基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的教學(xué)用智慧農(nóng)業(yè)沙盤的設(shè)計(jì)*

張興達(dá)

（山東商務(wù)職業(yè)學(xué)院 信息工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264000）

1 研究現(xiàn)狀及意義

我國(guó)自古以來(lái)就是農(nóng)業(yè)大國(guó)，但是體量、規(guī)模不代表質(zhì)量、內(nèi)涵。與部分發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)代化水平相對(duì)較低，仍然以傳統(tǒng)的耕種模式加少量機(jī)械輔助為主。基于當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的關(guān)鍵是農(nóng)業(yè)科技現(xiàn)代化。要加強(qiáng)農(nóng)業(yè)與科技融合，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新。因此，大力發(fā)展高自動(dòng)化、信息化、現(xiàn)代化的智慧型農(nóng)業(yè)勢(shì)在必行。近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)行業(yè)領(lǐng)域信息現(xiàn)代化的有效工具被人們?cè)絹?lái)越多地提及和使用。在智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展過(guò)程中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)同樣有用武之地。

任何一個(gè)行業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展都離不開(kāi)人才的支撐。當(dāng)下，各高校廣泛開(kāi)設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)專業(yè)。但在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教學(xué)中的智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，限于發(fā)展規(guī)模及教學(xué)成本，大部分院校專業(yè)僅以理論教學(xué)為主，輔以電腦模擬軟件和簡(jiǎn)易開(kāi)發(fā)板或?qū)嶒?yàn)箱，而相關(guān)項(xiàng)目化教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)開(kāi)展受限，學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的提升受到極大地制約?；谝陨侠_，沙盤作為一種傳統(tǒng)的模型展示工具，煥發(fā)了新的生機(jī)。最初，沙盤多用于軍事地形模擬，后多用于建筑、工業(yè)、生活、金融等領(lǐng)域的模型展示?，F(xiàn)在，在教學(xué)領(lǐng)域，沙盤充分發(fā)揮出了其規(guī)模小、仿真度高、集成度高、研制可行性高的優(yōu)點(diǎn)，為項(xiàng)目化教學(xué)、實(shí)踐練習(xí)提供了優(yōu)質(zhì)的平臺(tái)。

當(dāng)前市場(chǎng)上，科大訊飛、北京啟航科技、新大陸等物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)企業(yè)有部分智慧農(nóng)業(yè)沙盤產(chǎn)品在售，但是價(jià)格相對(duì)較高，并且產(chǎn)品主要用于參觀展示，不適用于一線教學(xué)。本文擬充分結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)課程授課需求，研究制作成本低、針對(duì)性強(qiáng)、技術(shù)先進(jìn)的教學(xué)用智慧農(nóng)業(yè)沙盤，實(shí)現(xiàn)對(duì)沙盤模擬農(nóng)業(yè)環(huán)境中的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、煙霧濃度等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理、控制等功能。

2 總體設(shè)計(jì)方案

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的教學(xué)用智慧農(nóng)業(yè)沙盤整體上分為智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、沙盤搭建、配套教學(xué)資源設(shè)計(jì)三部分。其中智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)部分是核心。智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)從功能上主要分為三層，分別是用于收集環(huán)境信息的感知層，用于信息傳遞的傳輸層，用于信息分析、處理及應(yīng)用的應(yīng)用層。其中感知層主要包含多個(gè)、多類型傳感器模塊，用于收集、轉(zhuǎn)換沙盤模擬的農(nóng)業(yè)環(huán)境中的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、煙霧濃度數(shù)據(jù)信息；實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)信息通過(guò)傳輸層處理、轉(zhuǎn)換，以有線或無(wú)線的形式傳輸?shù)綉?yīng)用層數(shù)據(jù)處理中心以及相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元；應(yīng)用層通過(guò)對(duì)獲取的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析，得出當(dāng)前農(nóng)業(yè)環(huán)境運(yùn)行狀態(tài)，并給出相應(yīng)的控制指令。智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上又可以分為硬件部分設(shè)計(jì)和軟件部分設(shè)計(jì)。硬件部分主要包含協(xié)調(diào)器模塊和用于各類數(shù)據(jù)采集的傳感器模塊；軟件部分基于Z-Stack 協(xié)議棧，對(duì)應(yīng)各硬件模塊進(jìn)行信息處理[1-2]。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 協(xié)調(diào)器模塊

