基于項目的大學生創新創業訓練項目實踐

裴天鵬　王欣　田航　譚詠麟　王佩芳　周欣欣

摘? ?要：為培養學生動手實踐能力，促進大學生創新創業能力提升，設計了一種基于物聯網的智能節水灌溉系統。該設計基于物聯網技術，以單片機作為控制器，通過分析傳感器采集溫度濕度及光照度等環境數據，制定最優的灌溉方案，實現智能灌溉，更好地節省水利資源，便捷灌溉操作。通過創新創業設計，能夠培養學生系統的設計理念，提高學生的科研思維及創新能力。

關鍵詞：物聯網;農業;單片機;創新

近年來，我國普通高校畢業生數量逐年大幅度的增長，就業形勢嚴峻。在《中國制造2025》綱要的要求下，普通高等院校開展創新創業設計，對于開發大學生的創造性思維，提高實踐能力和綜合素質，促使大學生參與社會競爭，具有很強的現實意義。

隨著我國水資源貧乏情況日益嚴峻，中國政府相繼發布了多個節水灌溉規劃。其中，2015年5月農業部印發的《全國農業可持續發展規劃（2015—2030）》中要求“到2020年和2030年農田灌溉水有效利用系數分別達到0.55和0.60以上”。但我國仍有1/2左右的耕地面積仍采用原始的利用水渠的方式進行灌溉。據相關部門調查顯示，我國灌溉水有效利用系數基本在0.30，灌溉過程中滲漏和蒸發程度較高，水資源浪費情況嚴重[1-2]。

根據我國灌溉現狀以及上述政策要求，設計一種基于物聯網的智能節水灌溉系統，不僅能夠彌補現有灌溉系統的不足，還能夠實現全面建設節約型社會的目的，有利于現代化農業的建設。

1? ? 系統總體設計

本系統由多種環境傳感器、控制器、電磁閥以及窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）結點組成。設計和實現主要是基于NB-IoT通信技術[3-4]，利用終端節點將現場傳感器采集的數據通過NB-IoT通信上傳到服務器上，服務器對其接收的數據執行計算、存儲和其他處理，然后將處理結果發送到終端節點執行，來打開或者關閉電磁閥，從而實現智能灌溉操作。

本系統可根據現場需求每隔一段適當的距離布置相應的電磁閥和傳感器，然后再通過NB-IoT終端節點對分布在現場的各個傳感器的參數及開關量模塊的狀態信息進行采集與處理，然后通過NB-IoT通信模塊將信息通過以太網傳給服務器，服務器對這些信息進行處理與儲存，并選擇相應的灌溉方案，用戶也可以通過手機端對服務器上的信息進行實時監測，也可手動對現場的控制量進行相關的操作。

2? ? 系統硬件設計

本系統的硬件結構主要包括各種相應的傳感器、控制器、電磁閥以及NB-IoT結點。

2.1? 傳感器

農田的相關物理數據是進行農業智能節水灌溉的重要依據，數據的收集以使用各種類型的傳感器為主要方式。各個灌溉區的環境傳感器采集每個時間段的環境數據后，將相應的數據匯總到NB-IoT結點，然后以電信號的形式傳送給控制器。

2.2? 控制器

控制器是實現基于物聯網智能控制的最重要的硬件之一。本系統使用STC89C52單片機作為控制器。單片機在接收到電信號后，將電信號轉化為數字信號，并在液晶屏上顯示出來，同時，經過運算和對比給出當前環境數據與規定值的差距，然后存儲當天的測量和對比數據。最后把所得數據傳輸到集中器上，整理后經由服務器發送給用戶手機客戶端。

2.3? 電磁閥

電磁閥安裝于各個灌溉區的控制系統中，用戶在通過手機客戶端看到農田實時情況后作出決定，然后通過服務器和集中器將指令發送給單片機，最后單片機把數字信號轉化為電信號控制電磁閥開啟或者關閉。

