农业物联网技术应用实践教学设计

　　摘要：实践是职业教育的灵魂和特色，高职农业物联网技术应用课程是农业设施装备类专业的核心课程，该课程的实践教学，面临涉及关键技术多、技术更新快、教材较少和实验平台稳定性不够等问题，本文结合笔者所在院校实际，对课程实验内容和实训设备的选择，进行了较详细的梳理。
　　关键词：设施农业与装备物联网实践教学
　　高职设施农业与装备专业，培养主要面向农业设施和环境测控领域、具有农业设施与装备相关智能设备的安装调试、故障处理、工程规划与实施、产品推广、技术服务技术技能的高素质技术技能型人才。智能农业时代已经到来，陕西铜川海升集团亚洲最大的草莓星球基地建设和北京通州京东的植物工厂投入运营，都在应用全球领先的农业物联网技术。
　　农业物联网技术应用课程是设施农业与装备专业的一门核心专业课程，也是新型农民培训项目的重要课程。教学内容主要有农业物联网技术发展、物联网技术三层结构、电子标签、RFID、传感器、网络数据传输、信息处理与控制等核心技术和设备的原理、硬件设备安装调试、网络设备连接配置、软件系统部署维护等。该课程的实践教学面临物联网关键技术多、技术更新快、教材较少和实验平台稳定性不足等问题，但又不能像农业物联网专业那样面面俱到、细细讲来。笔者所在学校的该课程的实验和实训，主要以物联网的感知、网络、应用三层结构为技术主线，精选关键技术实验，采用理实一体化的教学模式，最后以多个农业智能应用项目为载体进行综合实训，具体详述如下。一、专业基础实验和专业认知实训
　　农业设施与装备，主要给学生讲授电工电路，与设备控制有关的供电、开关、电磁阀、继电器等知识和技能。利用原有的电工电子实验室，计算机、计算机有线和无线组网、数据库和编程基础，在原来的计算机实验室完成，嵌入式技术则利用单片机实训室资源。专业认知实训则突出先进的智能化控制体验，主要通过组织学生参观校外实训基地，使学生概要了解校内的智能温室、水肥一体化设施、植物工厂等项目系统结构。二、农业物联网识别与感知和定位技术实训
　　物联网由感知层、网络层、应用层三层结构构成，关于物联网的实训主要是带学生感知识别层中的多种设备，如各类传感器、无线传感网模块等，并要求学生进行安装、设置和调试，这是实现物物互联的基础。主要在有线无线传感网实验室和射频识别技术实验室，完成传感器与控制实验、RFID技术实验和无线传感器网络技术实验。1。识别技术
　　通过新大洲物联网基础开发箱，让学生掌握各型电子标签的使用情况和基本工作原理，理解各频段RFID系统的适用范围，学会以电子标签信息识别读写实训，让学生掌握读取标签、理解网关的能力，学会辨识RS232串口并能读取标签信息。新大洲物联网基础开发箱，是全国职业技能大赛物联网技术比赛用平台，配置有ARM核心CPU，3G、WIFI、GPS、蓝牙、Zigbee、RFID等接口，采用Android系统。也可配合食品溯源系统、二维码在线签到系统的部署和使用，硬件可选用条码扫描枪、各型电子标签、天线、超高频RFID读写器、高频读卡器等。2。传感器技术
　　感知技术主要是解决信号采集、转换、分析信息的获取，为最终的行业应用提供信息与数据。它包括多方面的信息获取技术，如各型传感器、RS485RS232接口等，强调基础性和启蒙性实训。对传感技术的教学，主要是使学生掌握各种基本传感器的组成结构、工作原理以及信号处理电路的原理，同时通过电路的搭接、信号的检测和数据的处理，充分发挥学生的设计思维，提高实践动手能力。
　　传感器可选用：农业气象信息传感技术，如温湿度、CO2、光照、风力、雨量传感器；机械装备类传感器，如霍尔测速传感器、压力传感器等；动植物生理信息检测传感器，如叶绿素a传感器、植物茎流传感器。设置适当地控制目标，通过实际操作掌握其基本原理、性能和使用方法。3。农业定位导航跟踪技术
　　物节点的位置是反映网络状态的重要信息，现有的农业定位导航跟踪技术主要有农产品物流过程跟踪技术、田间变量信息定位采集技术、农业机械田间作业自主导航技术等，这些技术都需要自动定位服务。定位技术主要有GPS定位、无线通讯定位、传感网定位。通过实训，要让学生熟悉GPS静态相对定位原理及GPS接收机的使用方法，学会GPS数据处理软件的简单使用。三、网络层技术实训
