SFarm開源智慧農(nóng)場：一個真實的 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實踐場

謝作如 夏青 鄭祥

智慧農(nóng)場項目是玩轉(zhuǎn)物聯(lián)網(wǎng)的過程中值得全國普及的一個公共項目，謝作如老師找到了一個喜聞樂見的“花花草草”的應(yīng)用場景，并且提供了相應(yīng)的“教育公共品”資源，借助這些資源，不同的教師可以從場景的使用者和二次開發(fā)者的角度開展不同層次的教學(xué)——柔軟地改變教育。

● 背景

物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)的應(yīng)用越來越成熟，并逐步成為中小學(xué)信息技術(shù)教材中的重要學(xué)習(xí)內(nèi)容。但我們也發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在利用各種開源硬件設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用時，往往停留在原型搭建的階段，如設(shè)計一個智慧停車場或者智能家居的模型，用傳感器感知外界的信息，用LED、舵機來演示對“物”的控制。而這些模型都僅僅稱為“創(chuàng)客作品”，類似于玩具，不能真實應(yīng)用于生活。

實際上，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在生活中已經(jīng)隨處可見，通過手機APP、語音都能夠非常方便地控制一些常見的家電。另外，支持物聯(lián)網(wǎng)的智能門鎖、電飯煲、電冰箱等家用電器也越來越普遍。我們有沒有辦法讓學(xué)生用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計一些真實的應(yīng)用，如做真實的智能門禁、真實的燈光控制、真實的智能澆花系統(tǒng)？從創(chuàng)客“作品”到創(chuàng)客“產(chǎn)品”的轉(zhuǎn)變，是創(chuàng)客教育發(fā)展的下一個階段。

2020年年底，溫州中學(xué)的謝作如老師和福建連江五中的盧華軍老師發(fā)起提議：基于現(xiàn)有的技術(shù)和開源硬件，設(shè)計一套低成本的、可以部署在學(xué)?；蛘呒彝サ闹腔坜r(nóng)場系統(tǒng)，讓師生體驗用技術(shù)去解決真實問題的過程。有了這套平臺，可以將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在校園真實落地，實現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉、智能灌溉、植物生長數(shù)據(jù)監(jiān)測等功能，讓學(xué)生深刻體會在校園中學(xué)到的技術(shù)是“真實”的、“有用”的，能夠解決生活中的“痛點”。

我們都認(rèn)為這是一個很不錯的建議，因為在很多學(xué)校都會有一塊小小的植物園供師生開展科學(xué)研究或者勞動教育，有些城鎮(zhèn)的學(xué)校甚至已經(jīng)利用樓頂空間搭建出各種“都市農(nóng)場”，開展各種相關(guān)課程。開源智慧農(nóng)場項目是在這些“都市農(nóng)場”的基礎(chǔ)上進行部署，實現(xiàn)了數(shù)字監(jiān)測和控制功能，讓傳統(tǒng)的農(nóng)場“智慧”起來。為此，我們給這個項目命名為“SFarm”，其中“S”既指校園，也包含智慧、科學(xué)、簡易等意思。

● 項目設(shè)計的難點及解決方案

SFarm項目首先是一個能夠?qū)崿F(xiàn)智能感知、自動澆灌等基本功能的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。既然定位在開源，那它的核心硬件和電子模塊都應(yīng)該是創(chuàng)客空間中常見的器件，配套的灌溉設(shè)備也應(yīng)該是常見的生活消費品。這一項目的設(shè)計要靈活，可以由師生根據(jù)學(xué)校的具體情況進行DIY。

自動澆花或者智能灌溉，是一個非常經(jīng)典的創(chuàng)客主題，按理說，在此基礎(chǔ)上設(shè)計一個智慧農(nóng)場項目是挺容易的。但經(jīng)過分析我們發(fā)現(xiàn)，一個項目要從作品升級為“產(chǎn)品”，能夠真實部署在生活中，其實并不容易。比如，開源智慧農(nóng)場項目需要考慮并解決如下三大問題：①如何設(shè)計布線和施工方案，降低系統(tǒng)的硬件搭建和軟件部署方面的技術(shù)門檻？②如何保障自主搭建的系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定運行，解決室外的防水、散熱和漏電等問題？③如何在開放編程接口的基礎(chǔ)上，保持穩(wěn)定運行，執(zhí)行最基礎(chǔ)的自動澆水功能？對于這些問題，我們經(jīng)過多次討論，提出了如下解決方案。