基于教學(xué)需要，智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)選用TICC2530F256微處理器作為核心，并通過(guò)接口轉(zhuǎn)換器與PC 進(jìn)行串口通信。核心芯片電路、電源、天線、串口轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵電路及實(shí)物圖如圖1～圖5所示[1，3]。

圖1 核心芯片

圖2 串口電路

圖3 電源電路

圖4 天線電路

圖5 核心底板實(shí)物圖

需要說(shuō)明的是，圖2 中，PL2303 是一種RS232-USB接口轉(zhuǎn)換器。CC2530 的USART0 的發(fā)送引腳USART0_TX(P0.3)和接收引腳USART0_RX(P0.2)分別連接到開(kāi)發(fā)板上PL2303 的接收引腳RXD 和發(fā)送引腳TXD。開(kāi)發(fā)板再通過(guò)方口USB 數(shù)據(jù)連接線連接到PC 機(jī)，這樣CC2530 和PC 機(jī)之間就能夠進(jìn)行串口通信。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

3.2.1 溫度采集模塊

選用DS18B20 作為沙盤模擬環(huán)境的溫度采集傳感器。DS18B20作為一款常見(jiàn)的數(shù)字型溫度傳感器，以其體積小、成本低、抗干擾能力強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)，備受青睞。相關(guān)電路設(shè)計(jì)及實(shí)物圖如圖6、圖7所示。

圖6 溫度采集電路圖

圖7 溫度采集實(shí)物圖

DS18B20 工作電路較為簡(jiǎn)單，VCC 和GND 端口分別連接3.3 V 電源和接地端，通過(guò)DQ 端口一根線即可實(shí)現(xiàn)傳感器與處理器之間的雙向通信。封裝好的傳感器內(nèi)部配置有存儲(chǔ)器、寄存器、64 位光刻ROM 內(nèi)部寄生電源等器件，溫度測(cè)量范圍約為-55～+125 ℃。

3.2.2 濕度采集模塊

選用DHT11 溫濕度傳感器作為濕度信息采集元件。DHT11 溫濕度傳感器可靠性高、穩(wěn)定性持久、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高、市場(chǎng)應(yīng)用廣泛，適合用于本教學(xué)沙盤的設(shè)計(jì)。相關(guān)電路及實(shí)物圖如圖8、圖9所示。

DHT11 工作電路也較為簡(jiǎn)單，VCC 及GND 分別接3.3 V 電源和接地端，NC 端口懸空，DQ 實(shí)現(xiàn)單總線，串行通信，接合適大小的上拉電阻。濕度測(cè)量范圍約為20%～90%RH，精度±5% RH。

圖8 濕度采集電路圖

圖9 濕度采集實(shí)物圖

3.2.3 光照強(qiáng)度采集模塊

選用LXD5516作為環(huán)境光強(qiáng)度傳感器。該型號(hào)光強(qiáng)傳感器測(cè)量范圍寬、線形度好、信號(hào)穩(wěn)定、精度高、防水性能好，適用于本項(xiàng)目。相關(guān)電路及實(shí)物圖如圖10、圖11所示。

圖10 光強(qiáng)采集電路圖

圖11 光強(qiáng)采集實(shí)物圖

圖8中，LM393 是一個(gè)比較器，其中，第2 個(gè)引腳IN1-設(shè)置光敏傳感器的光敏感度，第3 個(gè)引腳IN1+采集檢測(cè)到的光強(qiáng)度，第1 個(gè)引腳OUT1 是LM393 的輸出引腳，它連接到處理器的P2.0 引腳。當(dāng)光強(qiáng)不夠時(shí)，R2 的阻值較大，IN1+的電位高于IN1-的電位，OUT1輸出高電平，發(fā)光二極管D1亮；當(dāng)光強(qiáng)足夠時(shí)，R2的阻值較小，IN1+的電位低于IN1-的電位，OUT1 輸出低電平，發(fā)光二極管D1 滅。通過(guò)檢測(cè)P2.0引腳的輸入電平的狀態(tài)，即可判斷光照強(qiáng)度。

