基于5G通信与AVR单片机的数字化农业大棚智能控制系统设计

黄翔 江佳凌 鲍洪霖 席佳颖

摘 要：随着我国国民经济的迅速发展，人民的生活水平日益提高，对于蔬菜的需求量相对也日趋增长。如何利用信息科学技术大批量种植蔬菜，已成为当务之急。文章所设计的基于5G通信与AVR单片机的数字化农业大棚智能控制系统，通过高精度土壤温湿度传感器、光敏电阻和智能气象站，远程在线采集土壤墒情、酸碱度、光照强度、气象等信息，以此反映当前蔬菜的生长环境，并在监控站直观地显示数据变化。通过控制从站ATmega16，达到墒情（土壤的湿度情况）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。

关键词：MySQL数据库;ATmega16;农业大棚

中图分类号：TP273.5文献标识码：A文章编号：1674-1064（2021）07-044-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.07.022

2019年9月，中国移动5G+农业数字化大会召开，标志着农业信息化进入5G时代[1]。数字化农业大棚的建立，可实现种植产量最大化、种植品种多样化、种植生长可视化、种植过程科学化、种植技术多样化，从而助推乡村振兴，共建农业生态。

1 系统整体设计

基于5G通信与AVR单片机的数字化农业大棚智能控制系统整体架构包含四层，各层作用如下：

环境监测模块：远程实时监测大棚农作物的生长环境数据，如空气温湿度、光照强度、二氧化碳浓度等;远程实时监控气象，如精确气象监测、气象预报预警等。

5G监测云平台：在主站的ATmega16通过无线传感器网络与大棚内的数据信息进行实时通讯，并周期性在云端服务器记录农作物生长数据、环境参数。结合数据智能分析，可以呈现出棚内各个环境因素的走势，并能够实时识别环境异常并进行告警。

兼顾Web端和移动端的展示模块：可以直观展示棚内设备收集的数据。其数据动态支持各种使用场景，方便用户在各种使用场景下自由切换使用模式。

智能决策系统：根据设定在MySQL的数据参数，自定义监控棚内数据[2]。当数据异常时发出警告，用户依托于主站的无线收发模块，使棚内配套的控制设备工作，实现棚内环境调控，准确施肥，合理灌溉。

2 关键技术和主要技术指标

2.1 MySQL数据库设计

MySQL数据库在查询标准协议上支持大部分SQL查询标准语言，因此用户只要熟悉关键的SQL查询语言就可以对MySQL数据库进行数据修改、查看、命令、删除。由于数据库是软件系统进行数据交互的基础，因而数据库设计是系统的核心。针对大棚的需求和被监测对象的特性建立数据库表[3-4]，通过设置好索引和关联关系，对收集的数据进行合理运用。数据库表的设计有系统参数设置模块、传感器数据模块、执行器数据模块。系统参数设置模块主要包含传感器参数设置、大棚参数设置、气象站参数设置、控制参数设置。传感器数据模块主要用来保存并设置大棚的湿温度、光照强度、传感器状态和气象状况等。执行器数据模块主要用来保存并设置喷水量、施肥量、大棚开度状态等。

系统参数设置模块如表1所示。大棚参数设置如表2所示。

2.2 无线收发系统编写

该系统选用NRF905无线传输模块，采用C语言进行软件编写。通过SPI协议直接和ATmega16单片机连接，频率设置最高可达433/868/915MHz的开放ISM频，数据速率100kb/s。在初始化工作中，NRF905处于Standby模式，编写配置寄存器同时将接收地址写好。设置TRX_CE和TX_EN端口，选择接收和发送的模式。NRF905处于接收模式时会自动接收空中载波;处于发送模式时会自动添加前导码和CRC校验字，之后发送数据。当DR端口置高后，表示接收或发送完毕。

3 技术特点和优势

目前，广大农村地区采用煤油温度计的温度采集方式[5-6]，传统的大棚监控系统一般采用模拟、有线监测系统。经过多年的使用，弊端逐渐暴露，如安全性能差、维修困难、布线复杂、测控软件功能不统一、系统操作不规范等。

