農(nóng)業(yè)類(lèi)高職院校物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)訓(xùn)應(yīng)用平臺(tái)

張潔

摘 要： 物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用實(shí)訓(xùn)平臺(tái)適用于物聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)、電子、網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)。介紹了平臺(tái)的特點(diǎn)和功能，平臺(tái)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的識(shí)別、感知、通訊傳輸、組網(wǎng)以及數(shù)據(jù)分析的架構(gòu)體系開(kāi)發(fā)，包含了由實(shí)訓(xùn)工位、行業(yè)應(yīng)用套件及平臺(tái)資源包三部分組成的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。智慧農(nóng)業(yè)套件是適合農(nóng)業(yè)類(lèi)院校的教學(xué)與實(shí)訓(xùn)的擴(kuò)展需求而加載的，室外溫室大棚就是利用物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，有效實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的智能控制。

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393.18 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2017）08-94-03

Abstract： The application practical training platform of Internet of things is suitable for the practical teaching of the Internet of things， computers， electronics， networks and other related specialties. This paper introduces the characteristics and functions of the platform， the platform is developed according to the IoT architectures of recognition， perception， communication， networking and data analysis， and it contains the practical training system composed of three parts： the training station， industry application kit and platform resource package. The wisdom agriculture kit is suitable for the expended requirements of agricultural colleges and universities teaching and training， it is the outdoor greenhouse that makes use of the practical training platform of Internet of things to effectively realize the intelligent control of crops.

Key words： IoT engineering； practical training platform； wisdom agriculture； intelligent control

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)[1]是通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的傳送與交互，采用智能計(jì)算技術(shù)對(duì)信息進(jìn)行分析處理，從而提高對(duì)物質(zhì)世界的感知能力，實(shí)現(xiàn)智能化的決策和控制。從目前物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[2]來(lái)看，社會(huì)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)的人才需求量十分巨大，供不應(yīng)求，主要是高職院?；螂娮有畔㈩?lèi)本科院校的畢業(yè)生，從事物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目實(shí)施等，包括RFID系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)、嵌入式軟件開(kāi)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)安裝調(diào)試、物聯(lián)網(wǎng)硬件開(kāi)發(fā)、傳感技術(shù)開(kāi)發(fā)、市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)、售前售后技術(shù)支持等工作。在這種極好的行業(yè)發(fā)展前景驅(qū)使下，許多高職院校紛紛開(kāi)設(shè)物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)訓(xùn)應(yīng)用平臺(tái)正是辦好此專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)硬件條件。

1 物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)訓(xùn)室介紹

物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)[3]，主要是針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)綜合技能型人才培養(yǎng)，基于對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的認(rèn)知、感知、通信、組網(wǎng)，以及數(shù)據(jù)分析的逐層架構(gòu)體系而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的，用于物聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)訓(xùn)教學(xué)產(chǎn)品。

這個(gè)系統(tǒng)由實(shí)訓(xùn)工位、行業(yè)應(yīng)用套件及平臺(tái)資源包三部分組成。這些產(chǎn)品還配套了全面的實(shí)訓(xùn)教程和技術(shù)資源，重點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生在物聯(lián)網(wǎng)工程系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、運(yùn)行和維護(hù)等方面的動(dòng)手實(shí)操能力，使學(xué)生能更系統(tǒng)化、全面的與物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的崗位對(duì)接。

1.1 物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)訓(xùn)平臺(tái)特點(diǎn)

⑴ 教學(xué)特點(diǎn)

根據(jù)農(nóng)業(yè)類(lèi)高職物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，在實(shí)訓(xùn)教學(xué)上進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)，提出從農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)技術(shù)的認(rèn)知，到實(shí)操技能的訓(xùn)練，最終達(dá)到崗位能力提升的教學(xué)理念。

⑵ 技術(shù)特點(diǎn)[4]

把眾多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和技術(shù)集成到一個(gè)系統(tǒng)中，包括傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、ZigBee傳輸技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、智能終端技術(shù)、電子墨水屏技術(shù)、上位機(jī)應(yīng)用軟件技術(shù)等。