1.采用分布式部署的設(shè)計理念

開源智慧農(nóng)場和目前商用智能家居方案的最大區(qū)別在于，其既要關(guān)注系統(tǒng)的日常運行，又要開放編程接口，讓學(xué)生能夠參與到系統(tǒng)的每一個技術(shù)細節(jié)。因而，分布式接入成為最重要的設(shè)計理念，即：每一個物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點都是獨立的;所有的終端節(jié)點通過物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器建立相互之間的聯(lián)系，彼此地位都是平等的;無論是數(shù)據(jù)觀察還是設(shè)備管理，都要通過接入到物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，以發(fā)送或者訂閱消息的方式來實現(xiàn)，如下圖所示。

從圖中可以看出，SFarm項目主要分解為服務(wù)器和終端節(jié)點兩大類，采用分布式部署的設(shè)計理念，每一個節(jié)點都能以無線的方式接入智能終端節(jié)點。其中每一個終端節(jié)點都具有完整的感知和控制功能，因而在每一個節(jié)點的部署位置，都需要提供水和電的接口。這樣的部署方式看似會造成功能冗余，其實靈活方便，擴展性強，只要有Wi-Fi信號都能部署終端。

2.采用安全電源和防水盒

SFarm項目的安全問題主要可分為人身安全、設(shè)備安全和網(wǎng)絡(luò)安全三個方面，其中人身安全是核心。SFarm項目所采用的開源硬件，都是通過弱電來完成感知和控制，所有的供電均為低于36V安全電壓的直流低壓電。另外，我們選擇了防雨、防水的室外開關(guān)電源來供電，同時具有直流12V和直流5V的電流輸出。12V電壓滿足大部分市售低壓用電設(shè)備的供電要求，如電磁閥、水泵等設(shè)備，5V電壓則滿足給Arduino、掌控板等開源硬件供電的需求。

其次，SFarm項目必定會部署在室外場地，必須解決電路防水、設(shè)備防水等安全問題。為避免雨雪天氣等環(huán)境因素的影響，整個系統(tǒng)需要安裝在防水箱中。為了讓師生能夠直接觀看系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備、體驗交互，防水箱的外殼建議采用防水、防火、耐高溫、透明材質(zhì)，并做好外殼通線孔防水設(shè)計。設(shè)備安全問題中的另一個難點就是電路線路防水問題。因此在線路連接方面，盡量采用有效防水結(jié)構(gòu)的航空防水插頭進行連接，確保線路連接的可靠和防水。

網(wǎng)絡(luò)安全問題雖然也很重要，但畢竟不是重點。一般來說，只要讓SFarm項目各個節(jié)點連接一個獨立的Wi-Fi信號，劃分為一個獨立的網(wǎng)段，就能確保安全運行。開源智慧農(nóng)場項目的校內(nèi)服務(wù)器選擇SIoT，避免了外網(wǎng)的黑客攻擊和木馬攻擊，因此在網(wǎng)絡(luò)安全方面也是較為可靠的。

3.設(shè)計接口規(guī)范和通信協(xié)議并提供穩(wěn)定固件

SFarm項目選擇MQTT為物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，我們定義了MQTT的各種技術(shù)細節(jié)。每一個物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點（智能終端）叫做“項目”，項目名稱為“sf”加局域網(wǎng)IP地址的尾號;智能終端上的每一個傳感器和執(zhí)行器，叫做“設(shè)備”，設(shè)備名稱為農(nóng)場中常用的傳感器或者控制器名稱，如light（光照）、soil（土壤濕度）、relay（繼電器或者電磁閥）等。每一個設(shè)備得到一個唯一的TopicID，即“項目名/設(shè)備名”，如“sf88/light”表示名稱為“sf88”的項目上的光線傳感器模塊。SFarm還規(guī)定了智能終端上不同類型的模塊，分別連接的引腳、接線規(guī)范和TopicID定義如下表所示。

按照接口和協(xié)議的規(guī)范，我們提供了虛谷號、樹莓派、Arduino等常見開源硬件的固件（代碼）。師生只要按照接口規(guī)范連接硬件，然后將燒錄運行相應(yīng)的固件或者代碼，這套系統(tǒng)就能正常運行。

