基于開源軟硬件搭建校園未來農場

鄭祥 浙江省溫州市第四中學

謝作如 浙江省溫州科技高級中學

● 引言

隨著教育的不斷革新，STEAM教育理念逐漸深入中小學課堂。《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》的“物聯網實踐與探索”模塊和《義務教育勞動課程標準（2022年版）》的“農業生產勞動”任務群在課堂教學實施過程中對中小學校的教學場地、軟硬件設施等教學資源提出較高的要求。校園未來農場的設計與搭建，強調“開源軟硬件”“物聯網技術”在“農業生產種植”場景中的綜合應用，正是信息科技課程“物聯網實踐與探索”模塊與勞動課程“農業生產勞動”任務群有機結合的教學場景。

● 校園未來農場的功能設計

筆者結合信息科技課程及勞動課程學科的新課程標準的具體內容模塊及課程資源的開發需求，提出除了尋找一塊合適的種植場地外，校園未來農場應重點關注農場種植方面的數據實時監測、自動化（或手動）控制與反饋等功能的設計，以此滿足信息科技課程和勞動課程多方面、跨學科的綜合性教學應用需求。

1.數據實時監測

光線強度、土壤濕度、溫度等種植環境數據的變化能直接影響作物的生長情況，通過開源硬件豐富的傳感器，校園未來農場能夠實時地獲取并顯示種植環境的實時數據。

2.自動化澆灌

校園未來農場的自動化澆灌功能是基于種植環境數據的實施監測功能實現的，既保證了作物的正常生長，又避免了水資源的浪費。通過對種植環境數據的分析和判斷條件的設置，開源自動化控制平臺借助物聯網平臺向智能終端發送相應的執行指令，從而實現自動化精準澆灌。

3.手動精準澆灌

在勞動課程、信息科技課程及實驗教學中，比對實驗是一種常用的實驗方法，它是通過控制變量的變化來觀察其對實驗結果的影響。校園未來農場的手動精準澆灌，在其數據實時監測功能的配合下，能夠為比對實驗教學提供精準的變量控制，有效地簡化實驗操作步驟，為實驗比對觀察、實驗結論提供數據支撐。

● 校園未來農場的搭建

校園未來農場的搭建主要分為三個階段——基礎設施建設階段、智能硬件搭建階段、物聯軟件部署階段，這三個階段也是一個非智慧的普通農場逐步改造升級的過程。

1.基礎設施建設階段

在校園中尋找一塊適合農業種植的土地作為農場，要求是“農場土壤具備一定的保水保肥能力；農場光照充足，附近無建筑物或高大植被遮擋”。

2.智能硬件搭建階段

農場種植環境的監測，主要包括土壤濕度、光照強度、溫度等環境數值的監測，而農場種植作物的澆灌、光線強度等方面的環境控制則需要開源硬件中的進水電磁閥、步進電機等執行模塊（如表1）。在農場附近搭好水管，布置好強電帶防水功能的插座，設置好網絡環境（建議采用無線網絡），就可以搭建智能硬件了。

3.物聯軟件部署階段

校園未來農場的功能實現主要依托于三大核心部分：開源硬件、開源物聯網平臺和開源軟件自動化控制系統。它們共同協作，確保農場環境數據的實時監測與精準控制。

開源物聯網平臺SIoT是一個專為教育領域設計的開源MQTT服務器軟件。它采用GO語言編寫，具有跨平臺、數據導出功能和Web API支持等特性，操作簡單，一鍵啟動就能用，非常適合作為校園未來農場的物聯網平臺。

Domoticz是一個輕量級的家庭自動化控制系統，支持多種設備和MQTT協議。它具有安裝簡便、架構靈活、兼容性強的特點，安裝包僅需13.8MB的存儲空間，安裝后僅占用空間42.5MB。借助Domoticz，校園未來農場可實現對各類傳感器和設備的監控與控制。

以下是校園未來農場搭建中物聯軟件部署的關鍵步驟。

步驟1：搭建SIoT物聯網平臺。（SIoT下載地址：https://siot.readthedocs.io/zh-cn/latest/2.setup/01_download.html）

步驟2：搭建Domoticz自動化控制系統。（Domoticz下載地址：https://domoticz.cn/wiki/Windows）

步驟3：在Domoticz中添加硬件MQTT服務。在“設置”菜單中添加硬件MQTT服務——填寫相應的MQTT服務信息，屬性設置如表2所示。

表2 添加硬件MQTT服務

步驟4：在Domoticz中添加MQTT虛擬傳感器。在硬件添加面板中，添加一個名為“MQTT虛擬傳感器”的硬件設備，并選擇“Dummy（Does nothing，use for virtual switches only）”作為其類型。在創建虛擬傳感器后，根據需要添加土壤濕度傳感器和進水電磁閥等相應類型的傳感器（如下頁圖1）。

圖1 Domoticz系統設備列表

步驟5：智能終端傳感器數據采集與發布。開源硬件智能終端借助傳感器采集數據，并通過SIoT物聯網平臺的“siot/in”主題將數據發送至Domoticz系統，如圖2所示。

圖2 校園未來農場的數據實時監測原理

Domoticz系統中硬件設備接收消息的格式為“{ "idx" : 1, "nvalue" : 17 }”，其中idx代表Domoticz平臺上的設備編號，nvalue為傳感器數值。以土壤濕度為例，智能終端在采集土壤濕度數據后，發布信息的核心代碼，如圖3所示。

圖3 核心代碼

步驟6：智能終端執行模塊控制。通過點擊“燈泡”形狀的按鈕，發送進水電磁閥的“打開/關閉”指令。SIoT服務器的“siot/out”主題接收相應的進水電子閥狀態信息，如圖4所示。

圖4 校園未來農場的自動化精準澆灌和手動澆灌原理

Domoticz系統向SIoT平臺發出的控制指令信號格式如圖5所示。通過解析和判斷消息中鍵“nvalue”的值，實現對進水電磁閥的開關控制，值“1”表示“開”，值“0”表示“關”。核心代碼如下頁圖6所示。

圖5 SIoT平臺收到的控制指令

圖6 核心代碼

● 校園未來農場的教學應用

1.信息科技課程實驗活動

通過開源硬件和物聯網技術，校園未來農場中的種植環境數據采集、傳輸、存儲、呈現以及自動化精準澆灌，可以作為信息科技課程中有關“物聯網實踐與探索”方面的內容的實驗活動開展，如2023年浙教版《信息科技》八年級下冊第三單元。

2.勞動課程實踐活動

在校園未來農場中，教師可以根據當地的種植條件為實踐活動提供1～2種優良種植苗和種植工具，以便學生開展系列化種植、澆灌、收成等體驗實踐活動。學生可以通過校園未來農場的數據實時監測功能關注種植作物的生長情況，并且可以手動設置條件實現根據種植環境數據進行自動化精準澆灌，從而體驗先進農業種植技術和理念。

3.科學課程實驗活動

校園未來農場可以實現環境變量的精準控制，為科學課程的關于“探究環境因素對種子萌發的影響”實驗活動提供實時有效的數據監測和環境變量控制。

● 結論

校園未來農場符合中小學階段基于開源硬件的Python語言學習需求，展現了在勞動教育、信息科技等多學科交叉項目化學習中的巨大潛力，同時，也為中小學科學課程的實驗教學提供了強有力的支持。