⑶ 應(yīng)用場(chǎng)景[5]

設(shè)計(jì)了一個(gè)以智慧城市為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用導(dǎo)向，讓學(xué)生按照項(xiàng)目要求組織“智慧城市”為主題的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)搭建。系統(tǒng)中包含智能商業(yè)、智能農(nóng)業(yè)、智能環(huán)境監(jiān)測(cè)及智能安防等多種業(yè)務(wù)功能，所有的應(yīng)用場(chǎng)景及功能，均來(lái)自于真實(shí)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用行業(yè)。

⑷ 擴(kuò)展及配套

整套系統(tǒng)采用平臺(tái)化、模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)合通用化、標(biāo)準(zhǔn)化的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)工位，除了可完成配套實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的演示外，還可以基于物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)工位以及系統(tǒng)的軟硬件模塊，外接、擴(kuò)展更多的技術(shù)或業(yè)務(wù)。該系統(tǒng)不僅擁有完整的軟、硬件系統(tǒng)，還配備針對(duì)設(shè)備完整的實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書(shū)、教學(xué)實(shí)訓(xùn)素材、以及教學(xué)視頻等資料。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)功能[6]

從產(chǎn)品實(shí)訓(xùn)的功能角度上，主要針對(duì)農(nóng)業(yè)類(lèi)高職院校物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專(zhuān)業(yè)，主要包括三方面內(nèi)容。

1.2.1 認(rèn)知型實(shí)訓(xùn)功能

⑴ 物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)知識(shí)

通過(guò)對(duì)產(chǎn)品觀察和演示操作，使學(xué)生接觸和感受物聯(lián)網(wǎng)，了解物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)知識(shí)，認(rèn)識(shí)物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)體系結(jié)構(gòu)。

⑵ 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備認(rèn)知

通過(guò)配備的各種物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)設(shè)備，如感知類(lèi)的溫、濕度傳感器、煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞯?，識(shí)別RFID讀寫(xiě)器、高頻讀卡器、條碼掃描槍、移動(dòng)互聯(lián)終端、通訊類(lèi)的串口服務(wù)器、路由器、ZigBee等，使學(xué)生認(rèn)識(shí)、了解和熟悉這些常見(jiàn)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

⑶ 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)認(rèn)知

通過(guò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的操作和使用，使學(xué)生認(rèn)識(shí)和熟悉典型的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)。

⑷ 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用認(rèn)知

通過(guò)多個(gè)場(chǎng)景及系統(tǒng)的演示和操作，使學(xué)生了解和熟悉物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在行業(yè)中的應(yīng)用場(chǎng)景，熟悉物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用軟件系統(tǒng)的形態(tài)和內(nèi)容。

⑸ 云平臺(tái)應(yīng)用認(rèn)知

通過(guò)部署和使用云平臺(tái)提供的基礎(chǔ)服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，熟悉云平臺(tái)架構(gòu)，了解云平臺(tái)在設(shè)備接入的實(shí)用性及可擴(kuò)展性。

1.2.2 實(shí)操型實(shí)訓(xùn)功能[7]

包括硬件設(shè)備安裝調(diào)試、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接配置、軟件系統(tǒng)部署維護(hù)、應(yīng)用場(chǎng)景演示操作。

⑴ 硬件設(shè)備安裝調(diào)試

① 把套件的各類(lèi)傳感器、各類(lèi)執(zhí)行器件等設(shè)備，按照實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書(shū)的要求，安裝到物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)工位的面板上，并按要求進(jìn)行接線連接配置。

② 按照實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書(shū)的要求，將智能商業(yè)應(yīng)用套件的各種設(shè)備等安裝到實(shí)訓(xùn)工位面板上，完成連接配置。

③ 根據(jù)實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書(shū)的要求，將智能安防相關(guān)套件，如紅外對(duì)射、安防巡更等設(shè)備安裝到實(shí)訓(xùn)工位面板上。