● 項目實施過程和反饋

SFarm項目從2021年1月開始設(shè)計。方案定型后，福建連江五中的盧華軍老師率先在校園中實施部署。施工過程簡述如下。

1.準(zhǔn)備工作

首先，校園中準(zhǔn)備部署物聯(lián)網(wǎng)終端（智能澆灌設(shè)備）的地方，都預(yù)留好水電接口。其中水管提供4分的內(nèi)牙接口，可接三角閥，電源則留防水插座即可?；诎踩紤]，所有的水電都有獨立的帶漏電保護的電源開關(guān)和三角閥。

2.搭建步驟

（1）配置服務(wù)器

SFarm推薦SIoT為物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。SIoT支持多種操作系統(tǒng)，可以運行在Windows、Linux和MacOS等系統(tǒng)，幾乎任何一臺電腦都作為服務(wù)器。本項目則選擇了拿鐵熊貓作為服務(wù)器。

（2）配置智能終端

SFarm使用虛谷號作為物聯(lián)網(wǎng)終端控制器，配置Wi-Fi信息，并且上傳程序，配置為開機啟動。當(dāng)然，樹莓派、香蕉派或者掌控板都可以作為終端控制器提供穩(wěn)定的程序。

（3）連接硬件模塊

將擴展板、光線傳感器、土壤濕度傳感器、繼電器、電磁閥等模塊按照規(guī)范連接在虛谷號上。其中光線傳感器接A0，土壤濕度傳感器接A1，繼電器模塊接D2。土壤濕度傳感器則要插到泥土里，露出頭部即可。

3.調(diào)試運行

（1）系統(tǒng)測試

虛谷號上電后，觀察SIoT服務(wù)器的設(shè)備是否收到數(shù)據(jù)（設(shè)備名為“l(fā)ight”和“soil”），然后給“relay”設(shè)備（如“sf01/relay”）發(fā)送信息“1”，觀察繼電器模塊是否閉合。我們選擇的繼電器模塊上有LED指示燈，調(diào)試起來比較方便。

（2）電磁閥測試

系統(tǒng)測試正常后，電磁閥接上水管，然后打開三角閥，再次測試。重點檢查連接處是否有漏水現(xiàn)象。然后給“繼電器”設(shè)備（如“sf88/relay”）發(fā)送信息“1”，觀察是否能夠正常出水。

本項目實施后，運行狀態(tài)良好。所有的傳感器數(shù)據(jù)匯總到SIoT服務(wù)器，并實時存儲;物聯(lián)網(wǎng)終端能夠?qū)崟r響應(yīng)“澆水”指令，也能在缺水的情況下自動澆水。謝作如老師還使用Remi庫，寫了一個基于Web的設(shè)備控制頁面，操作非常方便。具體過程請參考本刊2021年第4、5期本欄目文章。

● 項目的教育應(yīng)用

SFarm項目是一個穩(wěn)定、可靠、簡單易用的物聯(lián)網(wǎng)項目平臺，從智能感知到自動控制，能夠演示典型的物聯(lián)網(wǎng)功能。它既是智慧校園中的一個重要組成部分，又是一個教學(xué)演示工具。除了用于物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)外，SFarm項目還可以結(jié)合其他教育理念，衍生出許多有趣的教育應(yīng)用。

1.結(jié)合STEM教育

STEM教育鼓勵多學(xué)科、跨學(xué)科的融合教學(xué)，旨在鼓勵學(xué)生綜合運用各學(xué)科知識，如中小學(xué)科學(xué)課中涉及的植物生長數(shù)據(jù)、環(huán)境溫濕度、水的質(zhì)量等探究活動，都需要通過數(shù)據(jù)的監(jiān)測來進行深入研究，讓學(xué)生直觀地感受課程的魅力和趣味。中小學(xué)數(shù)學(xué)課則更加關(guān)注數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、歸納等知識的應(yīng)用。中小學(xué)勞動技術(shù)課程旨在注重學(xué)生的實踐操作，強調(diào)學(xué)生的“做中學(xué)、玩中學(xué)”，在動手實踐中學(xué)習(xí)新的知識技能形成新的知識聯(lián)結(jié)。SFarm項目則剛好能夠?qū)⒅行W(xué)各個學(xué)科的知識技能巧妙地結(jié)合在一起，成為一個重要的紐帶，將各種活動聯(lián)接起來，實施STEM教育。尤其是SIoT收集的真實數(shù)據(jù)，可以用于各種數(shù)據(jù)探究活動，驗證各種猜想。

