物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)

張潔

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)選取具有典型意義的智慧農(nóng)業(yè)設(shè)備為基礎(chǔ)，結(jié)合可靈活部署的移動(dòng)實(shí)訓(xùn)臺(tái)。通過(guò)網(wǎng)關(guān)、安卓工控平板和物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)之間不同的搭配、組合，為學(xué)生提供云平臺(tái)接入、網(wǎng)關(guān)直連、平板直連，PC直連四種不同的數(shù)據(jù)采集、流轉(zhuǎn)、處理模式。本實(shí)訓(xùn)平臺(tái)很好地幫助了學(xué)生從物聯(lián)網(wǎng)理論學(xué)習(xí)過(guò)渡到實(shí)際動(dòng)手操作，培養(yǎng)學(xué)生在物聯(lián)網(wǎng)綜合應(yīng)用方面的動(dòng)手實(shí)踐能力，軟件編程以及項(xiàng)目設(shè)計(jì)能力，為后續(xù)的行業(yè)實(shí)訓(xùn)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智慧農(nóng)業(yè)；實(shí)訓(xùn)平臺(tái)；行業(yè)實(shí)訓(xùn)

中圖分類號(hào)：TP39；TN915.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）06-0-03

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)是我國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》[1]圈定了10大領(lǐng)域重點(diǎn)示范工程，智能農(nóng)業(yè)便是其中之一。據(jù)工信部統(tǒng)計(jì)，智能農(nóng)業(yè)在其領(lǐng)域五年內(nèi)需要的人才約為1 000萬(wàn)。從產(chǎn)業(yè)需求看，物聯(lián)網(wǎng)人才[2]總體可分為研究型人才和工程應(yīng)用型人才兩類。

研究型人才主要為研究生層次或研究型高校所培養(yǎng)的畢業(yè)生，是各類“研究型企業(yè)”或“高新企業(yè)”的研發(fā)部、研究院所急需的人才。在高等院校和科研院所物聯(lián)網(wǎng)研究型人才培養(yǎng)方面，偏重于研究型和創(chuàng)新型，具有跨學(xué)科復(fù)合型特點(diǎn)。工程應(yīng)用型人才主要為各類高職學(xué)?；蛐畔㈩惐究茖W(xué)院畢業(yè)生，以從事物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目實(shí)施等為主，以系統(tǒng)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品開發(fā)、工程項(xiàng)目策劃與實(shí)施為主的企業(yè)，更應(yīng)注重工程應(yīng)用技術(shù)能力的培養(yǎng)，加強(qiáng)工程實(shí)踐的實(shí)際訓(xùn)練，突出技術(shù)應(yīng)用能力、培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

隨著近幾年大量物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)完成，開始轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的實(shí)施與維護(hù)過(guò)程，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用型人才的占比已趕上甚至超過(guò)了研發(fā)型人才需求。巨大的市場(chǎng)潛力，廣闊的行業(yè)發(fā)展前景，急待提高的人員素質(zhì)，為職業(yè)學(xué)校辦好此朝陽(yáng)專業(yè)建立信心和決心。很多高職院校抓住此良好環(huán)境和契機(jī)，建設(shè)好該新興專業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)室應(yīng)用平臺(tái)是保障此專業(yè)能較好完成教學(xué)效果的前提和必要條件。

1 物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)實(shí)訓(xùn)室平臺(tái)的需求分析

1.1 實(shí)訓(xùn)室建設(shè)意義

從教學(xué)方面來(lái)說(shuō)，應(yīng)培養(yǎng)從事物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)分析與系統(tǒng)開發(fā)的高技能人才。培養(yǎng)合理的知識(shí)結(jié)構(gòu)，具備扎實(shí)的物聯(lián)網(wǎng)理論與實(shí)踐知識(shí)，并具備在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域跟蹤新知識(shí)、新技術(shù)的能力及較強(qiáng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用能力。通過(guò)理論課程的教學(xué)并結(jié)合實(shí)訓(xùn)室的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生、學(xué)員親自動(dòng)手，接觸各種實(shí)訓(xùn)室設(shè)備。最終實(shí)現(xiàn)能讓學(xué)生獨(dú)立構(gòu)架各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的目的。通過(guò)理論與實(shí)踐相結(jié)合，感知體驗(yàn)與動(dòng)手結(jié)合、方案設(shè)計(jì)與實(shí)際驗(yàn)證結(jié)合來(lái)提高動(dòng)手能力，積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步提高學(xué)生水平。

