農業物聯網技術應用實踐教學設計

梁麗平　李翔

摘 要：實踐是職業教育的靈魂和特色，高職農業物聯網技術應用課程是農業設施裝備類專業的核心課程，該課程的實踐教學，面臨涉及關鍵技術多、技術更新快、教材較少和實驗平臺穩定性不夠等問題，本文結合筆者所在院校實際，對課程實驗內容和實訓設備的選擇，進行了較詳細的梳理。

關鍵詞：設施農業與裝備 ?物聯網 ?實踐教學

高職設施農業與裝備專業，培養主要面向農業設施和環境測控領域、具有農業設施與裝備相關智能設備的安裝調試、故障處理、工程規劃與實施、產品推廣、技術服務技術技能的高素質技術技能型人才。智能農業時代已經到來，陜西銅川海升集團亞洲最大的“草莓星球”基地建設和北京通州京東的植物工廠投入運營，都在應用全球領先的農業物聯網技術。

農業物聯網技術應用課程是設施農業與裝備專業的一門核心專業課程，也是新型農民培訓項目的重要課程。教學內容主要有農業物聯網技術發展、物聯網技術三層結構、電子標簽、RFID、傳感器、網絡數據傳輸、信息處理與控制等核心技術和設備的原理、硬件設備安裝調試、網絡設備連接配置、軟件系統部署維護等。該課程的實踐教學面臨物聯網關鍵技術多、技術更新快、教材較少和實驗平臺穩定性不足等問題，但又不能像農業物聯網專業那樣面面俱到、細細講來。筆者所在學校的該課程的實驗和實訓，主要以物聯網的感知、網絡、應用三層結構為技術主線，精選關鍵技術實驗，采用“理實一體化”的教學模式，最后以多個農業智能應用項目為載體進行綜合實訓，具體詳述如下。

一、專業基礎實驗和專業認知實訓

農業設施與裝備，主要給學生講授電工電路，與設備控制有關的供電、開關、電磁閥、繼電器等知識和技能。利用原有的“電工電子實驗室”，計算機、計算機有線和無線組網、數據庫和編程基礎，在原來的“計算機實驗室”完成，嵌入式技術則利用“單片機實訓室”資源。專業認知實訓則突出先進的智能化控制體驗，主要通過組織學生參觀校外實訓基地，使學生概要了解校內的智能溫室、水肥一體化設施、植物工廠等項目系統結構。

二、農業物聯網識別與感知和定位技術實訓

物聯網由感知層、網絡層、應用層三層結構構成，關于物聯網的實訓主要是帶學生感知識別層中的多種設備，如各類傳感器、無線傳感網模塊等，并要求學生進行安裝、設置和調試，這是實現“物物互聯”的基礎。主要在有線/無線傳感網實驗室和射頻識別技術實驗室，完成傳感器與控制實驗、 RFID技術實驗和無線傳感器網絡技術實驗。

1.識別技術

通過新大洲物聯網基礎開發箱，讓學生掌握各型電子標簽的使用情況和基本工作原理，理解各頻段RFID系統的適用范圍，學會以電子標簽信息識別讀寫實訓，讓學生掌握讀取標簽、理解網關的能力，學會辨識RS232串口并能讀取標簽信息。新大洲物聯網基礎開發箱，是全國職業技能大賽物聯網技術比賽用平臺，配置有ARM核心CPU，3G、WIFI、GPS、藍牙、Zigbee、RFID等接口，采用Android系統。也可配合食品溯源系統、二維碼在線簽到系統的部署和使用，硬件可選用條碼掃描槍、各型電子標簽、天線、超高頻RFID讀寫器、高頻讀卡器等。

2.傳感器技術

感知技術主要是解決信號采集、轉換、分析信息的獲取，為最終的行業應用提供信息與數據。它包括多方面的信息獲取技術，如各型傳感器、RS485/RS232接口等，強調基礎性和啟蒙性實訓。對傳感技術的教學，主要是使學生掌握各種基本傳感器的組成結構、工作原理以及信號處理電路的原理，同時通過電路的搭接、信號的檢測和數據的處理，充分發揮學生的設計思維，提高實踐動手能力。

傳感器可選用：農業氣象信息傳感技術，如溫濕度、CO2、光照、風力、雨量傳感器;機械裝備類傳感器，如霍爾測速傳感器、壓力傳感器等;動植物生理信息檢測傳感器，如葉綠素a傳感器、植物莖流傳感器。設置適當地控制目標，通過實際操作掌握其基本原理、性能和使用方法。

3.農業定位導航跟蹤技術

“物”節點的位置是反映網絡狀態的重要信息，現有的農業定位導航跟蹤技術主要有農產品物流過程跟蹤技術、田間變量信息定位采集技術、農業機械田間作業自主導航技術等，這些技術都需要自動定位服務。定位技術主要有GPS定位、無線通訊定位、傳感網定位。通過實訓，要讓學生熟悉GPS靜態相對定位原理及GPS接收機的使用方法，學會GPS數據處理軟件的簡單使用。

