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基于5G网络的智慧大棚种植控制系统设计

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 楼主| 发表于 2021-12-8 19:08:22 | 显示全部楼层 |阅读模式
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本帖最后由 Kara 于 2021-12-8 19:10 编辑

基于5G网络的智慧大棚种植控制系统设计


摘要: 阐述基于5G网络的智慧大棚种植控制管理系统,通过传感器进行环境参数的采集,通过无线网络进行组网,数据传输到SMT32单片机主控核心板,手机App通过云端服务器实现远程监控与控制。


引言

5G网络高速度、泛在网、低功耗、低时延、万物联网,在中国5G的商用正快速发展,5G时代下不只是5G手机的应用,它还将面向未来智慧农业、VR/AR、工业互联网、智慧城市、无人驾驶、车联网、智能家居、无人机、智慧医疗、应急安全等等。农业种植也是蕴含巨大发展潜力的应用领域,通过5G网络农业大数据也正由技术创新向应用创新转变,而5G也将为农业带来海量的原始数据,从而推动智慧农业的不断前进。


目前农业大棚种植是农产品的一个重要来源地,特别是鲜花和蔬菜,传统的温室大棚种植其控制主要靠人为操作调节,不仅耗费人力,又容易发生差错,也不能做到预防,因此构建基于5G网络的智慧大棚生态管理系统具有极其重要的意义。


1 系统设计

系统功能架构规划图。图1为系统架构功能,系统工作原理:通过STM32核心控制板的信号采集与数据处理系统进行环境监测,其中温湿度的数据采集主要由空气温湿度传感器DHT11、光照传感器、CO2传感器、土壤湿度传感器、烟雾传感器、NRF24L01模块、主控CPU单元、电容触摸屏显示器、WiFi esp8266模块、充放电电路及其他**电路组成,然后通过5G网络模块和机智云Aiot开发平台的服务端进行联网,通过App查看数据和操控数据,上位机屏幕可以对所有数据进行监测或者对被控制器控制,手机App或者屏幕可以对所种植的蔬菜种类进行选择,对环境的温度,光照、CO2含量进行调控。


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图一系统架构功能


系统功能:
(1)种植技术智能化。5G采用高精度土壤温湿度传感器和智能气象站,远程在线采集土壤情况、酸碱度、养分、气象信息等,实现旱情自动预报、灌溉用水量智能决策、远程、自动控制灌溉设备等功能,并且将数据及时反馈给技术人员,最终达到精耕细作、准确施肥、合理灌溉的目的,可以实现从植物的育种、成长、成熟实现一体化的管理。


(2)农业管理智能化。农业管理智能化就是在植物生长的过程中,由智能监管农作物缺少什么(例如养分不足,病虫害的预判),就及时给它什么,5G就是让人对机械的命令立即到达执行,同时实现对植物生长的整个周期进行监控和管理,解放人力劳动。


(3)种植过程公开化。在5G的强大技术支撑下,实时发送图像数据让人们了解菜园作物状况。也就是消费者可以随时进入网络观看种植过程,看农作物生长过程中都用什么药,什么肥,让大家放心食用。


(4)劳力管理智能化。在5G技术支持下,根据信息数据提供最佳生长环境,即使劳动力和能源较少,也可以提高农产品的生产力和质量。使用智能农场设备,当人们不在时,可以打开和关闭温室的窗户,并自动供水。无人驾驶拖拉机可实时向管理员提供障碍物数据,并且重定路径。


2,硬件电路设计

系统硬件电路设计主要是根据系统设计技术指标要求,对硬件电路进行设计,其中主要包括植物补光电路和联动控制电路,还有节点传感器电路,其电路设计图分别如图2、图3、图4所示。

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图2灯光等电路图

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图3烟雾及光照传感器电路

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图4节点模块PCB板


3软件设计

MCU程序流程图:
(1)主机屏幕的设计思路为:各模块初始化,初始化Npf2L01为接收模式,接收各个节点传回来的数据并进行处理,处理完后通过串口发送给屏幕显示,同时将处理完的数据通过Nrf24L01无线模块发送到主机MCU,传输完毕Npf2L01无线模块进入待机模式,等待下一次循环。


(2)主机MCU的设计思路为:各模块初始化,初始化Npf2L01为接收模式,接收主机屏幕传回来的数据并进行处理,同时通过Wi Fi无线模块上传到机智云服务器,机智云服务器通过Wi Fi无线模块传回数据并进行处理,主机MCU从而进行各种相关的模块控制,其流程如图5所示。


(3)手机App程序设计:通过开发者中心的图形化界面定义设备功能,机智云自动生成设备MCU与通信模组之间的串口通信协议,开发者根据协议文档即可实现设备的联网能力。设备接入机智云物联网平台后,机智云提供了面向App应用的API,提供传输设备数据到应用、应用向设备发起的控制信息的功能。该系统通过机智云AIoT开发平台提供的API进行与设备的数据、控制的实时通讯,解决智能硬件接入的需求。

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图5主控MCU程序流程图

4,测试数据与评价

测试数据结果与实际相符合,在机智云服务器后台能清晰地看到机智云被手机App或者屏幕控制时数据的变化,同时在App端上下线时能够明确记录。设备连上云端后,设备收集回来的环境数据就会实时显示在手机App上和串口显示屏上,此时可以使用手机对设备进行手动和自动设置。


手动设置可以对设备内的风扇、抽进水电机及植物补光灯等进行开关控制;自动设置会根据用户选择不同的蔬菜种类和环境参数进行相应自主控制,以达到自动化控制目的。通过开启自动联动模式,根据环境参数阈值的设定,实现系统的自动联动功能,可以联动滴灌、抽风、加热、补光、遮阳等功能的自动控制,阈值设定。


所创新的意义,人工智能农业大棚种植系统将实时采集到的传感器数据与传统的种植经验相结合,形成了适合作物种植特点的决策库,系统将根据感知到数据,控制执行机构自动调节空气温湿度、土壤湿度、光照强度、CO2浓度等功能指标。

使农作物始终处于在最佳的生长环境中,大大降低种植成本,缩短种植时间,实现节能增收。用户可通过手机App或显示屏就能随时了解大棚中温湿度,土壤湿度,光照强度,CO2浓度等环境的变化,也可改成手动模式,对执行机构进行手动调节。

本系统拥有多种蔬菜种植模式,给予每种蔬菜最适宜的环境生长参数。人工智能农业大棚种植系统拥有数据采集分析功能、数据处理功能、强大的控制功能、远程监控功能,采用了先进的3D打印技术,更加智能化。


5结语

5G时代,农业将会更加智能、更加精准,基于5G网络的智慧大棚种植控制管理系统设计与传统的农业温室大棚相比,我们的项目创新点更加智能化、数字化、联网化,再也不是单一的检测硬件了,农场将布满传感器,收集数据以反馈给机器,农民只需坐在电脑前,便可以查看农作物的数据,根据采集的数据,做出相应的对策,在家种地变得更加便捷。


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