從科研方面[3]來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)浪潮，是一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域，包含RFID射頻技術(shù)、有線傳感技術(shù)、無(wú)線傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)交換與網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)、終端管理等關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)訓(xùn)室物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通過(guò)射頻識(shí)別等設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理，通過(guò)建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)室為教師提供物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究的科研平臺(tái)，通過(guò)實(shí)訓(xùn)室設(shè)備促進(jìn)教師與科研人員進(jìn)行更好的科研研究。

1.2 實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)特點(diǎn)

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)室設(shè)計(jì)以技術(shù)全面化、業(yè)務(wù)典型化、應(yīng)用教學(xué)化三個(gè)方面為指導(dǎo)思想進(jìn)行建設(shè)。

1.2.1 技術(shù)全面化

主要解決技術(shù)知識(shí)層面的問(wèn)題，實(shí)訓(xùn)室引入物聯(lián)網(wǎng)龍頭企業(yè)工業(yè)化產(chǎn)品體系，融合產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)模式吻合教學(xué)實(shí)訓(xùn)體系。實(shí)訓(xùn)室不僅可以全面支持物聯(lián)網(wǎng)培訓(xùn)認(rèn)證所要求掌握的技術(shù)，還全面涵蓋了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的基礎(chǔ)課和專業(yè)課[4]，如物聯(lián)網(wǎng)概論、信號(hào)與系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)代通信網(wǎng)、傳感器原理、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、無(wú)線通信原理、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、近距無(wú)線傳輸技術(shù)、二維條碼技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與處理、物聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)等均可在此完成并創(chuàng)新拓展。

1.2.2 業(yè)務(wù)典型化

主要解決應(yīng)用和就業(yè)層面的問(wèn)題。眾多教育集團(tuán)公司將多年成功的商業(yè)模式及成熟的行業(yè)應(yīng)用如車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、智能家居、智慧農(nóng)業(yè)等轉(zhuǎn)化為典型的業(yè)務(wù)場(chǎng)景以用于支撐物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)，使學(xué)生在實(shí)訓(xùn)的同時(shí)了解、融入真實(shí)的行業(yè)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

1.2.3 應(yīng)用教學(xué)化

應(yīng)用數(shù)字化的主要目的在于解決培養(yǎng)和定位問(wèn)題，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)、行業(yè)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)箱、實(shí)訓(xùn)墻、行業(yè)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景等多種形態(tài)、多種應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體驗(yàn)中心實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的結(jié)合，感知體驗(yàn)與動(dòng)手的結(jié)合、方案設(shè)計(jì)與實(shí)際驗(yàn)證的結(jié)合。

1.3 實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)目標(biāo)

通過(guò)建立實(shí)訓(xùn)室，建設(shè)一個(gè)教、學(xué)、研、培訓(xùn)認(rèn)證統(tǒng)一的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，集教學(xué)、實(shí)訓(xùn)、培訓(xùn)認(rèn)證功能于一體，圍繞物聯(lián)網(wǎng)主題，同時(shí)兼顧當(dāng)前IT流行技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，注重各種技術(shù)之間的融合與靈活應(yīng)用，既可滿足日常教學(xué)要求，又注重項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)及創(chuàng)新試驗(yàn)，各設(shè)備之間還可以靈活組合。學(xué)員不僅可通過(guò)實(shí)訓(xùn)室里的相關(guān)設(shè)備掌握物聯(lián)培訓(xùn)認(rèn)證所要求的所有技術(shù)，還可以基于各種模塊，按照自身需求進(jìn)行獨(dú)特設(shè)計(jì)，融合各種技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新試驗(yàn)及項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)。建設(shè)一個(gè)完整的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)室，進(jìn)行各種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能視頻技術(shù)等教學(xué)實(shí)驗(yàn)，模擬典型智慧校園、智能追溯等實(shí)際應(yīng)用。通過(guò)實(shí)訓(xùn)培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)方面的高技能技術(shù)人才。學(xué)生、學(xué)員可就業(yè)于與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的企業(yè)，從事與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的工作。

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)，應(yīng)在物聯(lián)網(wǎng)的識(shí)別、感知、通訊傳輸、組網(wǎng)技術(shù)以及數(shù)據(jù)分析方面，衍生至物聯(lián)網(wǎng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，以專業(yè)建設(shè)、人才培養(yǎng)、物聯(lián)網(wǎng)核心課程教學(xué)、提高學(xué)生實(shí)訓(xùn)水平為目標(biāo)，建立一個(gè)完整的、基礎(chǔ)的實(shí)訓(xùn)架構(gòu)體系。實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)需滿足以下基本要求：