⑵ 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接配置

按照實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書(shū)要求，完成設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的搭建，包括網(wǎng)絡(luò)連接布線，無(wú)線路由器設(shè)置，ZigBee、串口服務(wù)器、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、移動(dòng)互聯(lián)終端等各類(lèi)接入到網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置。

① 對(duì)系統(tǒng)軟件的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行部署安裝；對(duì)產(chǎn)品配套的應(yīng)用軟件進(jìn)行部署安裝維護(hù)等。

② 對(duì)智能商業(yè)、智能農(nóng)業(yè)、智能安防、智能環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能家居等5個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景子功能的使用操作、業(yè)務(wù)流程進(jìn)行熟悉和操作。

③ 基于云平臺(tái)的API接口，根據(jù)需要了解、熟悉獲取數(shù)據(jù)，控制對(duì)應(yīng)執(zhí)行器件，對(duì)歷史數(shù)據(jù)如何進(jìn)行分析挖掘，組建具有邏輯功能的各種應(yīng)用場(chǎng)景。

1.2.3 開(kāi)發(fā)型實(shí)訓(xùn)功能[8]

包括DotNet客戶(hù)端開(kāi)發(fā)、DotNet Web端開(kāi)發(fā)、Android移動(dòng)端開(kāi)發(fā)、無(wú)線傳感網(wǎng)WSN開(kāi)發(fā)。

⑴ DotNet客戶(hù)端開(kāi)發(fā)

根據(jù)配套實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書(shū)中環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景、智能商業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景、智能路燈應(yīng)用場(chǎng)景的要求，開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易的基于DotNet開(kāi)發(fā)平臺(tái)下的PC客戶(hù)端功能程序。

⑵ DotNet Web端開(kāi)發(fā)

根據(jù)配套實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書(shū)中智能商業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景功能的要求，開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易的基于DotNet開(kāi)發(fā)平臺(tái)下的Web應(yīng)用程序。

⑶ Android移動(dòng)端開(kāi)發(fā)

根據(jù)配套實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書(shū)中智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景、智能商業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景、智能路燈應(yīng)用場(chǎng)景功能的要求，開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易的基于Android開(kāi)發(fā)平臺(tái)下的移動(dòng)應(yīng)用程序。

⑷ 無(wú)線傳感網(wǎng)WSN開(kāi)發(fā)

根據(jù)配套實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書(shū)中智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景功能的要求，開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易的基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感網(wǎng)應(yīng)用程序。

⑸ 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)

根據(jù)配套相關(guān)的教材，結(jié)合硬件設(shè)備，深入掌握基于C語(yǔ)言及JAVA開(kāi)發(fā)語(yǔ)言的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。

2 物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)案例

如圖1所示，在智能溫室環(huán)境里，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，一個(gè)溫室可成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)測(cè)量控制區(qū)，采用不同的傳感器節(jié)點(diǎn)和具有簡(jiǎn)單執(zhí)行機(jī)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)測(cè)量土壤的成分、pH值、降水量、溫度、濕度和氣壓、光照強(qiáng)度、CO2濃度；再通過(guò)模型分析、自動(dòng)調(diào)控溫室環(huán)境、控制灌溉和施肥作業(yè)，從而獲得植物生長(zhǎng)的最佳條件。

2.1 環(huán)境檢測(cè)

環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由各類(lèi)傳感器節(jié)點(diǎn)、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線傳感網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品生長(zhǎng)過(guò)程全面監(jiān)管和精準(zhǔn)調(diào)控。

2.2 智能控制[9]

智能控制系統(tǒng)包括智能溫、濕度控制系統(tǒng)、智能光照控制系統(tǒng)、智能灌溉系統(tǒng)、智能空氣控制系統(tǒng)等。

⑴ 智能溫、濕度控制

智能溫、濕度控制系統(tǒng)利用溫度、濕度數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、設(shè)備控制參數(shù)設(shè)置、遠(yuǎn)程強(qiáng)制手動(dòng)控制、手動(dòng)/自動(dòng)切換、數(shù)據(jù)的繪圖、統(tǒng)計(jì)等五種功能來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚溫室信息的不間斷采集、整理、統(tǒng)計(jì)、制圖、呈現(xiàn)，以及溫、濕度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

