基于虛擬仿真平臺的智慧農業系統的信息化實訓教學

李 雪

（成都農業科技職業學院，四川 成都611130）

開設實訓教學是高職教育培養高素質的技能型人才的重要方法，鍛煉學生的動手能力，變被動為主動的學習模式。隨著信息時代的來臨，傳統的教學模式也發生了改變。利用信息化教學手段，老師可以解決示范效果差，學生記不住、重復性差，因此造成學生學習效果不理想。利用互聯網、多媒體、虛擬仿真、手機APP等信息化手段推動有效教學，使知識更加生動和高效。該實訓需要完成三個任務：通過智慧農業沙盤體驗和VR農業大棚考察完成智慧農業系統規劃與設計；在虛擬仿真平臺進行智慧農業系統仿真，調試和模擬；將仿真完成的系統設計移植到真實的環境中進行系統集成，并對真實系統進行軟硬件聯調、排故和實現，由虛到實，逐層遞進。

1 虛擬仿真

物聯網虛擬仿真平臺通過實驗臺中硬件設備的接口和原理從而模擬出功能一樣的虛擬設備。學生根據自己的設計來選出所需設備，這樣的好處是避免了在真實環境中設備的混亂、布線的麻煩、真實設備一些不穩定的因素以及設備的不足。

虛擬平臺中還包含了無線傳感網中的設備，如傳感器、協調器、繼電器以及其它設備等。可利用ZigBee進行自主網絡，在網關或協調器上讀取數據信息。例如要建立一個農業物聯網系統，需要采集空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度，CO2濃度，還有監測周圍是否有可燃氣體煙霧等數據，就需要添加進溫濕度傳感器，土壤溫濕度傳感器，光照傳感器，CO2傳感器，煙霧傳感器等，在虛擬仿真中，由于無法真實感知外界的環境，因此需要添加相應的模擬器來模擬外界的環境，使傳感器能采集到數據。將溫濕度模擬器、土壤溫濕度模擬器、光照強度、CO2濃度、可燃煙霧氣體等模擬器添加進實驗臺里并連接好相應的傳感器。為了要控制農業設備，我們還需添加繼電器，以及被繼電器控制的噴灌、風扇和燈光設備。這些設備都是通過12V的電源進行供電。繼電器控制設備的電源，因此我們將電源通過繼電器連接設備。將噴灌和電源分別連接繼電器的回路1、風扇和電源接在回路2，燈光和電源接在回路3上。除此以外，我們還需要協調器進行系統的自主網。我們將協調器通過串口連接在電腦上，打開智慧農業終端，虛擬一個串口號COM101，打開串口，開始監聽，數據就采集并顯示到智慧農業終端上了。可以看到有空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、CO2濃度、煙霧狀態等。設置光照強度小于閾值時，燈光是開的，否則是關。同理，空氣溫濕度數值大于閾值時，風扇才會轉動。土壤的濕度大于閾值時，噴灌關；小于閾值噴灌開，可測試一下。測試結果和設計的想法是相同的。同學們可以通過在虛擬仿真平臺多次設計模擬來確定智慧農業系統方案。圖1則是虛擬仿真平臺上進行設計。

2 真實智慧農業系統

實訓圍繞智慧農業系統的設計與集成而展開，比如在虛擬仿真平臺上實現智慧農業系統，獲取智慧農業系統需要的空氣溫濕度，光照強度，CO2濃度，土壤溫濕度等數據，和自動控制農業設施的運轉狀態。可通過在虛擬仿真平臺多次設計模擬來確定智慧農業系統方案。并且按照之前設計的方案，實物按照設計圖來安裝。圖2則為真實設備安裝連接圖。

圖1 虛擬仿真設計圖

圖2 智慧農業系統

3 虛實結合

若要實現真實環境的系統集成，則在真實場景中添加溫濕度傳感器，土壤溫濕度傳感器，光照傳感器，CO2傳感器等，還有繼電器，以及被繼電器控制的噴灌、風扇和燈光設備。繼電器、傳感器和協調器可以自行組網。打開智慧農業系統終端，通過串口可以看到空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、CO2濃度、煙霧狀態等數據。并且可以控制農業設備如風扇、噴灌、水簾等設備。當土壤溫度過高時，可以打開噴灌進行土壤溫度降溫，補充土壤水分。當空氣濕度過低時，可打開水簾增加空氣濕度。

圖3 真實場景中工作的噴灌

4 信息化手段的教學應用

教學實訓對象為物聯網應用技術專業大二第三學期的學生，他們能進行基本模塊的簡單操作，但缺乏系統分析的能力；有基本排故能力，但系統綜合排故能力差。針對學生情況，我們對課前、課中、課后分別使用信息技術手段和多元化的教學方法解決學生怕學、厭學等問題。我們將整個教學過程分為多個子任務，采用多種信息化手段和多元化的教學方法，通過線上線下混合教學模式有針對性地開展教學活動。采用多種信息化手段和多元化的教學方法，利用智慧農業沙盤進行初步認識，通過3D的VR技術進行智能農業大棚的體驗，引導學生從客觀認知到體驗識知再到自主設計，解決系統規劃設計難的問題。

根據設計選擇相應的農業設備設施后，再進行設備的安裝。按照工位圖來進行分區和排列，在此過程中可觀看安全操作示范微課進行操作。在軟硬件聯調的過程中，需要將協調器、繼電器和傳感器進行ZigBee無線組網，數據通過連接協調器的串口通信顯示到智慧農業系統終端上，同時終端智能控制農業設備的運轉狀態。教師指導協助，學生分組操作，整個實訓操作嚴格按照6S管理要求執行。通過這種虛實結合、分類分層的策略解決調試難和排故難。

5 教學效果

依托信息技術手段和虛擬仿真平臺，提高了學習效率。通過微課示范化解操作難點。智慧農業沙盤和VR智能農業大棚的體驗讓實訓教學“進得去、看得見、摸得著、能再現”。虛擬仿真平臺也強化學生的直觀感受，減少了對電子元器件的損耗，使學習變得生動、有趣。體現學生課堂主體地位，增強學生自信心。

教學設計的創新之處為信息化手段化解了實訓中的重難點。利用虛擬仿真平臺進行虛實結合，教學目標達成度高。通過實際系統體驗+VR技術考察農業大棚作為案例引導，解決當下學生不學、怕學和厭學的問題。實訓過程采用6S管理，具備規范化操作的工匠精神和綠色環保意識。

5 結語

通過在虛擬仿真平臺進行系統的設計、設備的選型以及系統的調試，再利用真實設備實現系統功能，通過虛實結合大大減少了電子器件的損耗，降低了時間成本，提高了效率，保證了學生的安全。采用多種信息化手段進行教學模式的改變，豐富了教學資源，提高了教學效果，提升了人才培養質量。