基于智慧校園的智慧實驗田體系結構設計研究

尹瑩瑩

[摘要]為建設高等農業院校智慧實驗田，解決傳統實驗田目前存在的管理和服務難題，構建高校智慧實驗田體系結構，根據實際需要提出了智慧實驗田應提供智慧學習、智慧管理、智慧安防、智慧數據和智慧控制五大服務，并對每一個服務內容的實現做了具體設計，為智慧實驗田和智慧校園的建設研究提供了有益參考。

[關鍵詞]智慧校園；教育信息化；智慧實驗田

[中圖分類號]G434 [文獻標識碼]A

近幾年來，隨著物聯網、大數據、高速互聯網等計算機技術、通信技術和信息技術的疾速發展，當前高等學校已經建成的數字化校園已不能滿足學校工作和師生需求，正逐漸向智慧校園轉型。在這個轉變過程中，許多高校都根據自己學校的實際情況提出了適應自身需求，具有專業特色的智慧校園體系結構，高等農業院校與其它高校相比，專業特色更為明顯，因此，在智慧校園體系構建和智慧模塊設計時，更需要根據自己的特色特點，構建符合自身需求的智慧校園體系結構和智慧模塊。

1 高等農業院校智慧實驗田需求分析

在高等農業院校中，很多農業方面課程的學習研究都需要在實驗田中進行，而現有的傳統實驗田中都存在信息管理碎片化、設備管理人工化、安全管理非智能化、環境管理非低碳化、資源管理非共享化等諸多問題，因此，以物聯網、傳感器、射頻識別、云技術等計算機新技術為基礎，打造一個泛在互聯、互動協作、高度開放、信息共享、智能化、可視化、低碳化、安全化的智能化實驗環境和綜合信息管理系統，為師生提供一個服務更全面的學習和研究平臺，已經成為高等農業院校智慧校園體系構建的一個重要研究內容，這樣的智慧校園體系結構才能全面滿足學校師生的學習科研需求。

總之，智慧實驗田就是要利用新一代信息技術為廣大師生提供一個全面的智能感知實驗環境和綜合信息服務平臺，實現傳統實驗田的智能化、安全化和可視化管理，實現資源的互聯、人員的互動協作以及實驗田中設備資源、教學資源和科研資源的高度信息共享等。達到以人為本，服務教育的智慧目標。

2 智慧實驗田體系結構構建

智慧實驗田，重在智慧二字，因此，對智慧實驗田的智慧性設計是構建智慧實驗田體系的首要工作，是智慧實驗田最終智慧與否的關鍵所在。而在進行智慧性設計時，首要的就是了解師生對智慧校園所提供的服務有哪些具體需求，再根據需求進行智慧性設計，同時還要充分考慮到隨著發展而出現的需求變化，預留出足夠的擴展空間。在以上對智慧實驗田所提供的智慧服務目標的基礎上，結實智慧校園體系構建方法，構建智慧實驗田體系結構

2.1 智慧實驗田構建目標

在智慧實驗田體系構建時，要實現的終極目標就是，任何儀器設備、實驗器材和實驗對象都可以與實驗人員實現無縫連接，利用智慧實驗田所提供的智慧服務，實驗人員可以隨時隨地，不受任何限制和約束地對實驗對象進行管理和控制，提取自己所需要的實驗數據。根據這一目標需求，在構建智慧實驗田體系結構時，要考慮以下幾點：第一，智慧實驗田能夠隨時獲取到實驗對象的實時數據，這就要求有一層感知層，具體由傳感器、致動器、可編程的邏輯控制器和分布式智能傳感器組成，主要職責是探測實驗田的實時情況；第二，智慧實驗田能夠隨時把所探測到的數據傳送給實驗人員，這就要求有一層網絡層，具體由各種通信設備、通信鏈路和通信協議組成，主要職責是將感知層感知到的數據進行簡單識別處理后傳輸給智慧層；第三，智慧實驗田系統能夠具有相當的智慧性，能夠根據實時數據進行判斷和決策，這就要求有一層智慧應用層，利用一些數學算法和統計工具對獲取到的數據進行處理，提取出其中的信息，控制相應軟硬件設備來實現智慧管理、智慧安防、智慧數據和智慧控制等智慧服務。

