農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)

梁麗平　李翔

摘 要：實(shí)踐是職業(yè)教育的靈魂和特色，高職農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用課程是農(nóng)業(yè)設(shè)施裝備類專業(yè)的核心課程，該課程的實(shí)踐教學(xué)，面臨涉及關(guān)鍵技術(shù)多、技術(shù)更新快、教材較少和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)穩(wěn)定性不夠等問題，本文結(jié)合筆者所在院校實(shí)際，對(duì)課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)訓(xùn)設(shè)備的選擇，進(jìn)行了較詳細(xì)的梳理。

關(guān)鍵詞：設(shè)施農(nóng)業(yè)與裝備 ?物聯(lián)網(wǎng) ?實(shí)踐教學(xué)

高職設(shè)施農(nóng)業(yè)與裝備專業(yè)，培養(yǎng)主要面向農(nóng)業(yè)設(shè)施和環(huán)境測(cè)控領(lǐng)域、具有農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備相關(guān)智能設(shè)備的安裝調(diào)試、故障處理、工程規(guī)劃與實(shí)施、產(chǎn)品推廣、技術(shù)服務(wù)技術(shù)技能的高素質(zhì)技術(shù)技能型人才。智能農(nóng)業(yè)時(shí)代已經(jīng)到來，陜西銅川海升集團(tuán)亞洲最大的“草莓星球”基地建設(shè)和北京通州京東的植物工廠投入運(yùn)營，都在應(yīng)用全球領(lǐng)先的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用課程是設(shè)施農(nóng)業(yè)與裝備專業(yè)的一門核心專業(yè)課程，也是新型農(nóng)民培訓(xùn)項(xiàng)目的重要課程。教學(xué)內(nèi)容主要有農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)三層結(jié)構(gòu)、電子標(biāo)簽、RFID、傳感器、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、信息處理與控制等核心技術(shù)和設(shè)備的原理、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)等。該課程的實(shí)踐教學(xué)面臨物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)多、技術(shù)更新快、教材較少和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)穩(wěn)定性不足等問題，但又不能像農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)那樣面面俱到、細(xì)細(xì)講來。筆者所在學(xué)校的該課程的實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)，主要以物聯(lián)網(wǎng)的感知、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用三層結(jié)構(gòu)為技術(shù)主線，精選關(guān)鍵技術(shù)實(shí)驗(yàn)，采用“理實(shí)一體化”的教學(xué)模式，最后以多個(gè)農(nóng)業(yè)智能應(yīng)用項(xiàng)目為載體進(jìn)行綜合實(shí)訓(xùn)，具體詳述如下。

一、專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和專業(yè)認(rèn)知實(shí)訓(xùn)

農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備，主要給學(xué)生講授電工電路，與設(shè)備控制有關(guān)的供電、開關(guān)、電磁閥、繼電器等知識(shí)和技能。利用原有的“電工電子實(shí)驗(yàn)室”，計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)有線和無線組網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫和編程基礎(chǔ)，在原來的“計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室”完成，嵌入式技術(shù)則利用“單片機(jī)實(shí)訓(xùn)室”資源。專業(yè)認(rèn)知實(shí)訓(xùn)則突出先進(jìn)的智能化控制體驗(yàn)，主要通過組織學(xué)生參觀校外實(shí)訓(xùn)基地，使學(xué)生概要了解校內(nèi)的智能溫室、水肥一體化設(shè)施、植物工廠等項(xiàng)目系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

二、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)識(shí)別與感知和定位技術(shù)實(shí)訓(xùn)

物聯(lián)網(wǎng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)訓(xùn)主要是帶學(xué)生感知識(shí)別層中的多種設(shè)備，如各類傳感器、無線傳感網(wǎng)模塊等，并要求學(xué)生進(jìn)行安裝、設(shè)置和調(diào)試，這是實(shí)現(xiàn)“物物互聯(lián)”的基礎(chǔ)。主要在有線/無線傳感網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室和射頻識(shí)別技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，完成傳感器與控制實(shí)驗(yàn)、 RFID技術(shù)實(shí)驗(yàn)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)驗(yàn)。

1.識(shí)別技術(shù)

通過新大洲物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)開發(fā)箱，讓學(xué)生掌握各型電子標(biāo)簽的使用情況和基本工作原理，理解各頻段RFID系統(tǒng)的適用范圍，學(xué)會(huì)以電子標(biāo)簽信息識(shí)別讀寫實(shí)訓(xùn)，讓學(xué)生掌握讀取標(biāo)簽、理解網(wǎng)關(guān)的能力，學(xué)會(huì)辨識(shí)RS232串口并能讀取標(biāo)簽信息。新大洲物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)開發(fā)箱，是全國職業(yè)技能大賽物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)比賽用平臺(tái)，配置有ARM核心CPU，3G、WIFI、GPS、藍(lán)牙、Zigbee、RFID等接口，采用Android系統(tǒng)。也可配合食品溯源系統(tǒng)、二維碼在線簽到系統(tǒng)的部署和使用，硬件可選用條碼掃描槍、各型電子標(biāo)簽、天線、超高頻RFID讀寫器、高頻讀卡器等。

