物聯網智慧農業實訓平臺應用系統

張潔

摘 要：物聯網智慧農業實訓平臺選取具有典型意義的智慧農業設備為基礎，結合可靈活部署的移動實訓臺。通過網關、安卓工控平板和物聯網云平臺之間不同的搭配、組合，為學生提供云平臺接入、網關直連、平板直連，PC直連四種不同的數據采集、流轉、處理模式。本實訓平臺很好地幫助了學生從物聯網理論學習過渡到實際動手操作，培養學生在物聯網綜合應用方面的動手實踐能力，軟件編程以及項目設計能力，為后續的行業實訓打下堅實基礎。

關鍵詞：物聯網；智慧農業；實訓平臺；行業實訓

中圖分類號：TP39；TN915.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）06-0-03

0 引 言

物聯網是我國戰略性新興產業的重要組成部分，《物聯網“十二五”發展規劃》[1]圈定了10大領域重點示范工程，智能農業便是其中之一。據工信部統計，智能農業在其領域五年內需要的人才約為1 000萬。從產業需求看，物聯網人才[2]總體可分為研究型人才和工程應用型人才兩類。

研究型人才主要為研究生層次或研究型高校所培養的畢業生，是各類“研究型企業”或“高新企業”的研發部、研究院所急需的人才。在高等院校和科研院所物聯網研究型人才培養方面，偏重于研究型和創新型，具有跨學科復合型特點。工程應用型人才主要為各類高職學校或信息類本科學院畢業生，以從事物聯網系統設計、產品開發、物聯網項目實施等為主，以系統設計、產品開發、工程項目策劃與實施為主的企業，更應注重工程應用技術能力的培養，加強工程實踐的實際訓練，突出技術應用能力、培養創新能力。

隨著近幾年大量物聯網應用系統開發完成，開始轉向系統的實施與維護過程，物聯網應用型人才的占比已趕上甚至超過了研發型人才需求。巨大的市場潛力，廣闊的行業發展前景，急待提高的人員素質，為職業學校辦好此朝陽專業建立信心和決心。很多高職院校抓住此良好環境和契機，建設好該新興專業，物聯網實訓室應用平臺是保障此專業能較好完成教學效果的前提和必要條件。

1 物聯網智慧農業實訓室平臺的需求分析

1.1 實訓室建設意義

從教學方面來說，應培養從事物聯網領域的系統設計、系統分析與系統開發的高技能人才。培養合理的知識結構，具備扎實的物聯網理論與實踐知識，并具備在物聯網領域跟蹤新知識、新技術的能力及較強的物聯網應用能力。通過理論課程的教學并結合實訓室的實驗，讓學生、學員親自動手，接觸各種實訓室設備。最終實現能讓學生獨立構架各種物聯網應用系統的目的。通過理論與實踐相結合，感知體驗與動手結合、方案設計與實際驗證結合來提高動手能力，積累實踐經驗，進一步提高學生水平。

從科研方面[3]來說，物聯網技術是繼計算機、互聯網與移動通信網之后的又一次信息產業浪潮，是一個全新的技術領域，包含RFID射頻技術、有線傳感技術、無線傳感技術、數據交換與網絡異構、終端管理等關鍵技術。實訓室物聯網設備通過射頻識別等設備與互聯網連接，實現智能化識別和管理，通過建設物聯網實訓室為教師提供物聯網應用研究的科研平臺，通過實訓室設備促進教師與科研人員進行更好的科研研究。

1.2 實訓室的建設特點

物聯網實訓室設計以技術全面化、業務典型化、應用教學化三個方面為指導思想進行建設。

1.2.1 技術全面化

主要解決技術知識層面的問題，實訓室引入物聯網龍頭企業工業化產品體系，融合產業發展趨勢，設計模式吻合教學實訓體系。實訓室不僅可以全面支持物聯網培訓認證所要求掌握的技術，還全面涵蓋了物聯網專業的基礎課和專業課[4]，如物聯網概論、信號與系統、計算機網絡、現代通信網、傳感器原理、嵌入式系統設計、無線通信原理、無線傳感器網絡、近距無線傳輸技術、二維條碼技術、數據采集與處理、物聯網安全技術、物聯網組網技術等均可在此完成并創新拓展。

