摘 要：針對(duì)蔬菜種植大棚內(nèi)部環(huán)境參數(shù)不易監(jiān)控、人工調(diào)整難度大等問題，利用5G無線網(wǎng)絡(luò)和ZigBee通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一套智慧大棚環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)部環(huán)境的自動(dòng)化控制。系統(tǒng)利用ZigBee通信技術(shù)將傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC控制器進(jìn)行分析處理，再通過5G高速網(wǎng)絡(luò)將分析結(jié)果呈現(xiàn)給用戶，實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚內(nèi)部環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測。同時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)邏輯程序發(fā)出控制指令對(duì)大棚內(nèi)部設(shè)備進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)濕度、濕度等環(huán)境變量的自動(dòng)調(diào)節(jié)。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案合理，測控精度高，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)節(jié)，有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：5G無線網(wǎng)絡(luò)；ZigBee技術(shù)；智慧農(nóng)業(yè)；蔬菜大棚；環(huán)境監(jiān)測；物聯(lián)網(wǎng)；STM32單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）10-00-04

0 引 言

近年來，物聯(lián)網(wǎng)、5G等技術(shù)快速發(fā)展并被廣泛應(yīng)用，將其與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有效融合，可為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)提供有力支撐，極大地推動(dòng)農(nóng)業(yè)發(fā)展[1-2]。智慧農(nóng)業(yè)的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，可以通過對(duì)相關(guān)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的采集和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)干預(yù)和調(diào)整種植方式，估算作物產(chǎn)量以及實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)等，大幅提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和效益[3-4]?？梢?，智慧農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢，如何優(yōu)化農(nóng)業(yè)技術(shù)手段，研制更為高效的控制系統(tǒng)是研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。

針對(duì)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(jié)合5G無線網(wǎng)絡(luò)及ZigBee通信技術(shù)設(shè)計(jì)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(jī)為控制核心，通過5G網(wǎng)絡(luò)和ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與通信，實(shí)時(shí)監(jiān)控大棚中的環(huán)境變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通風(fēng)、灌溉等設(shè)施的自動(dòng)控制，以及大棚內(nèi)溫度和濕度等參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。用戶則可通過計(jì)算機(jī)或手機(jī)APP等及時(shí)了解大棚內(nèi)部的情況，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果及系統(tǒng)提示的預(yù)警信息進(jìn)行有效決策，提高種植與管理的科學(xué)性和有效性，為農(nóng)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(gòu)架

本文所設(shè)計(jì)的智能監(jiān)控系統(tǒng)主要由STM32單片機(jī)核心控制器、ZigBee網(wǎng)絡(luò)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(jī)交互、提示告警以及自動(dòng)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(nèi)農(nóng)作物生長環(huán)境的溫濕度、光照強(qiáng)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(jìn)行分析處理，與預(yù)設(shè)的條件參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，并依據(jù)程序的邏輯關(guān)系發(fā)出控制指令，控制噴水、通風(fēng)、照明等設(shè)備的開啟和關(guān)閉；ZigBee通信模塊將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳送到控制器平臺(tái)，負(fù)責(zé)接收和傳輸傳感網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[5]；5G無線高速網(wǎng)絡(luò)則負(fù)責(zé)將控制器中的數(shù)據(jù)上傳到人機(jī)交互平臺(tái)，用戶可以通過電腦或手持終端實(shí)時(shí)查看大棚內(nèi)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(yù)警，提醒用戶做出調(diào)整。本系統(tǒng)具有重量輕、功耗低、成本低以及可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

1.1 主要硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 STM32單片機(jī)

STM32單片機(jī)具有高速低耗、可靠性高的特點(diǎn)，且擁有十分豐富的外設(shè)接口以及內(nèi)部存儲(chǔ)器，能夠?qū)崿F(xiàn)多輸入多輸出的系統(tǒng)功能，適用于廣泛的應(yīng)用場景[6-7]。STM32單片機(jī)是數(shù)據(jù)處理的核心，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與傳感器及用戶端平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)傳輸和通信，將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，按照設(shè)定的參數(shù)發(fā)出指令對(duì)輸出設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制，并將信息實(shí)時(shí)反饋給用戶，實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制。因此，根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，選用STM32單片機(jī)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(shè)計(jì)

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

1.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(luò)，通過ZigBee協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的建立、參數(shù)配置以及節(jié)點(diǎn)管理等功能。然后，完成系統(tǒng)參數(shù)初始化，設(shè)置相應(yīng)溫度、相對(duì)濕度等環(huán)境指標(biāo)的閾值；控制器通過ZigBee接收從傳感器采集的光照、溫度、相對(duì)濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)后，對(duì)其進(jìn)行分析處理，并將結(jié)果與設(shè)定的閾值對(duì)比，發(fā)出相應(yīng)的控制指令，控制設(shè)備開啟和關(guān)閉；處理后的結(jié)果通過5G無線網(wǎng)絡(luò)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(yùn)行，當(dāng)檢測土壤相對(duì)濕度達(dá)到設(shè)定閾值后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)開啟水泵灌溉，灌溉時(shí)間則由具體濕度值決定；當(dāng)檢測光照強(qiáng)度不足時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開補(bǔ)光燈，增加光照強(qiáng)度，以滿足農(nóng)作物生長需要。可見，系統(tǒng)的主要功能是實(shí)時(shí)采集大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，并根據(jù)參數(shù)變化進(jìn)行設(shè)備的自動(dòng)控制，以實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測與自我調(diào)控。

2 系統(tǒng)測試

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，利用該系統(tǒng)在某農(nóng)業(yè)種植大棚進(jìn)行采樣，開展實(shí)地測試[9-10]。本次測試只是研究監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)空氣溫濕度和土壤濕度的采樣精度，因此缺少對(duì)設(shè)備的控制部分。大棚的尺寸為50 m×30 m，將大棚內(nèi)部分為4個(gè)面積相近的測試區(qū)域，每個(gè)區(qū)域各有1個(gè)空氣溫度傳感器、空氣相對(duì)濕度傳感器以及土壤相對(duì)濕度傳感器。測試時(shí)間為日間8：00—15：00，每隔60 min采集1次數(shù)據(jù)。同時(shí)，在相同時(shí)間采用人工測量的方式在同一區(qū)域?qū)嵉販y量，分別取平均值進(jìn)行測量結(jié)果對(duì)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(jié)果和人工測量結(jié)果進(jìn)行圖形化對(duì)比，如圖5～圖7所示。

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

3 結(jié) 語

利用5G無線網(wǎng)絡(luò)和ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)了一種針對(duì)智慧農(nóng)業(yè)大棚的環(huán)境測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測大棚中的環(huán)境數(shù)據(jù)，并能自動(dòng)對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境變量的自動(dòng)調(diào)節(jié)，具體結(jié)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(shè)計(jì)方案，并分別對(duì)硬件結(jié)構(gòu)和軟件功能進(jìn)行了具體分析；

（2）為驗(yàn)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(duì)濕度以及土壤相對(duì)濕度為指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)測試，并與人工測試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；

（3）研究結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠有效監(jiān)測農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的環(huán)境，精度高、可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)，能夠滿足智慧大棚對(duì)系統(tǒng)的要求，有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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