基于FPGA 的智能农场系统设计

侯润泽，卞晓晓，原子旋，邓文昌

（南京航空航天大学金城学院 信息工程学院，江苏 南京 210000）

0 引 言

随着经济的快速发展和城市化进程的加速推进，农业生产面临着越来越多的挑战和机遇，如何提高农业生产的效率和质量，成为当前迫切需要解决的问题。与此同时，随着信息技术和智能技术的不断发展和应用，物联网技术在智慧农业中的应用也日益受到关注[1]。

物联网（Internet of Things, IoT）是一种新型的互联网技术，它将传感器、智能设备和互联网技术有机结合，实现了物与物、人与物之间的智能互联和数据交互[2]。随着农业现代化和信息化的深入发展，物联网技术在智能农业领域的应用逐渐受到关注。而我国农业物联网技术的发展尚处于初期探索阶段，主要应用于设施农业上，存在规模小、成本高、见效差等问题[3]。本文针对物联网智能农场系统设计，以国产芯片高云的GW2A-Tang Primer 20K 型号FPGA 作为核心处理器，结合传感器、通信模块等硬件设备，将物联网技术应用于农业生产的各个环节，设计出一套完整的智能农场系统，从而提高农业生产的效率和质量。

1 系统的整体结构设计

系统包括门禁模块、遮阳模块、光照模块、灌溉模块、降温模块、数据显示模块、WiFi 模块等。各个模块之间的数据处理和数据传输都是通过GW2A 进行的。当光强过低时，光照子系统会启动，打开LED 灯进行补光；当土壤湿度过低时，灌溉子系统会启动，抽水泵开始对土壤进行浇灌；当室内温度过低时，降温子系统会启动，打开风扇进行降温。门禁和遮阳模块则作为独立系统，由管理者根据需求进行操作。整体系统如图1 所示。

图1 系统整体结构

2 系统的硬件结构部分

2.1 主控芯片

本文系统采用的是国产芯片高云的GW2A-Tang Primer 20K 型号FPGA。GW2A 开发板具有强大的数字信号处理能力和高速的信号传输能力，可以及时有效地控制各类装置以实现相应的需求，使得数据传输稳定，精度较高。依托其高性能的DSP 资源、高速LVDS 接口以及丰富的B-SRAM 存储器资源，采用各类高精度传感器，通过GW2A 对系统进行底层逻辑设计，从而达到预期结果，完成预想功能[4]。

2.2 WiFi 模块

本文系统采用的WiFi 模块是ESP8266 模块。该模块的处理器为乐鑫公司研发的专用于物联网的一款芯片，其特点为成本低、功耗低、集成TCP/IP 协议栈[5]。WiFi 模块在整个农场系统中占有重要地位，智能农场通过WiFi 网络将各个子系统相互连接进行通信，从而实现远程控制、数据采集和监控等功能。WiFi 模块联网示意图如图2 所示。

图2 WiFi 模块联网示意图

2.3 温湿度、光敏等传感器模块

本文系统采用DHT11 温湿度传感器，检测农场内土壤湿度，以便及时对土壤进行灌溉；GY-30 光敏传感器用于检测农场内光照强度，以便对室内及时进行补光操作；采用高精度温度传感器实时监测农场内温度，以便能够及时对家畜养殖区进行降温。

2.4 显示屏、舵机、电机等模块

本文系统采用0.96 寸OLED 显示屏，实时显示农场内温湿度数据；使用SG90 舵机来控制大门的开关；使用28BYJ-48 步进电机来实现对蔬菜区大棚的控制。

3 系统的软件部分

整个农场系统软件部分由WiFi 联网控制、数据读取、数据处理、外设控制等程序构成。

WiFi 联网控制作为整个系统的核心，将整个农场的各个子系统相互连接。当整个系统开始运行后，首先需要对WiFi模块进行初始化，将其设置成AP 工作模式，启动多连接，连接到农场中各个子模块；然后对各个系统中的传感器所发出的数据进行接收；最后将所接收到的数据处理后传送至移动控制端，从而达到对农场进行实时监管的目的[6]。WiFi 联网控制的部分流程如图3 所示。

图3 WiFi 联网控制流程

4 模拟系统的制作

在智能农场的模拟系统搭建中，用到了人工草皮和各种微缩模型。整个智能农场被分为室内家畜养殖区、室外大棚蔬菜区和其他区域。室内家畜养殖区域内装有LED 灯和风扇，这些LED 灯会根据光照的强度进行工作，风扇也会随着室内温度的变化自动进行工作。室外的大棚蔬菜种植区则由5 根不锈钢杆和1 块黑色编织袋构成大棚的主体，将电机与其组合，实现对大棚的远程控制。蔬菜种植区的一侧是储水池，用于收集雨水，以及储存对蔬菜进行灌溉的水源。智能农场正面图如图4 所示。

图4 智能农场正面图

5 系统的功能实现

各个子系统的工作流程如图5 所示。

图5 智能农场工作流程

5.1 远程门禁以及遮阳大棚功能

对于系统的远程门禁功能，由FPGA 输出PWM 波来驱动舵机旋转相应的角度。当有人需要进入农场，室内的值班人员通过按下按钮来控制舵机打开大门。系统的遮阳大棚功能的原理同上，农场管理者可以根据天气情况，通过按下按钮来控制电机的转动，从而达到开关大棚的目的。

5.2 自动灌溉功能

对于系统的自动灌溉功能，由FPGA 驱动DHT11 温湿度传感器开始工作，进行数据处理之后，通过对处理后的数据进行分析来确定土壤的湿度。当土壤中的水分含量低于某一设定的阈值后，继电器会被驱动，从而打开水泵，实现对土壤进行灌溉的功能[7]。

5.3 光照功能

对于系统的光照功能，由FPGA 驱动光敏传感器开始工作，接收数据并进行数据处理。当光照强度低于某一设定的阈值后，LED 灯会自动打开进行补光操作[8]。

5.4 降温功能

系统的降温功能由 FPGA 驱动温度传感器进行工作，数据经过处理和分析后，如果室内温度达到某一设定的阈值，继电器就会被驱动，从而打开风扇，达到自动降温的目的。

5.5 联网功能

系统的联网功能由FPGA 驱动ESP8266 模块实现，可通过与农场内的灯光、门禁、大棚、温湿度等系统进行联网，并与手机等客户端进行通信，达到能够远程在手机上对农场功能进行监控和控制的目的[9]。

6 结 语

本文提出了一种基于FPGA 的物联网智能农场系统设计方案。该系统可以根据实际农业生产中不同的需求和应用场景进行功能上的拓展。通过对系统设计进行详细介绍和实验模拟，可以看到该系统在实现农业生产监测、自动控制、数据分析等方面均具有很好的效果。此外，该系统还结合了物联网技术，实现了设备之间的通信和数据交换，使得农业生产的各个环节得以实时监测和追踪，从而提高生产效率和产品质量。同时，该系统还可以通过云计算和大数据分析等技术，实现对农业生产数据的深度挖掘和分析，为农业生产的智能化发展提供有力的支撑[10]。

总之，相信在未来的研究和实践中，这种基于FPGA 的物联网智能农场系统设计将会得到推广和广泛应用，并为农业生产带来更多的创新和发展。