1.2.2 業務典型化

主要解決應用和就業層面的問題。眾多教育集團公司將多年成功的商業模式及成熟的行業應用如車聯網系統、智能家居、智慧農業等轉化為典型的業務場景以用于支撐物聯網行業應用實訓，使學生在實訓的同時了解、融入真實的行業產業應用。

1.2.3 應用教學化

應用數字化的主要目的在于解決培養和定位問題，通過物聯網實訓平臺、行業應用實驗箱、實訓墻、行業應用實訓場景等多種形態、多種應用的實驗實訓設備以及物聯網技術體驗中心實現理論與實踐的結合，感知體驗與動手的結合、方案設計與實際驗證的結合。

1.3 實訓室的建設目標

通過建立實訓室，建設一個教、學、研、培訓認證統一的實訓平臺，集教學、實訓、培訓認證功能于一體，圍繞物聯網主題，同時兼顧當前IT流行技術的發展趨勢，注重各種技術之間的融合與靈活應用，既可滿足日常教學要求，又注重項目實訓及創新試驗，各設備之間還可以靈活組合。學員不僅可通過實訓室里的相關設備掌握物聯培訓認證所要求的所有技術，還可以基于各種模塊，按照自身需求進行獨特設計，融合各種技術進行創新試驗及項目實訓。建設一個完整的物聯網實訓室，進行各種無線傳感器網絡、智能視頻技術等教學實驗，模擬典型智慧校園、智能追溯等實際應用。通過實訓培養物聯網方面的高技能技術人才。學生、學員可就業于與物聯網相關的企業，從事與物聯網相關的工作。

物聯網專業實訓室的建設，應在物聯網的識別、感知、通訊傳輸、組網技術以及數據分析方面，衍生至物聯網整個產業鏈，以專業建設、人才培養、物聯網核心課程教學、提高學生實訓水平為目標，建立一個完整的、基礎的實訓架構體系。實訓室的建設需滿足以下基本要求：

（1）滿足農業院校物聯網專業的人才培養規范和教學基本要求；

（2）能夠支撐學校相關專業課程教學；

（3）能夠支撐學校物聯網教學實訓，實現物聯網各知識點的實訓；endprint

（4）能夠滿足物聯網產業綜合創新的實訓，如智慧城市、智能家居等。

2 智慧農業實訓室應用平臺

典型物聯網應用實訓平臺[5]（智慧農業套件）以選取具有典型意義的物聯網智慧農業設備為基礎，結合可靈活部署的移動實訓臺。學生可通過應用平臺實訓產品的訓練進一步了解各種農業物聯網技術典型應用，進行模擬訓練；從實訓產品中學習傳感器、WSN及嵌入式知識。通過豐富多彩的智慧農業物聯網實驗案例及體驗，激發學生的想象力，充分調動學生的積極性，并提供多樣化的集知識性和趣味性于一體的超強用戶體驗。讓學生可以在實訓室中看到農業物聯網行業的現狀，培養學生的動手設計能力，幫助他們成為具有特色能力的專業技術人才。

2.1 實訓室平面圖

物聯網智慧農業實訓室平面設計圖如圖1所示。具體位置可按實地重新規劃，根據教室實地情況，使用20+1套典型物聯網應用實訓平臺進行教學，可以滿足對20～40學生進行教學。此外，結合農業院校特色，新建一個農產品溫室大棚，充分體現了智慧農業套件由淺入深，由理論到實踐的循序漸進過程，豐富實訓課程設計，并將其應用于實踐生活中。

2.2 系統結構

物聯網智慧農業實訓平臺屬于移動實訓系列產品，主要由物聯網網關、工控平板、數/模采集器等11個物聯網典型部件構成。其中移動實訓臺、物聯網網關、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，通過風扇I和風扇II完成。