⑵ 智能灌溉控制

智能灌溉系統(tǒng)根據(jù)土壤水分傳感器和空氣溫、濕度傳感器數(shù)據(jù)，自動(dòng)感測(cè)何時(shí)需要灌溉，灌溉多長(zhǎng)時(shí)間；自動(dòng)開(kāi)啟/關(guān)閉灌溉系統(tǒng)；同時(shí)可以根據(jù)土壤的干濕度，實(shí)現(xiàn)土壤智能?chē)姽嗟取?/p>

⑶ 智能光照控制

智能光照控制系統(tǒng)根據(jù)大棚內(nèi)光照傳感器和光合有效輻射傳感器，自動(dòng)感測(cè)大棚內(nèi)光照是否合適，并通過(guò)控制卷簾的開(kāi)關(guān)及人工照明燈的亮/滅，自動(dòng)調(diào)節(jié)大棚的光照強(qiáng)度。

⑷ 智能空氣控制

智能空氣控制系統(tǒng)根據(jù)大棚CO2含量傳感器和溫濕度傳感器，自動(dòng)感測(cè)到大棚內(nèi)空氣質(zhì)量，并通過(guò)控制通風(fēng)設(shè)備和頂窗、側(cè)窗卷簾的開(kāi)閉，調(diào)節(jié)大棚的空氣質(zhì)量，以滿(mǎn)足農(nóng)作物生長(zhǎng)需要。

此外，為實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)溫室大棚實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的統(tǒng)一管理、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管控，以及開(kāi)展功能復(fù)雜的綜合設(shè)計(jì)和科研項(xiàng)目，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)配置一臺(tái)服務(wù)器。該服務(wù)器安裝系統(tǒng)軟件及物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)的服務(wù)器端軟件，提供本地或遠(yuǎn)程訪問(wèn)服務(wù)，并實(shí)施對(duì)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)的視頻監(jiān)控和設(shè)備管理。數(shù)據(jù)中心通過(guò)大屏幕實(shí)時(shí)顯示環(huán)境參數(shù)、音/視頻信息的匯總及各種異常狀態(tài)和生產(chǎn)信息提示。

3 總結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)訓(xùn)平臺(tái)系統(tǒng)，加載了智慧農(nóng)業(yè)套件，室外的溫室大棚實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)作物的智能控制，反映了農(nóng)業(yè)類(lèi)高職院校把智慧農(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)平臺(tái)，幫助學(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)生物聯(lián)網(wǎng)綜合應(yīng)用的能力，為學(xué)生后續(xù)行業(yè)實(shí)訓(xùn)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。通過(guò)這個(gè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，在今后的教學(xué)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)中還可與其他智慧行業(yè)相結(jié)合，拓展學(xué)生項(xiàng)目設(shè)計(jì)能力。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 關(guān)于印發(fā)《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》的通知[R].工業(yè)和信息化部，2011.12.7：1

[2] 蔣建偉.物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系與規(guī)范解讀[R].教育部計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)研究專(zhuān)家組，2011.12.18：5

[3] 福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)訓(xùn)室建設(shè)方案[R].福建新大陸電腦股份有限公司，2012.1：12-13

[4] 黃旭，蔣云良，顧永跟.物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)建設(shè)中多學(xué)科融合的探索與實(shí)踐[J].高等工程教育研究，2016.2：88

[5] 潘策，陳旭，王婷婷，鄭旭丹.基于校企合作的物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系[J].計(jì)算機(jī)教育，2015.10：83

[6] 李翔宇，曾燕清，陳志德.基于崗位需求的物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系建設(shè)思考[J].福建電腦，2016.9：36-37

[7] 馬榮飛.物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)構(gòu)建與研究[J].軟件工程師，2015.1：23-24

[8] 王鵬澄.物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)之網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)的研制[D].江蘇科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2014.6：94

[9] 樊健.基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的溫室大棚監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].安徽大學(xué)碩士學(xué)位論文，2016.5：36-38