（1）滿足農(nóng)業(yè)院校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的人才培養(yǎng)規(guī)范和教學(xué)基本要求；

（2）能夠支撐學(xué)校相關(guān)專業(yè)課程教學(xué)；

（3）能夠支撐學(xué)校物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)實(shí)訓(xùn)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)各知識(shí)點(diǎn)的實(shí)訓(xùn)；endprint

（4）能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)綜合創(chuàng)新的實(shí)訓(xùn)，如智慧城市、智能家居等。

2 智慧農(nóng)業(yè)實(shí)訓(xùn)室應(yīng)用平臺(tái)

典型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)平臺(tái)[5]（智慧農(nóng)業(yè)套件）以選取具有典型意義的物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)設(shè)備為基礎(chǔ)，結(jié)合可靈活部署的移動(dòng)實(shí)訓(xùn)臺(tái)。學(xué)生可通過(guò)應(yīng)用平臺(tái)實(shí)訓(xùn)產(chǎn)品的訓(xùn)練進(jìn)一步了解各種農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)典型應(yīng)用，進(jìn)行模擬訓(xùn)練；從實(shí)訓(xùn)產(chǎn)品中學(xué)習(xí)傳感器、WSN及嵌入式知識(shí)。通過(guò)豐富多彩的智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)案例及體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的想象力，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，并提供多樣化的集知識(shí)性和趣味性于一體的超強(qiáng)用戶體驗(yàn)。讓學(xué)生可以在實(shí)訓(xùn)室中看到農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的現(xiàn)狀，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手設(shè)計(jì)能力，幫助他們成為具有特色能力的專業(yè)技術(shù)人才。

2.1 實(shí)訓(xùn)室平面圖

物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)實(shí)訓(xùn)室平面設(shè)計(jì)圖如圖1所示。具體位置可按實(shí)地重新規(guī)劃，根據(jù)教室實(shí)地情況，使用20+1套典型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)平臺(tái)進(jìn)行教學(xué)，可以滿足對(duì)20～40學(xué)生進(jìn)行教學(xué)。此外，結(jié)合農(nóng)業(yè)院校特色，新建一個(gè)農(nóng)產(chǎn)品溫室大棚，充分體現(xiàn)了智慧農(nóng)業(yè)套件由淺入深，由理論到實(shí)踐的循序漸進(jìn)過(guò)程，豐富實(shí)訓(xùn)課程設(shè)計(jì)，并將其應(yīng)用于實(shí)踐生活中。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)屬于移動(dòng)實(shí)訓(xùn)系列產(chǎn)品，主要由物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、工控平板、數(shù)/模采集器等11個(gè)物聯(lián)網(wǎng)典型部件構(gòu)成。其中移動(dòng)實(shí)訓(xùn)臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、安卓工控平板是核心部件，采集器使用四輸入模擬采集器和數(shù)字量采集器，有繼電器I和繼電器II，傳感器包括光照傳感器、溫濕度傳感器、人體紅外開關(guān)，通過(guò)風(fēng)扇I和風(fēng)扇II完成。

2.3 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)流程

智慧農(nóng)業(yè)套件實(shí)訓(xùn)平臺(tái)通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接到公共網(wǎng)云平臺(tái)，構(gòu)成了基于感知層基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。具體數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)流程[6]如下所示：

（1）通過(guò)四模輸入量采集器采集光照、溫濕度傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)ADAM-4150采集人體紅外傳感器數(shù)據(jù)；

（2）模擬輸入量采集器通過(guò)ZigBee傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)傳到網(wǎng)關(guān)，ADAM-4150通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳至網(wǎng)關(guān)；

（3）網(wǎng)關(guān)通過(guò)TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺(tái)或者工控平板進(jìn)行數(shù)據(jù)邏輯處理；