2.結(jié)合人工智能教育

傳統(tǒng)的人工智能課程往往忽視了人機交互，既不夠有趣，也不能解決真實的問題。結(jié)合SFarm項目，很多人工智能的模式識別技術(shù)，就有了具體的實際意義，如學(xué)生可以利用語音識別技術(shù)，用語音控制SFarm項目中某個終端節(jié)點的澆水，甚至可以應(yīng)用人臉識別技術(shù)，設(shè)置當(dāng)某個特定的人（如農(nóng)場管理員）出現(xiàn)并微笑時，就能自動澆水。當(dāng)然，利用終端節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，結(jié)合特定的植物生活習(xí)性，然后進行個性化的澆灌，不僅僅體現(xiàn)了人工智能，也涵蓋了很多學(xué)科的知識。

● 項目展望

SFarm項目是以“智慧農(nóng)場”為主題的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。一開始，我們并沒有太多的想法，僅僅是覺得有必要讓開源硬件和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合去真實解決一些生活問題，設(shè)計出一些接近于消費級產(chǎn)品的作品。當(dāng)方案設(shè)計出來并開始應(yīng)用實施后，得到很多教育同行的反饋，并逐步有了更多的思考。

首先，SFarm項目是一個典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，以這一項目為模板，只要更換相應(yīng)的傳感器和執(zhí)行器，就能改造出其他的物聯(lián)網(wǎng)項目。例如，將終端節(jié)點的傳感器換成氣象傳感器，如輻射、風(fēng)向、風(fēng)速等，這就成了一個氣象監(jiān)測項目，實現(xiàn)校園內(nèi)的天氣情況、空氣溫濕度、空氣質(zhì)量、風(fēng)速風(fēng)向等數(shù)據(jù)的監(jiān)測。又如，將終端節(jié)點的電磁閥換成門禁系統(tǒng)的電磁鎖，這就成了一個智能門禁系統(tǒng)。再如，終端節(jié)點的電磁閥換成門禁系統(tǒng)的道閘，加上一個攝像頭，就能做出一個智能停車系統(tǒng)。

其次，我們希望能夠設(shè)計一個數(shù)據(jù)分享的機制，讓各地各校的農(nóng)場數(shù)據(jù)共享起來。借助這個數(shù)據(jù)分享平臺，不同地區(qū)的學(xué)生可以相互交流項目，了解不同地域的植物生長，進行長期的異地交流學(xué)習(xí)，增長學(xué)生的見識。那么，這一開源項目就能夠通過互聯(lián)網(wǎng)，形成一個巨大的學(xué)習(xí)空間。將來，我們甚至可以想象，有的學(xué)校安裝智能機械臂進行采收，部署無人機進行巡視等科技勝景。那么，這個智慧農(nóng)場就真正成為一個學(xué)生用來實踐各種新技術(shù)的場所。

● 結(jié)語

目前，Sfarm項目已經(jīng)在Github和Gitee上開源，智能終端的代碼也提供了掌控板和虛谷號兩種。通過這個項目的成功設(shè)計和運維，我們都覺得頗有收獲，尤其是用事實證明了創(chuàng)客空間中的各種技術(shù)，是能夠真正用來改造生活的。正如吳俊杰和謝作如兩位老師所說：“消費者有能力用電腦設(shè)計自己想要的產(chǎn)品，用個性化的制造工具把物品制造出來反復(fù)測試達到優(yōu)化，免費分享到網(wǎng)絡(luò)上開源供他人修改，通過連續(xù)的創(chuàng)新打造個人的生活圈子來回饋個性化的生產(chǎn)和生活?！?/p>

我們期望通過開源的方式，吸引更多的學(xué)校參與到開源智慧農(nóng)場項目的建設(shè)中來。創(chuàng)客空間中的各種工具和器材，是能夠創(chuàng)造萬物的，不是用來參觀的。在創(chuàng)客教師的帶領(lǐng)下，每一個學(xué)生都能用造物的方式改變生活，讓這個世界更加美好。