2.4? NB-IoT結點

各個灌溉區都設有一個NB-IoT結點，各結點之間通過物聯網互相連接，在網絡平臺上展示各自灌溉區的環境情況以及用戶的灌溉經驗。

3? ? 系統軟件設計

本系統設計了設置控制量初值、灌溉日志管理、灌溉規劃管理、預警控制管理、經驗交流平臺等功能。用戶可以通過手機端對服務器上的信息進行實時監測，也可手動對現場的控制量進行相關的操作。

系統控制量默認初值設置如下：濕度初值含水質量分數設置為17%，并且在15.5%～18.5%時不予變化。溫度初始值設置為25 ℃。具體控制參數可由用戶按照農田的具體情況隨時進行更改。

系統每天都會自動整理生成一篇日志，日志詳細說明今日的灌溉量、溫度、濕度等詳細參數，并以每周、每月、每季度、每年為單位列出柱狀圖，使之更直觀地向用戶顯示農田的具體狀況。

根據相應的日志文件，本系統能夠智能設置每日灌溉水量的默認值。用戶也可以進行查看并根據實際情況進行修改，或者自行設置農田的灌溉規劃進行每日的灌溉工作，以便用戶提前做好儲水蓄水等灌溉前的相關準備。在不同區域的農田里的各種環境傳感器，定時向服務器實時發送采集到的數據，服務器根據模糊控制算法對數據進行處理，并將采集到環境參數以文本和圖像等形式進行顯示，并將實時的數據在網上公布。用戶可以在服務器上隨時觀察農田成長情況和歷史灌溉數據等，從而判斷是否需要進行合適的人為干預控制系統。

當溫度、濕度或因自然情況發生系統無法調節的狀況（如大暴雨、龍卷風、旱災等）時，系統檢測出異常情況后立即發送強提醒，提示用戶出現了異常情況并需要立即進行相應的處理。

此外，本系統設計了經驗交流平臺。用戶不僅能在服務器上看見自己農田的情況，也能在經驗交流平臺上了解到其他用戶農田環境和農作物生長情況。在遇到解決不了的問題時，也可以向其他用戶求助。

4? ? 結語

介紹了一種具有數據采集、數據處理、自動控制以及終端監測和控制等功能的智能節水灌溉系統。其設計和實現主要是基于NB-IoT通信技術，處理環境傳感器采集的相關數據，并通過控制器控制電磁閥的開關，從而實現智能灌溉操作。該設計積極響應國家政策要求，彌補了我國現有灌溉技術的不足，提高了灌溉水的利用率，有利于現代化農業的建設，對我國農業發展起到幫助作用。同時，該設計也積極響應國家創新創業項目的綜合訓練的號召，在鍛煉學生的創新意識和提高學生動手操作能力方面有極大的幫助，有助于高校開展創新教育。

[參考文獻]

[1]張瑩婷.《中國制造2025》解讀之：中國制造2025，我國制造強國建設的宏偉藍圖[J].工業爐，2019，41（2）：48.

[2]葉素豐.全國農業可持續發展規劃[J].中國農業信息，2016（23）：26-33，42.

[3]趙? ?星.窄帶物聯網下的應用與發展趨勢[J].電子技術與軟件工程，2019（7）：9.

[4]華晶晶，戴? ?超，張? ?炎，等.窄帶物聯網（NB-IoT）技術開發及應用研究[J].農村經濟與科技，2019（6）：277-278.

Practice of innovation and entrepreneurship training project

for college students based on project

Pei Tianpeng， Wang Xin， Tian Hang， Tan Yonglin， Wang Peifang， Zhou Xinxin

（School of Computer Science， Northeast Electric Power University， Jilin 132012， China）

Abstract： In order to cultivate students’ practical ability and promote their innovative and entrepreneurial ability， an intelligent water-saving irrigation system based on Internet of Things is designed. The design is based on Internet of Things technology， using single chip microcomputer as controller， by analyzing the environmental data such as temperature and humidity and illuminance collected by the sensor， the optimal irrigation scheme is worked out， the intelligent irrigation is realized， the water conservancy resources are saved better and the irrigation operation is convenient. Through innovative entrepreneurial design， students can cultivate the design concept of the system and improve students’ scientific research thinking and innovative ability.

Key words： Internet of Things; agriculture; single-chip computer; innovation