（4）云平臺(tái)或工控平板形成控制指令，并通過(guò)TCP/IP協(xié)議傳給網(wǎng)關(guān)；

（5）網(wǎng)關(guān)通過(guò)串口將指令傳給ADAM-4150；

（6）ADAM-4150給繼電器輸出指令，控制風(fēng)扇的開閉。

3 核心部件功能介紹

3.1 網(wǎng)關(guān)功能介紹

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為系統(tǒng)設(shè)備域的重要部件[7]，集成物聯(lián)網(wǎng)核心采集器、控制器，通過(guò)ZigBee協(xié)議、Modbus協(xié)議等采集、解析數(shù)據(jù)，具有透?jìng)?、控制命令下發(fā)等功能，可將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示于網(wǎng)關(guān)顯示屏。網(wǎng)管功能截圖如圖2所示。具有采集光照傳感器、溫濕度傳感器、人體紅外傳感器數(shù)據(jù)的功能并進(jìn)行顯示，還可手動(dòng)下發(fā)指令，打開風(fēng)扇，將采集的數(shù)據(jù)傳輸給工控平板或云平臺(tái)，同時(shí)工控平板或云平臺(tái)通過(guò)網(wǎng)關(guān)可下達(dá)對(duì)繼電器的開關(guān)指令?；谶@些功能，農(nóng)業(yè)套件平臺(tái)網(wǎng)關(guān)具有以下特點(diǎn)：

（1）LCD顯示功能，可同時(shí)顯示6路傳感器數(shù)據(jù)；

（2）本地聲光報(bào)警功能，具備超溫、斷電報(bào)警功能；

（3）通過(guò)WiFi/GPRS/以太網(wǎng)傳輸可將溫濕度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至后臺(tái)；

（4）內(nèi)置后備電池，斷電后可繼續(xù)工作2小時(shí)；

（5）支持?jǐn)嗑€儲(chǔ)存功能，最大支持5 000條記錄。

3.2 工控平板功能介紹

工控平板是智慧農(nóng)業(yè)套件的數(shù)據(jù)處理核心，通過(guò)對(duì)網(wǎng)關(guān)傳輸數(shù)據(jù)的邏輯處理，可自動(dòng)下發(fā)控制指令。對(duì)光照傳感器、溫濕度傳感器、人體紅外傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯處理，自動(dòng)生成控制指令；對(duì)光照傳感器、溫濕度傳感器、人體紅外傳感器的數(shù)據(jù)案例進(jìn)行開發(fā)并展示；對(duì)網(wǎng)關(guān)下達(dá)繼電器開關(guān)指令，或通過(guò)串口對(duì)ADAM-4150下達(dá)控制指令?；谶@些功能，工控平板具有以下特點(diǎn)：

（1）支持通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接和通過(guò)串口與采集器直接連接兩種數(shù)據(jù)采集方式；

（2）顯示內(nèi)容豐富，界面友好；

（3）多通道數(shù)據(jù)傳輸，支持WiFi、串口、RJ45等多種數(shù)據(jù)傳輸方式；

（4）可旋轉(zhuǎn)支架。

3.3 云平臺(tái)功能介紹

物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)[8]以云計(jì)算架構(gòu)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的云平臺(tái)管理，包含用戶管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、邏輯處理，設(shè)備管理、配置，資源管理、配置等功能，如圖3所示。支持多個(gè)網(wǎng)關(guān)、傳感器、執(zhí)行器等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備動(dòng)態(tài)接入和管理；對(duì)光照傳感器、溫濕度傳感器、人體紅外傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；可遠(yuǎn)程手動(dòng)或自動(dòng)下達(dá)控制指令；BS架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理、監(jiān)控；提供了豐富靈活的API接口，可通過(guò)API接口獲取數(shù)據(jù)，組建具有邏輯功能的各種應(yīng)用場(chǎng)景。

4 結(jié) 語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)以移動(dòng)型實(shí)訓(xùn)臺(tái)為硬件支撐平臺(tái)，所有部件可靈活調(diào)配，緊跟教學(xué)進(jìn)度，可按需組合，平臺(tái)系統(tǒng)安裝部署靈活，方便教學(xué)，支持四種數(shù)據(jù)傳輸模式，學(xué)生可自由組合，了解學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑?，掌握?shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞胶椭R(shí)。平臺(tái)的農(nóng)業(yè)套件主要包括ZigBee無(wú)線組網(wǎng)相關(guān)的傳感器、繼電器等多種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，通過(guò)配套的智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)及理論課程教學(xué)，讓學(xué)生動(dòng)手進(jìn)行安裝調(diào)試，接觸物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在短距離傳輸領(lǐng)域的真實(shí)使用，最終實(shí)現(xiàn)感知體驗(yàn)與動(dòng)手相結(jié)合、方案設(shè)計(jì)與實(shí)際驗(yàn)證相結(jié)合的目的，提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

參考文獻(xiàn)

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