2.3 平臺實現流程

智慧農業套件實訓平臺通過網關連接到公共網云平臺，構成了基于感知層基礎的物聯網云平臺。具體數據流轉流程[6]如下所示：

（1）通過四模輸入量采集器采集光照、溫濕度傳感器數據，通過ADAM-4150采集人體紅外傳感器數據；

（2）模擬輸入量采集器通過ZigBee傳輸協議將數據傳到網關，ADAM-4150通過串口將數據傳至網關；

（3）網關通過TCP/IP協議將數據傳輸至云平臺或者工控平板進行數據邏輯處理；

（4）云平臺或工控平板形成控制指令，并通過TCP/IP協議傳給網關；

（5）網關通過串口將指令傳給ADAM-4150；

（6）ADAM-4150給繼電器輸出指令，控制風扇的開閉。

3 核心部件功能介紹

3.1 網關功能介紹

物聯網網關作為系統設備域的重要部件[7]，集成物聯網核心采集器、控制器，通過ZigBee協議、Modbus協議等采集、解析數據，具有透傳、控制命令下發等功能，可將數據實時顯示于網關顯示屏。網管功能截圖如圖2所示。具有采集光照傳感器、溫濕度傳感器、人體紅外傳感器數據的功能并進行顯示，還可手動下發指令，打開風扇，將采集的數據傳輸給工控平板或云平臺，同時工控平板或云平臺通過網關可下達對繼電器的開關指令。基于這些功能，農業套件平臺網關具有以下特點：

（1）LCD顯示功能，可同時顯示6路傳感器數據；

（2）本地聲光報警功能，具備超溫、斷電報警功能；

（3）通過WiFi/GPRS/以太網傳輸可將溫濕度數據實時傳送至后臺；

（4）內置后備電池，斷電后可繼續工作2小時；

（5）支持斷線儲存功能，最大支持5 000條記錄。

3.2 工控平板功能介紹

工控平板是智慧農業套件的數據處理核心，通過對網關傳輸數據的邏輯處理，可自動下發控制指令。對光照傳感器、溫濕度傳感器、人體紅外傳感器的數據進行邏輯處理，自動生成控制指令；對光照傳感器、溫濕度傳感器、人體紅外傳感器的數據案例進行開發并展示；對網關下達繼電器開關指令，或通過串口對ADAM-4150下達控制指令。基于這些功能，工控平板具有以下特點：

（1）支持通過網關連接和通過串口與采集器直接連接兩種數據采集方式；

（2）顯示內容豐富，界面友好；

（3）多通道數據傳輸，支持WiFi、串口、RJ45等多種數據傳輸方式；

（4）可旋轉支架。

3.3 云平臺功能介紹

物聯網云服務平臺[8]以云計算架構實現系統的云平臺管理，包含用戶管理、數據存儲、邏輯處理，設備管理、配置，資源管理、配置等功能，如圖3所示。支持多個網關、傳感器、執行器等物聯網設備動態接入和管理；對光照傳感器、溫濕度傳感器、人體紅外傳感器的數據進行存儲；可遠程手動或自動下達控制指令；BS架構可實現遠程管理、監控；提供了豐富靈活的API接口，可通過API接口獲取數據，組建具有邏輯功能的各種應用場景。

4 結 語

物聯網智慧農業實訓平臺以移動型實訓臺為硬件支撐平臺，所有部件可靈活調配，緊跟教學進度，可按需組合，平臺系統安裝部署靈活，方便教學，支持四種數據傳輸模式，學生可自由組合，了解學習數據傳輸的原理，掌握數據傳輸的方式和知識。平臺的農業套件主要包括ZigBee無線組網相關的傳感器、繼電器等多種物聯網設備，通過配套的智能農業應用實訓及理論課程教學，讓學生動手進行安裝調試，接觸物聯網技術在短距離傳輸領域的真實使用，最終實現感知體驗與動手相結合、方案設計與實際驗證相結合的目的，提高學生的實踐動手能力。

參考文獻

[1]工業和信息化部.關于印發《物聯網“十二五”發展規劃》的通知[R].2011.

[2]蔣建偉.物聯網工程專業實踐教學體系與規范解讀[R].教育部計算機科學與技術教學指導分委員會物聯網工程專業教學研究專家組，2011.

[3]物聯網實訓室建設方案[DB/OL].上海左岸星慧電子科技有限公司，2013.

[4]福建新大陸電腦股份有限公司.福建信息職業技術學院物聯網關鍵技術實訓室建設方案[R].2012.

[5]物聯網智慧農業實驗室建設解決方案[DB/OL].CK365中國測控網.

[6]謝楊.基于云計算的現代農業物聯網監控系統[D].成都：西南交通大學，2015.

[7]胡金輝.物聯網網關關鍵技術的研究和實現方案[D].西安：西安電子科技大學，2012.

[8]陳穎.大數據時代河北省高職院校軟件技術專業云平臺實訓室建設研究[J].山東工業技術，2017（3）：132.endprint