基于5G網(wǎng)絡的農業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

摘 要：針對蔬菜種植大棚內部環(huán)境參數(shù)不易監(jiān)控、人工調整難度大等問題，利用5G無線網(wǎng)絡和ZigBee通信技術設計了一套智慧大棚環(huán)境自動監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)大棚內部環(huán)境的自動化控制。系統(tǒng)利用ZigBee通信技術將傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC控制器進行分析處理，再通過5G高速網(wǎng)絡將分析結果呈現(xiàn)給用戶，實現(xiàn)對大棚內部環(huán)境的實時監(jiān)測。同時，系統(tǒng)可根據(jù)邏輯程序發(fā)出控制指令對大棚內部設備進行控制，從而實現(xiàn)濕度、濕度等環(huán)境變量的自動調節(jié)。測試結果表明，該系統(tǒng)設計方案合理，測控精度高，可實現(xiàn)農業(yè)大棚內環(huán)境的實時監(jiān)控和調節(jié)，有一定的實際應用價值。

關鍵詞：5G無線網(wǎng)絡；ZigBee技術；智慧農業(yè)；蔬菜大棚；環(huán)境監(jiān)測；物聯(lián)網(wǎng)；STM32單片機

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）10-00-04

0 引 言

近年來，物聯(lián)網(wǎng)、5G等技術快速發(fā)展并被廣泛應用，將其與農業(yè)生產有效融合，可為實現(xiàn)農業(yè)現(xiàn)代化建設提供有力支撐，極大地推動農業(yè)發(fā)展[1-2]。智慧農業(yè)的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)的農業(yè)生產方式，可以通過對相關農業(yè)數(shù)據(jù)的采集和分析，實現(xiàn)對氣象環(huán)境、作物生長、溫濕度變化與病蟲害情況等的研究和管理，從而及時干預和調整種植方式，估算作物產量以及實現(xiàn)自動化生產等，大幅提升農業(yè)生產的質量和效益[3-4]。可見，智慧農業(yè)是農業(yè)發(fā)展的必然趨勢，如何優(yōu)化農業(yè)技術手段，研制更為高效的控制系統(tǒng)是研究人員關注的重點。

針對蔬菜大棚種植環(huán)境不易控制、人工操作工作量大等問題，結合5G無線網(wǎng)絡及ZigBee通信技術設計了一套智慧大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32單片機為控制核心，通過5G網(wǎng)絡和ZigBee技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與通信，實時監(jiān)控大棚中的環(huán)境變化，進而實現(xiàn)通風、灌溉等設施的自動控制，以及大棚內溫度和濕度等參數(shù)的自動調節(jié)。用戶則可通過計算機或手機APP等及時了解大棚內部的情況，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析結果及系統(tǒng)提示的預警信息進行有效決策，提高種植與管理的科學性和有效性，為農業(yè)大棚種植的現(xiàn)代化發(fā)展提供理論參考。

1 系統(tǒng)總體構架

本文所設計的智能監(jiān)控系統(tǒng)主要由STM32單片機核心控制器、ZigBee網(wǎng)絡通信模塊、5G無線模塊、數(shù)據(jù)采集和輸出控制等部分組成，具有環(huán)境監(jiān)測、人機交互、提示告警以及自動控制等功能。數(shù)據(jù)采集模塊通過各類傳感器采集大棚內農作物生長環(huán)境的溫濕度、光照強度以及土壤溫度等數(shù)據(jù)，再將采集的數(shù)據(jù)傳送給核心控制器進行分析處理，與預設的條件參數(shù)進行對比，并依據(jù)程序的邏輯關系發(fā)出控制指令，控制噴水、通風、照明等設備的開啟和關閉；ZigBee通信模塊將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關節(jié)點傳送到控制器平臺，負責接收和傳輸傳感網(wǎng)絡的基礎數(shù)據(jù)[5]；5G無線高速網(wǎng)絡則負責將控制器中的數(shù)據(jù)上傳到人機交互平臺，用戶可以通過電腦或手持終端實時查看大棚內部的環(huán)境參數(shù)。如果環(huán)境參數(shù)超過某一閾值，系統(tǒng)預警，提醒用戶做出調整。本系統(tǒng)具有重量輕、功耗低、成本低以及可擴展性強等優(yōu)點，其結構框架如圖1所示。

1.1 主要硬件設計

1.1.1 STM32單片機

STM32單片機具有高速低耗、可靠性高的特點，且擁有十分豐富的外設接口以及內部存儲器，能夠實現(xiàn)多輸入多輸出的系統(tǒng)功能，適用于廣泛的應用場景[6-7]。STM32單片機是數(shù)據(jù)處理的核心，利用ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點實現(xiàn)與傳感器及用戶端平臺之間的數(shù)據(jù)傳輸和通信，將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)進行分析和處理，按照設定的參數(shù)發(fā)出指令對輸出設備進行自動控制，并將信息實時反饋給用戶，實現(xiàn)大棚內環(huán)境的實時監(jiān)測和控制。因此，根據(jù)本系統(tǒng)的設計要求，選用STM32單片機作為智慧大棚測控系統(tǒng)的主控單元，其最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

