基于5G的智慧农业物联网控制管理系统设计

熊峻辉，刘娟秀，黄心怡，雷光明，毛媛

（成都工业学院 电子工程学院，四川成都，611730）

0 引言

目前智慧农业系统在世界各国发展迅速，现代农业精细化大规模生产与物联网结合有着巨大的市场需求空间[1]。国外对于智慧农业存在多种有温室大棚种植技术，不仅能够利用网络进行大棚的实时通信，还能够进行对大棚内的各个参数进行调节，并对其大棚中各个参数进行实时监控与调节。如美国已应用“5S 技术”[2]、智能化农机技术等形成了农业精细化，帮助农场主精细化耕作并提质增效；日本利用数字技术、传感技术和远程控制等技术建立了个性化“网上农场”式农业运营新模式[3]，使消费者可实时自主远程精准控制自有农产品生产，并获得理想的农产品。虽然我国现代农业化发展进程加快，但是相较于国外的技术我们还是落后，再加上我国领土宽广，类型繁多，推广进程不一，导致国内农业发展各方面不均衡。因此我国农业现代化需要更进一步的提升。

针对这一现状，本项目拟设计一个农业物联网控制管理系统，该平台利用5G、物联网等新型信息化技术，将STM32作为中央处理器、传感器模块作为监测装置，引入到农业科技园区应用中，解决传统农业数据采集难、传输效率低、人力成本高等问题。

1 研究内容

■ 1.1 系统总体设计

本项目采用STM32和ZigBee技术以及5G通信技术的融合实现数据的收集与传输。STM32系统中包含温湿度控制、光照、土壤湿度、温控、ZigBee和5G模块，其中需要首先在主控模块STM32微处理器中先设定好程序，利用光照模块、温湿度模块对外部环境进行数据采集，将这些数据传给单片机，在操作系统设定的标准参数范围内进行各个方面的比对，从而将实际操作反馈给物理操作系统并进行处理。再通过串口利用ZigBee技术实现数据传输系统，将数据传输到数据库中，同时通过USB接口利用5G通信实现远程数据传输与分析，负责收集和传送单片机的指令。这两个通信模块也可以与上位机进行通信，达到更精确高效的工作效率，采集更多实时数据，减少商业成本投入。系统工作原理如图1所示。

图1 系统工作原理图

■ 1.2 各功能模块设计

（1）温湿度控制模块(DHT11)：湿度测量范围为20%~90%RH；温度测量范围为0℃~50℃；湿度测量精度±5%相对湿度；温度测量精度±5%℃温度测量精度[4]。可通过DHT11并测量温湿度得到数据，将数据通过网络传输给主控单片机，主控单片机通过5G模块下载数据库的信息与温湿度数据进行对比，来发送指令控制调温湿度的模块达到预设温湿度。

（2）光照模块(TEMT6000)：光照模块的基本原理是以光电效应为基础，把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将非电信号转换成电信号。通过ADC采集电信号数据，将数据通过网络传输给主控单片机，主控单片机通过5G模块下载数据库信息与光照模块数据进行对比，来发送指令进行补光和遮光等物理操作使得光照达到预设适宜强度。

（3）土壤湿度模块(YL-69)：土壤湿度模块的基本原理将被测量的湿度转换成电信号。通过ADC采集电信号数据，将数据通过网络传输给主控单片机，主控单片机通过ZigBee模块下载数据库的信息与土壤湿度模块数据进行对比，来发送指令控制自动灌溉模块实现调节土壤湿度。

（4）温控模块(风扇)：风扇模块是通过控制PWM值来控制风扇转速，进而控制降温速度。主控单片机通过发送的指令来控制风扇不同的转速。

（5）ZigBee模块(CC2530)：通信模块的作用是将传感器得到的数据传输给主控单片机。在农业监测区域内根据随机分布的多种类的微型传感器利用ZigBee组网，在对网络进行全覆盖的同时，采集、计算和处理区域中监测到的对象的动态信息。由于对农业生产的监控面积十分大，想要网络覆盖足够全面，采用ZigBee组网是十分实用的。采用ZigBee获取各个模块的数据，主控单片机通过不同的局域网IP，获取不同模块的数据，将获取数据与数据库下载数据进行对比，进而实现不同逻辑之间的控制。

