優(yōu)化;根據(jù)實地農(nóng)業(yè)大棚中的執(zhí)行設(shè)備情況和被控對象的特性，筆者還設(shè)計了帶回滯的開關(guān)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(nèi)部的環(huán)境，監(jiān)測植物的生長狀況[8-10]。如果用戶需要手動干預(yù)大棚內(nèi)部環(huán)境，可以通過網(wǎng)站控制ATmega16打開或關(guān)閉繼電器，從而達到人工干預(yù)的目的。

4 系統(tǒng)模擬展示

本項目通過安裝在棚內(nèi)的溫濕度傳感器、光敏電阻和棚外的智能氣象站，將環(huán)境數(shù)據(jù)傳遞給從站（監(jiān)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(shù)據(jù)通過ESP32與云端服務(wù)器通訊，對比數(shù)據(jù)有無異常并進行警告，同時周期性記錄各盆農(nóng)作物的環(huán)境數(shù)據(jù)。當(dāng)環(huán)境數(shù)據(jù)異常時，用戶在web端和移動端接收通知，控制主站的ATmega16發(fā)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(qū)動電機工作，使卷簾、通風(fēng)、加濕、加熱等功能按需求開啟，并將數(shù)據(jù)反饋給從站ATmega16。

5 系統(tǒng)運用

在互聯(lián)網(wǎng)時代，農(nóng)業(yè)管理方式也要除舊布新，結(jié)合智慧大棚的多項傳感器，通過優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，實現(xiàn)溫濕度、光照強度等土壤和環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集及分析，同時通過遠程實時控制溫室與大棚內(nèi)的各類設(shè)備，實現(xiàn)對灌溉、溫濕控作業(yè)的智能化管控與作物信息的可追溯管理，使農(nóng)業(yè)管理更加輕松。

結(jié)合農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)采集農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)上傳的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)，依托大數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、趨勢預(yù)判與數(shù)據(jù)可視化，并提供對應(yīng)的解決方案，以更加精準(zhǔn)、科學(xué)的管理方式，提高產(chǎn)量、防控病害，同時優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全鏈條資源的科學(xué)合理配置，提升生產(chǎn)精細化、集約化程度。有了數(shù)字化農(nóng)業(yè)大棚，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理將更加智能化、精準(zhǔn)化、高效化、快捷化，在節(jié)省人力的同時提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。

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