1.1.2 ZigBee通信模塊設計

ZigBee是一種無線射頻傳輸技術，具有功耗低、抗干擾能力強等優(yōu)點，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的電子設備之間的數(shù)據(jù)傳輸。針對智慧大棚的需求，本文采用ZigBee進行數(shù)據(jù)傳輸，構建監(jiān)測系統(tǒng)。ZigBee模塊在傳感器和單片機之間建立通信信道，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信，在傳感器和單片機之間進行數(shù)據(jù)傳輸和交換，并將控制指令傳遞給輸出設備。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡按其結構可分為網(wǎng)狀、簇狀以及星狀3種結構，考慮到ZigBee的短距離通信特點基本可以滿足本文所研究的小型蔬菜大棚的實際需要，所以系統(tǒng)設計中采用終端節(jié)點直接連接協(xié)調器的星型結構[8]。其中，獲取和傳輸傳感數(shù)據(jù)主要由ZigBee終端節(jié)點完成，建立ZigBee網(wǎng)絡，與STM32核心控制器之間進行數(shù)據(jù)交換需由協(xié)調器完成，其模塊設計如圖3所示。

1.2 軟件系統(tǒng)設計

系統(tǒng)軟件基于Windows 7操作系統(tǒng)開發(fā)，控制程序采用Python語言編寫，主要包括數(shù)據(jù)采集、ZigBee通信以及終端控制等流程。首先，建立蔬菜大棚數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡，通過ZigBee協(xié)調器實現(xiàn)網(wǎng)絡的建立、參數(shù)配置以及節(jié)點管理等功能。然后，完成系統(tǒng)參數(shù)初始化，設置相應溫度、相對濕度等環(huán)境指標的閾值；控制器通過ZigBee接收從傳感器采集的光照、溫度、相對濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)后，對其進行分析處理，并將結果與設定的閾值對比，發(fā)出相應的控制指令，控制設備開啟和關閉；處理后的結果通過5G無線網(wǎng)絡傳送到客戶端，以數(shù)字、圖表等方式提供給用戶，具體流程如圖4所示。

系統(tǒng)根據(jù)工作流程運行，當檢測土壤相對濕度達到設定閾值后，系統(tǒng)會自動開啟水泵灌溉，灌溉時間則由具體濕度值決定；當檢測光照強度不足時，系統(tǒng)會自動打開補光燈，增加光照強度，以滿足農作物生長需要?？梢姡到y(tǒng)的主要功能是實時采集大棚內的環(huán)境參數(shù)，并根據(jù)參數(shù)變化進行設備的自動控制，以實現(xiàn)大棚內的環(huán)境監(jiān)測與自我調控。

2 系統(tǒng)測試

為驗證所設計系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，利用該系統(tǒng)在某農業(yè)種植大棚進行采樣，開展實地測試[9-10]。本次測試只是研究監(jiān)控系統(tǒng)對空氣溫濕度和土壤濕度的采樣精度，因此缺少對設備的控制部分。大棚的尺寸為50 m×30 m，將大棚內部分為4個面積相近的測試區(qū)域，每個區(qū)域各有1個空氣溫度傳感器、空氣相對濕度傳感器以及土壤相對濕度傳感器。測試時間為日間8：00—15：00，每隔60 min采集1次數(shù)據(jù)。同時，在相同時間采用人工測量的方式在同一區(qū)域實地測量，分別取平均值進行測量結果對比，見表1所列。

為更加直觀地分析系統(tǒng)的監(jiān)測精度，將表1中的系統(tǒng)采集結果和人工測量結果進行圖形化對比，如圖5～圖7所示。

由測試結果可以看出，系統(tǒng)采集結果與人工測量結果非常接近。其中，以人工測量結果為參考值，則空氣溫度的平均絕對誤差僅為0.15 ℃，空氣相對濕度的平均絕對誤差為0.2%RH，而土壤相對濕度的平均絕對誤差為0.5%RH。由此可見，所構建的測控系統(tǒng)精度高、可靠性好，達到了設計要求。

3 結 語

利用5G無線網(wǎng)絡和ZigBee技術設計了一種針對智慧農業(yè)大棚的環(huán)境測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實時監(jiān)測大棚中的環(huán)境數(shù)據(jù)，并能自動對相關設備進行控制，從而實現(xiàn)環(huán)境變量的自動調節(jié)，具體結論如下：

（1）文中提出了智慧大棚環(huán)境測控系統(tǒng)的整體設計方案，并分別對硬件結構和軟件功能進行了具體分析；

（2）為驗證測控系統(tǒng)的可靠性和有效性，以大棚中空氣溫度、空氣相對濕度以及土壤相對濕度為指標進行系統(tǒng)測試，并與人工測試結果進行對比；

（3）研究結果表明，所設計的系統(tǒng)能夠有效監(jiān)測農業(yè)大棚內的環(huán)境，精度高、可靠性好、抗干擾能力強，能夠滿足智慧大棚對系統(tǒng)的要求，有一定的實際應用價值。

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