（6）5G模块(MH5000)：系统近程数据传输利用ZigBee组网，远程数据传输利用5G模块，再联系物联网云平台实现终端设备和数据监控中心的远程通信。同时，将Web服务器部署在第三方云平台上，通过界面设置相关自动化设备的阈值参数，进而完成补光等一系列操作。

■ 1.3 软件设计

软件系统主要完成的功能包括系统初始化、环境温度控制、土壤湿度控制、光强控制和数据传输通信。软件总体流程图如图3所示。

图3 系统软件总体流程图

当软件开始运行时，首先进行基础初始化和通信模块初始化，若初始化异常则重新开始初始化；初始化成功后，进行通信连接，链接异常则重新开始初始化。链接成功后，直接进入网络节点1或网络节点n（n为2，3，4，5……）或进入数据库读取数据，直接得出数据n或进行数据比对1或数据比对n，得出控制指令1或控制n，分别进入网络节点1或网络节点n，得到数据n或数据1，若为数据1，则再次进入数据比对的循环。

软件的初始化流程如图4所示。将程序设置为IO模式，再复位控制模块，如果控制模块复位失败则返回0，继续进行复位控制模块操作，如果复位成功，则进行IO接收，控制模块初始化成功，返回1，程序结束，如果初始化失败，则返回0，继续进行IO接收操作。

图4 初始化流程图

因为STM32内部自带ADC转换，所以在土壤湿度控制模块中，AO口接到STM32的PA0口，DO口接到STM32的PA1口，把模拟量转换为数字量，再在系统中比较输入的数字量和预设数字量的关系，从而决定是否开启或关闭抽水泵。光照模块也是同理。在温度调节方式中，将DHT11传感器的Dout引脚，连接到STM32的PA2口，使用STM32的TIM1通用定时器，对环境温度进行输入捕获，和预设的数字量进行数据比较，通过PE9引脚输出PWM波，根据比较结果决定风扇是否开启。软件流程如图5所示。

图5 控制模块流程图

2 调试结果

（1）温度控制调试：根据不同地理位置和大棚种植类型，从数据库获取该条件下温度阀值。调试时，以数据库获取的阈值为设定值，如设置阈值为30℃，在未达到阈值温度时，风扇关闭，如图6所示。在温度高于设定的30℃时，风扇开启实现降温。测试结果如图7所示。

图6 温度在设定值内

图7 温度超过设定值

（2）土壤湿度控制调试：根据不同地理位置和大棚种植类型，从数据库获取该条件下土壤湿度阀值。如设置阈值为5.1%，在未达到阈值土壤湿度时，抽水泵开启，如图8所示。在土壤湿度高于设定的5.1%时，抽水泵关闭。测试结果如图9所示。

图8 土壤湿度在阀值内

图9 土壤湿度超过阀值

（3）光强控制调试：根据不同地理位置和大棚种植类型，从数据库获取该条件下光照强度阀值，调试时，以数据库测试阈值为准，测试阀值40000，即当光照强度低于该测试阀值时，进行补光装置工作。阀值内如图10所示，此时灯并未点亮。超过阀值的情况如图11所示，此时灯点亮进行补光。

图10 光照强度在阀值内

图11 光照强度超过阀值

3 结论

本文设计了一种智能栽培系统，通过简单的操作实现了自动化栽培，更加满足现如今中国的农村现状，并且还可以运用在除栽培以外的其他行业中。还有5G技术的辅助，进一步提高了数据传输的速度与精度。有利于农业实现精细化生产以及高效出产，具有较好的应用前景。