基于FPGA 的智能農(nóng)場系統(tǒng)設(shè)計

侯潤澤，卞曉曉，原子旋，鄧文昌

（南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院 信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210000）

0 引 言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程的加速推進，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨著越來越多的挑戰(zhàn)和機遇，如何提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，成為當(dāng)前迫切需要解決的問題。與此同時，隨著信息技術(shù)和智能技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用也日益受到關(guān)注[1]。

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things, IoT）是一種新型的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，它將傳感器、智能設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有機結(jié)合，實現(xiàn)了物與物、人與物之間的智能互聯(lián)和數(shù)據(jù)交互[2]。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和信息化的深入發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸受到關(guān)注。而我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展尚處于初期探索階段，主要應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)上，存在規(guī)模小、成本高、見效差等問題[3]。本文針對物聯(lián)網(wǎng)智能農(nóng)場系統(tǒng)設(shè)計，以國產(chǎn)芯片高云的GW2A-Tang Primer 20K 型號FPGA 作為核心處理器，結(jié)合傳感器、通信模塊等硬件設(shè)備，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，設(shè)計出一套完整的智能農(nóng)場系統(tǒng)，從而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。

1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)包括門禁模塊、遮陽模塊、光照模塊、灌溉模塊、降溫模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、WiFi 模塊等。各個模塊之間的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸都是通過GW2A 進行的。當(dāng)光強過低時，光照子系統(tǒng)會啟動，打開LED 燈進行補光；當(dāng)土壤濕度過低時，灌溉子系統(tǒng)會啟動，抽水泵開始對土壤進行澆灌；當(dāng)室內(nèi)溫度過低時，降溫子系統(tǒng)會啟動，打開風(fēng)扇進行降溫。門禁和遮陽模塊則作為獨立系統(tǒng)，由管理者根據(jù)需求進行操作。整體系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)部分

2.1 主控芯片

本文系統(tǒng)采用的是國產(chǎn)芯片高云的GW2A-Tang Primer 20K 型號FPGA。GW2A 開發(fā)板具有強大的數(shù)字信號處理能力和高速的信號傳輸能力，可以及時有效地控制各類裝置以實現(xiàn)相應(yīng)的需求，使得數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，精度較高。依托其高性能的DSP 資源、高速LVDS 接口以及豐富的B-SRAM 存儲器資源，采用各類高精度傳感器，通過GW2A 對系統(tǒng)進行底層邏輯設(shè)計，從而達到預(yù)期結(jié)果，完成預(yù)想功能[4]。

2.2 WiFi 模塊

本文系統(tǒng)采用的WiFi 模塊是ESP8266 模塊。該模塊的處理器為樂鑫公司研發(fā)的專用于物聯(lián)網(wǎng)的一款芯片，其特點為成本低、功耗低、集成TCP/IP 協(xié)議棧[5]。WiFi 模塊在整個農(nóng)場系統(tǒng)中占有重要地位，智能農(nóng)場通過WiFi 網(wǎng)絡(luò)將各個子系統(tǒng)相互連接進行通信，從而實現(xiàn)遠程控制、數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控等功能。WiFi 模塊聯(lián)網(wǎng)示意圖如圖2 所示。

圖2 WiFi 模塊聯(lián)網(wǎng)示意圖

2.3 溫濕度、光敏等傳感器模塊

本文系統(tǒng)采用DHT11 溫濕度傳感器，檢測農(nóng)場內(nèi)土壤濕度，以便及時對土壤進行灌溉；GY-30 光敏傳感器用于檢測農(nóng)場內(nèi)光照強度，以便對室內(nèi)及時進行補光操作；采用高精度溫度傳感器實時監(jiān)測農(nóng)場內(nèi)溫度，以便能夠及時對家畜養(yǎng)殖區(qū)進行降溫。

2.4 顯示屏、舵機、電機等模塊

本文系統(tǒng)采用0.96 寸OLED 顯示屏，實時顯示農(nóng)場內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)；使用SG90 舵機來控制大門的開關(guān)；使用28BYJ-48 步進電機來實現(xiàn)對蔬菜區(qū)大棚的控制。

3 系統(tǒng)的軟件部分

整個農(nóng)場系統(tǒng)軟件部分由WiFi 聯(lián)網(wǎng)控制、數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)處理、外設(shè)控制等程序構(gòu)成。

WiFi 聯(lián)網(wǎng)控制作為整個系統(tǒng)的核心，將整個農(nóng)場的各個子系統(tǒng)相互連接。當(dāng)整個系統(tǒng)開始運行后，首先需要對WiFi模塊進行初始化，將其設(shè)置成AP 工作模式，啟動多連接，連接到農(nóng)場中各個子模塊；然后對各個系統(tǒng)中的傳感器所發(fā)出的數(shù)據(jù)進行接收；最后將所接收到的數(shù)據(jù)處理后傳送至移動控制端，從而達到對農(nóng)場進行實時監(jiān)管的目的[6]。WiFi 聯(lián)網(wǎng)控制的部分流程如圖3 所示。