2.2 智慧實驗田體系結構

根據上述的智慧實驗田設計目標與服務宗旨，構建智慧實驗田體系結構如圖1所示，整個系統由三層組成，分別是感知層、網絡層和智慧應用層；感知層由各種傳感器構成，負責感應到實驗田中的實時情況，再由網絡層傳輸到智慧應用層，智慧應用層對收到的數據進行分析處理，提取出其中的信息，作為智慧應用和智慧決策的依據，并能夠根據實驗人員做出的智慧決策控制實驗田中的某些儀器，做到智慧控制。

3 智慧實驗田系統設計

根據上述體系結構，對智慧實驗田模塊系統每一個功能的具體實現進行了設計。

3.1 智慧學習服務模塊

高等農業院校中很多專業的學生在大學期間都會開設一些在實驗田中實地考察學習的課程，以往，這些課程的學習需要學生親自到實驗田中觀摩學習，這樣的學習方式，既為學生增添了奔波勞累之苦，又限定了上課的人數，也為教師增添了大量的工作量，而且還要受到時間、天氣等其他客觀條件的影響，十分不便。智慧實驗田系統可以利用網絡和虛擬現實設備，讓學生能夠不受時間地點的限制，在課堂就看到、感覺到要學習的內容，既減輕了教師的工作壓力，又提高了學生的學習效果。

智慧學習服務設計：在課堂或是虛擬實驗室中安裝能夠為學生提供視覺、聽覺、嗅覺和觸覺的虛擬現實設備，在實驗田中安裝溫度、濕度等傳感器和各種控制器，課堂和實驗田間使用網絡進行連接，學生在課堂使用虛擬現實設備能夠觀察、“觸摸”實驗田中的作物，達到學習的目的。

3.2 智慧管理服務設計

實驗田的基本功能就是為教師和學生的科研實驗和學習提供服務，因此，智慧實驗田要具有基本的管理服務功能，為來上課的學生提供自動考勤服務，學生進入實驗田前進行人臉識別，再根據系統中的數據，如果是本節課的學生則放行，否則不許進入；對于來進行研究的學生和教師則使用其他權限控制出入，并記錄下到達和離開時間，自動生成實驗田的智慧日志。

3.3 智慧安防服務

農業院校實驗田一般占地面積都比較大，安全管理非常困難，溫室實驗田由于本身是一個封閉區域，安防管理相對簡單一些，而大田實驗田在管理時難度較高，傳統方法使用圍墻、護欄、鐵絲網等作為防護，但效果并不是很好，容易被惡意分子或野生動物闖入，智慧實驗田的安防功能更為強大，在實驗田周邊安裝視頻攝像頭，紅外感應器等，可以對可能出現的安全問題進行自動預警，充分利用物聯網技術來保證實驗田的安全。

3.4 智慧數據服務

對于做農業實驗的教師和學生來說，一個很重要也很困難的工作就是實驗數據的采集，這經常要耗費大量的時間和精力，智慧實驗田能充分利用自身的技術優勢，按照師生的需求為師生提供自動的數據收集服務，并且，還可以使用內置的組件，完成簡單的數據統計功能，減輕實驗人員的工作強度。

3.5 智慧控制服務

智慧實驗室利用物聯網技術和終端軟件為實驗人員提供遠程控制服務，例如，實驗人員可以通過計算機或其它終端遠程控制實驗室的溫度、濕度、光照等條件變化，甚至還可以結合虛擬現實技術實現遠程噴灌、遠程施肥、遠程修剪等技術難度更高的實驗操作，從全面意義上實現實驗田的機械化、智慧化。

4 結論

智慧實驗田作為高等農業院校智慧校園體系結構中必不可少的一部分，正隨著智慧校園的興起而迅速發展，文章探討了智慧實驗田要實現的智慧服務功能，構建了智慧實驗田體系結構，對體系結構中的智慧模塊進行了具體的實驗研究，為智慧實驗田和智慧校園的建設提供了有價值的參考。智慧實驗田和智慧校園的建設不僅可以為校園學習工作服務，還能夠為整個學校營造出良好的智慧氣氛，學生在學校體驗到現代科技的先進，能夠激發他們的創新能力，有助于培養出更優秀的學生。

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