3.2.4 煙霧濃度采集模塊

選用MQ-2 煙霧傳感器作為煙霧信息采集元件。該傳感器靈敏度高、使用壽命長(zhǎng)、成本低，適用于本項(xiàng)目。相關(guān)電路及實(shí)物圖如圖12、圖13所示。

圖12 煙霧采集電路圖

圖13 煙霧采集實(shí)物圖

圖10中，LM393 是一個(gè)比較器，工作原理與光照采集電路類似。當(dāng)煙霧濃度不夠大時(shí)，IN1+的電位低于IN1-的電位，OUT1輸出低電平，發(fā)光二極管D1不亮；當(dāng)煙霧濃度足夠大時(shí)，IN1+的電位高于IN1-的電位，OUT1 輸出高電平，發(fā)光二極管D1 亮。處理器P2.0 引腳的輸入電平的狀態(tài)，即可反映煙霧濃度。

4 軟件設(shè)計(jì)

選用IAR 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)及調(diào)試，依托Z-Stack協(xié)議棧進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)[1，4，5]。

4.1 協(xié)調(diào)器模塊

如圖14 所示，首先要完成自身硬件以及協(xié)議棧的初始化，然后組建網(wǎng)絡(luò)，加入個(gè)模塊，由于智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的運(yùn)行周期較長(zhǎng)，因此在不必要時(shí)，要在低功耗模式下工作，有數(shù)據(jù)輸入時(shí)，再進(jìn)行相應(yīng)處理。以串口通信部分為例，調(diào)試界面如圖15所示。

圖14 協(xié)調(diào)器模塊流程圖

圖15 串口通信調(diào)試界面

4.2 數(shù)據(jù)采集模塊

如圖16 所示，數(shù)據(jù)采集各模塊工作流程類似。在完成硬件和協(xié)議棧初始化之后，加入?yún)f(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)，并啟動(dòng)定時(shí)功能，在低功耗模式下，當(dāng)定時(shí)到達(dá)時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和輸送。以溫度采集模塊為例，調(diào)試界面如圖17所示。

圖16 協(xié)調(diào)器模塊流程圖

圖17 溫度采集調(diào)試界面

5 沙盤布局設(shè)計(jì)

沙盤整體模擬場(chǎng)景參照農(nóng)業(yè)大棚，基于實(shí)際需求布置各數(shù)據(jù)采集模塊及處理單元，需要重點(diǎn)注意各元器件及線路的防水防潮，并預(yù)留進(jìn)一步拓展的功能接口。示意圖如圖18所示。

圖18 沙盤布局示意圖

6 配套教學(xué)資源設(shè)計(jì)

作為教學(xué)用沙盤，配套教學(xué)資源必不可少?；趯?shí)際需求，本設(shè)計(jì)進(jìn)行了教學(xué)資源建設(shè)，主要分為線上教學(xué)資源和線下教學(xué)資源。線上教學(xué)資源以微課為主，依托優(yōu)慕課平臺(tái)進(jìn)行發(fā)布，并在沙盤各模塊上配置教學(xué)資源二維碼，方便學(xué)生隨時(shí)觀看學(xué)習(xí)；線下資源主要是詳盡的安全、操作實(shí)訓(xùn)手冊(cè)及相應(yīng)教學(xué)設(shè)計(jì)[6]。

7 結(jié)語(yǔ)

以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，設(shè)計(jì)構(gòu)建了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，完成了相關(guān)軟硬件的設(shè)計(jì)。通過(guò)軟件模擬及初步的硬件調(diào)試，設(shè)計(jì)出的智慧農(nóng)業(yè)沙盤系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地運(yùn)行?；诒驹O(shè)計(jì)為教學(xué)服務(wù)的特性，下一步將完善設(shè)備構(gòu)架，進(jìn)一步建設(shè)教學(xué)資源，在教學(xué)一線進(jìn)行試用，進(jìn)而全面推廣。