　　网络传输层负责把由前端感知设备获得的信息实时、准确上传到互联网。无线网络传输一般采用Zigbee、WiFi和蓝牙技术，网络层的重点和难点是无线传感网Zigbee的组网与使用，目的是让学生了解与掌握无线传感网的原理、组成和设备使用，能够完成设备网络的搭建、布线，无线路由器的设定配置，并对Zigbee、串口服务器、网络摄像机、移动互联终端、智能网关等各类接入到网络的终端设备进行网络配置。
　　首先根据学校的实际情况，逐一对如下几个典型的农业物联网项目进行认知学习和结构分析，在此基础上，给定实训材料，进行农业物联网应用项目的设计、硬件建设和网络配置实训。实训项目和设备如下。
　　一是Zigbee、WiFi无线传感器组网技术。包括实训设备可采用北京奥尔斯智能农业沙盘系统，物联网工具箱及耗材包。
　　二是计算机局域网搭建和互联网接入。包括有线和无线网卡、移动终端、通讯类的串口服务器、路由器、网络继电器、网络摄像头。
　　三是农业移动通信。包括服务器的部署、网络电信物流卡、无线网卡、WiFi。
　　四是云计算技术。包括云服务器、云端的使用。四、应用层技术实训
　　在物联网三层体系结构中，最后一层是应用层，主要完成经网络传输层上传到云端数据的接收、过滤与存储，然后结合行业应用进行控制与管理。主要涉及嵌入式技术、數据库、高级语言程序设计、移动应用开发等方面的软件开发和安装知识。这部分内容多且难度较大，应该属初级体验，软件开发仅做功能简单的系统，主要让学生了解开发工具和开发过程，使学生能根据需求对设备控制的关键源码进行个性化修改，加深理解农业物联网应用软件的部署方法。
　　该实训可以用智能温室控制系统开发作为实训项目，使学生了解传感器数据接口和对执行器控制原理，并解读程序源码。在此基础上，开发出独立的但功能简单的温室控制PC端应用程序。简单APP的开发，也仅是通过有趣的、功能简单的APP软件开发和部署来了解原理。五、农业智能控制综合实训
　　农业智能控制综合实训是在本课程结束后进行的另一个实训环节，主要通过多个完整的农业物联网技术应用项目进行再学习和重构设计改造，对不同的应用项目做归纳总结、做差异性对比，从而使学生获知农业物联网的通用技术和一般结构，掌握各种技术核心、异同和劣质，从而熟练和深化所学内容，达到融会贯通、灵活运用的目的。
　　实训参考农业物联网项目建设流程进行，按照工程设计环境安装部署感知层设备配置调试组网应用开发与调试的顺序对项目进行重建和改造，对学生进行传感器选用、识别设备、无线传感网、智能网关等物联网设备进行安装、配置、软硬件故障诊断等方面的综合训练，从而使学生达到对农业智能控制理论或体系结构达到融会贯通、能创新应用的目的。实训项目如下。
　　一是食品溯源系统。溯源系统以RFID、条码技术的应用为基础。实训重在系统结构的再认知。主要是网络环境的搭建、服务器安装与调试、电子标签制作与识读、数据库管理与应用、PDA安装与调试和APP应用。
　　二是智能水肥一体喷灌系统。该系统采集墒情、天气和土壤环境和养分含量等数据，根据不同作物的需肥特点，用远程控制、手动灌溉等多种模式实施精确灌溉。难点是Zigbee无线组网技术、嵌入式开发。特点是云平台的运用，水肥一体机压力系统等设备的使用。
　　三是智能温室控制。通过传感器获取植物温室的光照、湿度、温度等环境因子，从而对通风降温、遮阳保温、灌溉等设备实施远程智能监控。特点是WEB服务器软件开发和部署、手机APP开发和温室设备的使用和维护。
　　四是拖拉机农机系统（北京奥尔斯科技股份有限公司）。配备有约翰迪尔404拖拉机、对靶喷雾机、播种机、深松机、PC控制箱、GPS系统等。主要掌握喷雾控制箱、喷头、电磁阀、超声波传感器、深松控制器、摄像头、GNSS接收器、基于北斗定位的双天线定位测深法系统、辅助导航、自动驾驶、智能打药等设备和技术的应用。
　　五是植物工厂智控系统。主要有制冷控制、加热控制、新风控制、照明控制、CO2浓度控制、多功能报警、超温保护。参考文献：
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