三、網絡層技術實訓

網絡傳輸層負責把由前端感知設備獲得的信息實時、準確上傳到互聯網。無線網絡傳輸一般采用Zigbee、WiFi和藍牙技術，網絡層的重點和難點是無線傳感網Zigbee的組網與使用，目的是讓學生了解與掌握無線傳感網的原理、組成和設備使用，能夠完成設備網絡的搭建、布線，無線路由器的設定配置，并對Zigbee、串口服務器、網絡攝像機、移動互聯終端、智能網關等各類接入到網絡的終端設備進行網絡配置。

首先根據學校的實際情況，逐一對如下幾個典型的農業物聯網項目進行認知學習和結構分析，在此基礎上，給定實訓材料，進行農業物聯網應用項目的設計、硬件建設和網絡配置實訓。實訓項目和設備如下。

一是Zigbee、WiFi無線傳感器組網技術。包括實訓設備可采用北京奧爾斯智能農業沙盤系統，物聯網工具箱及耗材包。

二是計算機局域網搭建和互聯網接入。包括有線和無線網卡、移動終端、通訊類的串口服務器、路由器、網絡繼電器、網絡攝像頭。

三是農業移動通信。包括服務器的部署、網絡電信物流卡、無線網卡、WiFi。

四是云計算技術。包括云服務器、云端的使用。

四、應用層技術實訓

在物聯網三層體系結構中，最后一層是應用層，主要完成經網絡傳輸層上傳到云端數據的接收、過濾與存儲，然后結合行業應用進行控制與管理。主要涉及嵌入式技術、數據庫、高級語言程序設計、移動應用開發等方面的軟件開發和安裝知識。這部分內容多且難度較大，應該屬初級體驗，軟件開發僅做功能簡單的系統，主要讓學生了解開發工具和開發過程，使學生能根據需求對設備控制的關鍵源碼進行個性化修改，加深理解農業物聯網應用軟件的部署方法。

該實訓可以用“智能溫室控制系統”開發作為實訓項目，使學生了解傳感器數據接口和對執行器控制原理，并解讀程序源碼。在此基礎上，開發出獨立的但功能簡單的溫室控制PC端應用程序。簡單APP的開發，也僅是通過有趣的、功能簡單的APP軟件開發和部署來了解原理。

五、農業智能控制綜合實訓

農業智能控制綜合實訓是在本課程結束后進行的另一個實訓環節，主要通過多個完整的農業物聯網技術應用項目進行再學習和重構設計改造，對不同的應用項目做歸納總結、做差異性對比，從而使學生獲知農業物聯網的通用技術和一般結構，掌握各種技術核心、異同和劣質，從而熟練和深化所學內容，達到融會貫通、靈活運用的目的。

實訓參考農業物聯網項目建設流程進行，按照“工程設計—環境安裝部署—感知層設備配置調試—組網—應用開發與調試”的順序對項目進行重建和改造，對學生進行傳感器選用、識別設備、無線傳感網、智能網關等物聯網設備進行安裝、配置、軟硬件故障診斷等方面的綜合訓練，從而使學生達到對農業智能控制理論或體系結構達到融會貫通、能創新應用的目的。實訓項目如下。

一是食品溯源系統。溯源系統以RFID、條碼技術的應用為基礎。實訓重在系統結構的再認知。主要是網絡環境的搭建、服務器安裝與調試、電子標簽制作與識讀、數據庫管理與應用、PDA安裝與調試和APP應用。

二是智能水肥一體噴灌系統。該系統采集墑情、天氣和土壤環境和養分含量等數據，根據不同作物的需肥特點，用遠程控制、手動灌溉等多種模式實施精確灌溉。難點是Zigbee無線組網技術、嵌入式開發。特點是云平臺的運用，水肥一體機壓力系統等設備的使用。

三是智能溫室控制。通過傳感器獲取植物溫室的光照、濕度、溫度等環境因子，從而對通風降溫、遮陽保溫、灌溉等設備實施遠程智能監控。特點是WEB服務器軟件開發和部署、手機APP開發和溫室設備的使用和維護。

四是拖拉機—農機系統（北京奧爾斯科技股份有限公司）。配備有約翰迪爾-404拖拉機、對靶噴霧機、播種機、深松機、PC控制箱、GPS系統等。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深法系統、輔助導航、自動駕駛、智能打藥等設備和技術的應用。

五是植物工廠智控系統。主要有制冷控制、加熱控制、新風控制、照明控制、CO2濃度控制、多功能報警、超溫保護。

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（作者單位：北京農業職業學院）