圖3 WiFi 聯(lián)網(wǎng)控制流程

4 模擬系統(tǒng)的制作

在智能農(nóng)場的模擬系統(tǒng)搭建中，用到了人工草皮和各種微縮模型。整個智能農(nóng)場被分為室內(nèi)家畜養(yǎng)殖區(qū)、室外大棚蔬菜區(qū)和其他區(qū)域。室內(nèi)家畜養(yǎng)殖區(qū)域內(nèi)裝有LED 燈和風(fēng)扇，這些LED 燈會根據(jù)光照的強度進行工作，風(fēng)扇也會隨著室內(nèi)溫度的變化自動進行工作。室外的大棚蔬菜種植區(qū)則由5 根不銹鋼桿和1 塊黑色編織袋構(gòu)成大棚的主體，將電機與其組合，實現(xiàn)對大棚的遠程控制。蔬菜種植區(qū)的一側(cè)是儲水池，用于收集雨水，以及儲存對蔬菜進行灌溉的水源。智能農(nóng)場正面圖如圖4 所示。

圖4 智能農(nóng)場正面圖

5 系統(tǒng)的功能實現(xiàn)

各個子系統(tǒng)的工作流程如圖5 所示。

圖5 智能農(nóng)場工作流程

5.1 遠程門禁以及遮陽大棚功能

對于系統(tǒng)的遠程門禁功能，由FPGA 輸出PWM 波來驅(qū)動舵機旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度。當(dāng)有人需要進入農(nóng)場，室內(nèi)的值班人員通過按下按鈕來控制舵機打開大門。系統(tǒng)的遮陽大棚功能的原理同上，農(nóng)場管理者可以根據(jù)天氣情況，通過按下按鈕來控制電機的轉(zhuǎn)動，從而達到開關(guān)大棚的目的。

5.2 自動灌溉功能

對于系統(tǒng)的自動灌溉功能，由FPGA 驅(qū)動DHT11 溫濕度傳感器開始工作，進行數(shù)據(jù)處理之后，通過對處理后的數(shù)據(jù)進行分析來確定土壤的濕度。當(dāng)土壤中的水分含量低于某一設(shè)定的閾值后，繼電器會被驅(qū)動，從而打開水泵，實現(xiàn)對土壤進行灌溉的功能[7]。

5.3 光照功能

對于系統(tǒng)的光照功能，由FPGA 驅(qū)動光敏傳感器開始工作，接收數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)處理。當(dāng)光照強度低于某一設(shè)定的閾值后，LED 燈會自動打開進行補光操作[8]。

5.4 降溫功能

系統(tǒng)的降溫功能由 FPGA 驅(qū)動溫度傳感器進行工作，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理和分析后，如果室內(nèi)溫度達到某一設(shè)定的閾值，繼電器就會被驅(qū)動，從而打開風(fēng)扇，達到自動降溫的目的。

5.5 聯(lián)網(wǎng)功能

系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)功能由FPGA 驅(qū)動ESP8266 模塊實現(xiàn)，可通過與農(nóng)場內(nèi)的燈光、門禁、大棚、溫濕度等系統(tǒng)進行聯(lián)網(wǎng)，并與手機等客戶端進行通信，達到能夠遠程在手機上對農(nóng)場功能進行監(jiān)控和控制的目的[9]。

6 結(jié) 語

本文提出了一種基于FPGA 的物聯(lián)網(wǎng)智能農(nóng)場系統(tǒng)設(shè)計方案。該系統(tǒng)可以根據(jù)實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不同的需求和應(yīng)用場景進行功能上的拓展。通過對系統(tǒng)設(shè)計進行詳細介紹和實驗?zāi)M，可以看到該系統(tǒng)在實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測、自動控制、數(shù)據(jù)分析等方面均具有很好的效果。此外，該系統(tǒng)還結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)了設(shè)備之間的通信和數(shù)據(jù)交換，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)得以實時監(jiān)測和追蹤，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。同時，該系統(tǒng)還可以通過云計算和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的深度挖掘和分析，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化發(fā)展提供有力的支撐[10]。

總之，相信在未來的研究和實踐中，這種基于FPGA 的物聯(lián)網(wǎng)智能農(nóng)場系統(tǒng)設(shè)計將會得到推廣和廣泛應(yīng)用，并為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來更多的創(chuàng)新和發(fā)展。