基于Arduino 的物聯網智慧農業系統教具設計

黃駟基，李海生，鄭薇，方瑩，歐城輝，覃德浩，覃頌

（廣西民族師范學院 數理與電子信息工程學院，廣西崇左，532200）

0 引言

根據2018 年教育部頒布的《高等學校人工智能創新行動計劃》提出在中小學普及人工智能教育，以及2020年3月，中共中央、國務院印發《關于全面加強新時代大中小學勞動教育的意見》確定，勞動教育將是中國國民教育系統的重點教學內容。近年來，由于中國高新技術的蓬勃發展，在人工智能領域也成長得很快，但面對中小學的計算機教學仍不普及，且中小學生物聯網知識教具的匱乏，同時，隨著我國耕地日益減少，中小學也無法深入體驗糧食作物的栽培過程，因此勞動教學的成效也不佳。而面對上述情況，為了推廣中小學的計算機教學和提升中小學的勞動教學效率，本設計研究出基于Arduino 的物聯網智慧農業系統教具，把編程和農業集于一體進行教學，圖形化編程降低了中小學生學習編程的難度，采用這種方式更具有趣味性，從而調動了中小學生的積極性。此外，還可以對現代農業勞作具有一定的認知，了解智慧農業對提高農業生產經營效率的作用，在搭建的過程中，可以認識各種硬件器材，拓展眼界，實現多方面培養，鍛煉中小學生的思維與邏輯，提高中小學生的動手能力。

1 農業系統

該設計從硬件與軟件兩大方面構成教具，讓中小學生在學習編程的同時得到運用，并在實物方面設計為智慧農業系統，讓中小學生親身體會蔬果栽植的過程，體驗農業的有趣性，了解不同蔬果成長時所需的各種外界條件，如光照、土壤溫濕度等。系統總體分別由農業氣象臺系統、土培種植系統兩大部分組成。以“米思齊”軟件進行編程，編程模式為圖形化編程并且可轉化為C 語言語句移植到Arduino軟件提高編程靈活性；軟件方面使用圖形化程序開發、手機客戶端APP 開發、HMI 串口屏界面設計三方面相融合。農業系統的整體框架如圖1 所示。

圖1 農業系統整體框架

■1.1 農業氣象臺系統

氣象臺主要由Arduino 作為主控、傳感器由風速度模塊、光照強度模塊、大氣壓強模塊、溫濕度模塊、空氣質量模塊等構成用以采集周圍環境情況，太陽能供電系統、液晶屏顯示系統、物聯網模塊作為支撐該系統基礎部分。通過集成有MAX44009 光強度傳感器、BMP280 大氣壓強傳感器、溫濕度傳感器的DHT11 模塊進行傳感器冗余優化；太陽能供電系統給系統提供了可靠而穩定的電源，并且節約了極大部分的電力資源。農業氣象臺系統可以讓學生們充分了解自身所處環境的情況，科普氣象等方面的知識，拓展學生的認知區域。

■1.2 土培種植系統

土培種植系統主要由Arduino主控制，維持系統正常運行的光照度、環境溫濕度、土壤濕度、空氣質量、大氣壓等多類傳感器以及電源模塊，用以聯網和顯示的物聯網模塊和顯示模塊這幾大部分構成。

通過土壤種植方式將農作物種植到土壤當中，這種種植方式是目前最為普遍的方法之一。優點是土壤中的營養元素更為豐富，不需要經常施肥，日常養護以澆水為主。且生長速度比其他種植方式要快。缺點是需要占用較多土地，容易招蟲并且需要經常澆水特別是到夏季的時候。此類種植方法的缺點通過本設計的土培種植系統優化之后大大地解決了由此帶來的問題。通過Arduino 專用主控板收集多種傳感器送回的數據并進行處理分析之后進行相應的操作，以維持種植系統的正常運轉。例如，當土壤中的水分達不到植物的需求時，土壤濕度傳感器采集到濕度數據然后傳回主控，經過主控對比最優水分值開啟澆水系統，當土壤濕度達到閾值時自動關閉。學生們只需要查閱相關資料，了解蔬果所需光照、土壤溫濕度等的各種閾值，然后進行設定，即可等待并觀察蔬果的生長過程，有效地降低了蔬果栽培的難度。

2 編程教育

本軟件設計考慮到中小學生的接受能力以及學習能力，采用“米思齊”軟件進行圖形化編程，并且可將圖形化生成的代碼移植到Arduino 軟件進行編程，提高了學習對象的層級。圖形化編程不僅有助于中小學生接受和理解，還使編程生動形象化，豐富了學生們的視覺，增加了學習編程的趣味性，實現面向小學生和中學生的雙向選擇。同時此開發方式還具有多種圖形化庫可供選擇以方便進行硬件驅動程序的開發和加快系統搭建的速度。中小學生可以根據教具配套的教材進行模塊化代碼的拼接，還能在原有的基礎上進行創新，這樣的學習方式既開拓了學生們的邏輯能力，也有助于創造思維的拓展。

■2.1 氣象臺程序設計

如圖2 所示。

圖2 氣象臺程序流程圖

■2.2 土培種植系統

如圖3 所示。

圖3 土培種植系統程序流程圖

■2.3 手機APP 的程序設計

App Inventor 是一款完全在線圖形化開發的手機APP網站，這款手機APP 開發網站不需要太多的編程基礎，只需要在使用的時候看一下書冊，使用方式比較簡單與方便，使用時可以按照自己的想法對手機的頁面進行布局，布局的方式很簡單，只要將自己需要的組件拖拽到自己想要擺放的位置即可，編程的方式就是與拼圖類似，把對應的代碼塊拼接到一起就可以了，學習起來極為簡單與方便。不需要太多的時間，便捷了開發人員和初學者，很適合中小學生使用。手機APP 主要程序如圖4 所示。