2.傳感器技術(shù)

感知技術(shù)主要是解決信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換、分析信息的獲取，為最終的行業(yè)應(yīng)用提供信息與數(shù)據(jù)。它包括多方面的信息獲取技術(shù)，如各型傳感器、RS485/RS232接口等，強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)性和啟蒙性實(shí)訓(xùn)。對(duì)傳感技術(shù)的教學(xué)，主要是使學(xué)生掌握各種基本傳感器的組成結(jié)構(gòu)、工作原理以及信號(hào)處理電路的原理，同時(shí)通過電路的搭接、信號(hào)的檢測(cè)和數(shù)據(jù)的處理，充分發(fā)揮學(xué)生的設(shè)計(jì)思維，提高實(shí)踐動(dòng)手能力。

傳感器可選用：農(nóng)業(yè)氣象信息傳感技術(shù)，如溫濕度、CO2、光照、風(fēng)力、雨量傳感器;機(jī)械裝備類傳感器，如霍爾測(cè)速傳感器、壓力傳感器等;動(dòng)植物生理信息檢測(cè)傳感器，如葉綠素a傳感器、植物莖流傳感器。設(shè)置適當(dāng)?shù)乜刂颇繕?biāo)，通過實(shí)際操作掌握其基本原理、性能和使用方法。

3.農(nóng)業(yè)定位導(dǎo)航跟蹤技術(shù)

“物”節(jié)點(diǎn)的位置是反映網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的重要信息，現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)定位導(dǎo)航跟蹤技術(shù)主要有農(nóng)產(chǎn)品物流過程跟蹤技術(shù)、田間變量信息定位采集技術(shù)、農(nóng)業(yè)機(jī)械田間作業(yè)自主導(dǎo)航技術(shù)等，這些技術(shù)都需要自動(dòng)定位服務(wù)。定位技術(shù)主要有GPS定位、無線通訊定位、傳感網(wǎng)定位。通過實(shí)訓(xùn)，要讓學(xué)生熟悉GPS靜態(tài)相對(duì)定位原理及GPS接收機(jī)的使用方法，學(xué)會(huì)GPS數(shù)據(jù)處理軟件的簡單使用。

三、網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)實(shí)訓(xùn)

網(wǎng)絡(luò)傳輸層負(fù)責(zé)把由前端感知設(shè)備獲得的信息實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確上傳到互聯(lián)網(wǎng)。無線網(wǎng)絡(luò)傳輸一般采用Zigbee、WiFi和藍(lán)牙技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)層的重點(diǎn)和難點(diǎn)是無線傳感網(wǎng)Zigbee的組網(wǎng)與使用，目的是讓學(xué)生了解與掌握無線傳感網(wǎng)的原理、組成和設(shè)備使用，能夠完成設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的搭建、布線，無線路由器的設(shè)定配置，并對(duì)Zigbee、串口服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、移動(dòng)互聯(lián)終端、智能網(wǎng)關(guān)等各類接入到網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置。

首先根據(jù)學(xué)校的實(shí)際情況，逐一對(duì)如下幾個(gè)典型的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目進(jìn)行認(rèn)知學(xué)習(xí)和結(jié)構(gòu)分析，在此基礎(chǔ)上，給定實(shí)訓(xùn)材料，進(jìn)行農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、硬件建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)配置實(shí)訓(xùn)。實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目和設(shè)備如下。

一是Zigbee、WiFi無線傳感器組網(wǎng)技術(shù)。包括實(shí)訓(xùn)設(shè)備可采用北京奧爾斯智能農(nóng)業(yè)沙盤系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)工具箱及耗材包。

二是計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)搭建和互聯(lián)網(wǎng)接入。包括有線和無線網(wǎng)卡、移動(dòng)終端、通訊類的串口服務(wù)器、路由器、網(wǎng)絡(luò)繼電器、網(wǎng)絡(luò)攝像頭。

三是農(nóng)業(yè)移動(dòng)通信。包括服務(wù)器的部署、網(wǎng)絡(luò)電信物流卡、無線網(wǎng)卡、WiFi。

四是云計(jì)算技術(shù)。包括云服務(wù)器、云端的使用。

四、應(yīng)用層技術(shù)實(shí)訓(xùn)

在物聯(lián)網(wǎng)三層體系結(jié)構(gòu)中，最后一層是應(yīng)用層，主要完成經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸層上傳到云端數(shù)據(jù)的接收、過濾與存儲(chǔ)，然后結(jié)合行業(yè)應(yīng)用進(jìn)行控制與管理。主要涉及嵌入式技術(shù)、數(shù)據(jù)庫、高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)、移動(dòng)應(yīng)用開發(fā)等方面的軟件開發(fā)和安裝知識(shí)。這部分內(nèi)容多且難度較大，應(yīng)該屬初級(jí)體驗(yàn)，軟件開發(fā)僅做功能簡單的系統(tǒng)，主要讓學(xué)生了解開發(fā)工具和開發(fā)過程，使學(xué)生能根據(jù)需求對(duì)設(shè)備控制的關(guān)鍵源碼進(jìn)行個(gè)性化修改，加深理解農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用軟件的部署方法。