相比传统大棚管理系统，数字化农业大棚采用环境监测模块采集数据，提供各种后台服务的服务器和用户操作的客户端软件[7]。采集节点选用ATmega16为主控芯片，配置有温湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、光敏电阻和智能气象站以测量环境参数，微控制器读取对应环境监测模块的数据后，将这些数据通过ESP32发送至服务器。

同时，传统大棚的各传感器在使用过程中都带有固定唯一的序列号。微控制器与各传感器通讯过程（如查看通讯状态、读取数据）中，必须带有序列号。因此，微控制器的固化程序中也必须有对应的序列号。若更换了原传感器，则必须修改微控制器程序，否则数据通信将缺失此传感器数据信号。这对用户日常使用来说，是困难较大的。

本项目在软件编程和硬件设计过程中，深入了解传感器的工作机理，选用低功耗器件，引入休眠机制，减低系统功率;在云端服务器中，存储各种信息的MySQL数据库，摆脱程序对序列号唯一性的依赖，并对其进行了优化;根据实地农业大棚中的执行设备情况和被控对象的特性，笔者还设计了带回滞的开关量控制和模糊PID控制的两种控制策略。用户可通过手机或电脑实时获取大棚內部的环境，监测植物的生长状况[8-10]。如果用户需要手动干预大棚内部环境，可以通过网站控制ATmega16打开或关闭继电器，从而达到人工干预的目的。

4 系统模拟展示

本项目通过安装在棚内的温湿度传感器、光敏电阻和棚外的智能气象站，将环境数据传递给从站（监控站）的ATmega16，通过NRF905无线传输模块传递给主站（控制站）ATmega16。主站将接收来的数据通过ESP32与云端服务器通讯，对比数据有无异常并进行警告，同时周期性记录各盆农作物的环境数据。当环境数据异常时，用户在web端和移动端接收通知，控制主站的ATmega16发出信号，通过NRF905无线传输模块将控制信号批量或特定地传递给从站ATmega16，进而驱动电机工作，使卷帘、通风、加湿、加热等功能按需求开启，并将数据反馈给从站ATmega16。

5 系统运用

在互联网时代，农业管理方式也要除旧布新，结合智慧大棚的多项传感器，通过优质的网络传输，实现温湿度、光照强度等土壤和环境参数的实时监控与数据采集及分析，同时通过远程实时控制温室与大棚内的各类设备，实现对灌溉、温湿控作业的智能化管控与作物信息的可追溯管理，使农业管理更加轻松。

结合农业物联网采集农业、畜牧业上传的相关数据，通过网络，依托大数据分析处理技术，从而实现数据分析、趋势预判与数据可视化，并提供对应的解决方案，以更加精准、科学的管理方式，提高产量、防控病害，同时优化农业生产全链条资源的科学合理配置，提升生产精细化、集约化程度。有了数字化农业大棚，农业生产管理将更加智能化、精准化、高效化、快捷化，在节省人力的同时提高了农作物的产量和质量。

参考文献

[1] 王永刚.浅议单片机硬件设计和软件设计的相互关系[J].赤峰学院学报（自然科学版），2008（8）：8-9.

[2] 吴舟.基于移动互联网的农业大棚智能监控系统的设计与实现[D].北京：北京邮电大学，2013.

[3] 张晓龙.基于ZigBee的农业温室大棚监控系统的设计与实现[D].北京：北京邮电大学，2011.

[4] 王浩臣，秦国庆，吕植越，等.基于单片机的农业大棚智能监控网络系统设计[J].无线互联科技，2020，17（5）：49-51.

[5] 王国邦，郑钊，陈志斌，等.基于无线传输的大棚监测系统[J].广东蚕业，2019，53（8）：41-42，44.

[6] 曲鸣飞，赵丹.基于控制器的单片机农业大棚温度监测系统设计[J].新农业，2019（14）：27.

[7] 周习谦.基于嵌入式的农业大棚检测系统[D].武汉：武汉轻工大学，2019.

[8] 翟宇.智能农业大棚测控系统的研究和设计[D].济南：山东大学，2019.

[9] 高蓟伟.基于微信平台的农业大棚管理系统[D].北京：中国地质大学（北京），2018.

[10] 陈建美.基于WebGIS和物联网的农业大棚监控系统研究[D].武汉：长江大学，2018.