圖4 手機APP 部分程序

■2.4 HMI 串口屏的界面設計

線下顯示則通過主控板與串口屏的連接將主控收集到的傳感器信息以及物聯網模塊獲取的天氣信息顯示到屏幕當中。讓學生們可以實時在屏幕上監控數據的變化。

USART HMI 是一種以串口命令進行控制的觸摸顯示屏，可以顯示文字、圖案等，并且顯示屏的分辨率可達到800×400，顯示屏的清晰度滿足日常需求，同時具備按鈕控件、圖片控件、定時器控件、音頻控件等多種組態控件，因此其性價比非常可觀。該串口屏使用串行通信，在觸摸屏與控制器之間通過串口進行數據交換。

使用HMI 串口屏自帶的編程軟件USART HMI，這款編程軟件是基于C 語言的編程環境，而且附帶教程網站，HMI 串口屏可以支持觸屏。操作簡單方便。首先，將對界面進行設計，可以通過工具欄添加所需要的文本框、按鍵、下拉框、輸入框等多種控件，通過Arduino 主控制板的串口進行通信。其次，是HMI 串口屏的程序編寫，使用USART HMI 編程軟件對其編寫程序，Arduino 主控系統可以通過串口發送指令來控制HMI 串口屏的顯示內容，本設計以串口屏制作了氣象臺系統和土培種植系統顯示與操控面板。最后，將下載器連接到電腦并通過專用軟件將程序燒錄到屏幕即可。串口屏界面的多樣化可塑性，激發了中學生的好奇心，并使學生的動手能力、想象力得到提升和發揮。土培系統頁面設計如圖5 所示。

3 硬件認知

■3.1 Arduino 主控制板

Arduino 主控制板作為農業氣象臺和土培種植系統的核心部分，其芯片ATMega328 是作為搭建Arduino 最小系統的首要條件，特點是易操作、資源端口多、源碼豐富等。主要負責系統內部數據的接收和發送，由數字管腳作為輸入端，采集各類傳感器數據，輸出端采用串口輸出管腳連接串口屏和物聯網模塊，將采集的數據反饋到顯示屏及監控設備。土培種植系統則增加和更換部分傳感器來進行數據采集，并對相應的設備進行操作。

Arduino 主控系統電路圖如圖6 所示。

圖6 Arduino 主控系統電路圖原理圖

■3.2 土培種植系統數據采集模塊

數據采集模塊由風速傳感器、光照強度傳感器、大氣壓強傳感器、土壤濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器、PM2.5空氣質量傳感器、CO2傳感器、煙霧傳感器，SIM900A 短信模塊、ESP8266 物聯網模塊構成。各部分模塊如圖7 所示。

圖7 數據采集模塊原理圖

水是生命之源，在農業種植當中，水分顯得額外重要，通過土壤濕度傳感器實時檢測，當土壤中的水分超出農作物適宜的濕度范圍時，將采集到的土壤濕度數據傳輸回主控芯片，經過主控對比最優水分值開啟澆灌系統，達到閾值時澆灌完成后自動關閉。

由于地理位置的差異，造成不同地區溫度及光照強度相差甚遠，限制了種植農作物的品種，采用溫濕度傳感器檢測種植環境的溫度，光照強度傳感器檢測植物可以吸收的光照強度，學生們可以根據不同物種設置不同的閾值，實施同樣的方法將傳感器采集到的數據傳送回主控芯片，超出閾值時將計算最佳光照強度及光照時間進而控制遮陽棚和補光燈的斷開與閉合。

在安全方面還加入煙霧報警系統，在火情發生時，煙霧傳感器和空氣質量傳感器同時超過安全閾值就會發送高電平傳回主控觸發蜂鳴器報警，并且開啟灑水系統進行滅火，再通過SIM900A 短信模塊進行發送警報短信。進一步保障了中小學生在學習、探索的過程中的安全，體現了智慧農業的智能性。

■3.3 氣象站太陽能供電系統

通過該系統的配置讓中小學生了解太陽能的綠色環保、能源質量高等優點，激發中小學生的探索思維，尋找綠色環保的可再生資源。它的組成主要由太陽能板、可控制充放電模塊、蓄電池這幾部分給氣象臺系統提供能源。使用太陽能供電不僅可以節約資源，還可以解決停電無法工作的情況，利用蓄電池能夠儲存大量電量的特性，為本系統提供了源源不斷的電源。供電系統框架如圖8 所示，圖9 為系統電路圖。

圖8 太陽能供電系統框架圖

圖9 太陽能供電系統電路圖

■3.4 物聯網模塊

物聯網模塊采用ESP8266 作為聯網操作的基礎模塊，該模塊支持多種動作模式（STA、AP、STA+AP），同時可進行AP 指令調試方便應用各種場合，具有16 位高精度ADC 為主控減輕運行負擔、采用低功耗32 位CPU 做核心將耗電降至最低，并且支持一鍵聯網省去了開發過程中程序調試困難的問題。項目通過此模塊將農業系統主控芯片采集到的傳感器信息通過云端作為網絡橋梁，將所需的數據傳輸到網上云平臺進行實時顯示。圖10為物聯網模塊電路原理圖。

圖10 物聯網模塊-ESP8266 最小系統

4 結語

綜上所述，當代社會人工智能產業發展迅速，發展該領域的教育，制作基于物聯方面技術的相關教具，有利于培養具有信息素養和創新能力的人才，更多樣化、信息化的發展勞動教育，教具以“智慧農業”為載體，農業種植問題與我們的一日三餐密切相關，可以激發學生內在的學習動機，提高中小學生對勞動及人工智能方面的興趣，并且讓中小學生了解農業蔬菜種植的全過程，體會糧食的來之不易。