該實(shí)訓(xùn)可以用“智能溫室控制系統(tǒng)”開發(fā)作為實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，使學(xué)生了解傳感器數(shù)據(jù)接口和對(duì)執(zhí)行器控制原理，并解讀程序源碼。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)出獨(dú)立的但功能簡單的溫室控制PC端應(yīng)用程序。簡單APP的開發(fā)，也僅是通過有趣的、功能簡單的APP軟件開發(fā)和部署來了解原理。

五、農(nóng)業(yè)智能控制綜合實(shí)訓(xùn)

農(nóng)業(yè)智能控制綜合實(shí)訓(xùn)是在本課程結(jié)束后進(jìn)行的另一個(gè)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，主要通過多個(gè)完整的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用項(xiàng)目進(jìn)行再學(xué)習(xí)和重構(gòu)設(shè)計(jì)改造，對(duì)不同的應(yīng)用項(xiàng)目做歸納總結(jié)、做差異性對(duì)比，從而使學(xué)生獲知農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的通用技術(shù)和一般結(jié)構(gòu)，掌握各種技術(shù)核心、異同和劣質(zhì)，從而熟練和深化所學(xué)內(nèi)容，達(dá)到融會(huì)貫通、靈活運(yùn)用的目的。

實(shí)訓(xùn)參考農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目建設(shè)流程進(jìn)行，按照“工程設(shè)計(jì)—環(huán)境安裝部署—感知層設(shè)備配置調(diào)試—組網(wǎng)—應(yīng)用開發(fā)與調(diào)試”的順序?qū)?xiàng)目進(jìn)行重建和改造，對(duì)學(xué)生進(jìn)行傳感器選用、識(shí)別設(shè)備、無線傳感網(wǎng)、智能網(wǎng)關(guān)等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行安裝、配置、軟硬件故障診斷等方面的綜合訓(xùn)練，從而使學(xué)生達(dá)到對(duì)農(nóng)業(yè)智能控制理論或體系結(jié)構(gòu)達(dá)到融會(huì)貫通、能創(chuàng)新應(yīng)用的目的。實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目如下。

一是食品溯源系統(tǒng)。溯源系統(tǒng)以RFID、條碼技術(shù)的應(yīng)用為基礎(chǔ)。實(shí)訓(xùn)重在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的再認(rèn)知。主要是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的搭建、服務(wù)器安裝與調(diào)試、電子標(biāo)簽制作與識(shí)讀、數(shù)據(jù)庫管理與應(yīng)用、PDA安裝與調(diào)試和APP應(yīng)用。

二是智能水肥一體噴灌系統(tǒng)。該系統(tǒng)采集墑情、天氣和土壤環(huán)境和養(yǎng)分含量等數(shù)據(jù)，根據(jù)不同作物的需肥特點(diǎn)，用遠(yuǎn)程控制、手動(dòng)灌溉等多種模式實(shí)施精確灌溉。難點(diǎn)是Zigbee無線組網(wǎng)技術(shù)、嵌入式開發(fā)。特點(diǎn)是云平臺(tái)的運(yùn)用，水肥一體機(jī)壓力系統(tǒng)等設(shè)備的使用。

三是智能溫室控制。通過傳感器獲取植物溫室的光照、濕度、溫度等環(huán)境因子，從而對(duì)通風(fēng)降溫、遮陽保溫、灌溉等設(shè)備實(shí)施遠(yuǎn)程智能監(jiān)控。特點(diǎn)是WEB服務(wù)器軟件開發(fā)和部署、手機(jī)APP開發(fā)和溫室設(shè)備的使用和維護(hù)。

四是拖拉機(jī)—農(nóng)機(jī)系統(tǒng)（北京奧爾斯科技股份有限公司）。配備有約翰迪爾-404拖拉機(jī)、對(duì)靶噴霧機(jī)、播種機(jī)、深松機(jī)、PC控制箱、GPS系統(tǒng)等。主要掌握噴霧控制箱、噴頭、電磁閥、超聲波傳感器、深松控制器、攝像頭、GNSS接收器、基于北斗定位的雙天線定位測(cè)深法系統(tǒng)、輔助導(dǎo)航、自動(dòng)駕駛、智能打藥等設(shè)備和技術(shù)的應(yīng)用。

五是植物工廠智控系統(tǒng)。主要有制冷控制、加熱控制、新風(fēng)控制、照明控制、CO2濃度控制、多功能報(bào)警、超溫保護(hù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡萍，李小順，唐劍.農(nóng)業(yè)院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)初探[J]. 電腦知識(shí)與技術(shù)，2018（9）.

[2]張書欽，王海龍，吳志剛.物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式探索[J].軟件工程，2017（8）.

[3]胡欣宇，張瑞雪.淺談物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)院校的教學(xué)現(xiàn)狀及教學(xué)方案[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016（7）.

[4]李道亮等.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出版社，2012.

（作者單位：北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院）