基于物聯網技術的教學用智慧農業沙盤的設計*

張興達

（山東商務職業學院 信息工程學院，山東 煙臺 264000）

1 研究現狀及意義

我國自古以來就是農業大國，但是體量、規模不代表質量、內涵。與部分發達國家相比，我國農業發展現代化水平相對較低，仍然以傳統的耕種模式加少量機械輔助為主?；诋斍鞍l展現狀，農業現代化的關鍵是農業科技現代化。要加強農業與科技融合，加強農業科技創新。因此，大力發展高自動化、信息化、現代化的智慧型農業勢在必行。近年來，物聯網技術作為實現行業領域信息現代化的有效工具被人們越來越多地提及和使用。在智慧農業的發展過程中，物聯網技術同樣有用武之地。

任何一個行業的現代化發展都離不開人才的支撐。當下，各高校廣泛開設了物聯網技術相關專業。但在物聯網技術教學中的智慧農業應用領域，限于發展規模及教學成本，大部分院校專業僅以理論教學為主，輔以電腦模擬軟件和簡易開發板或實驗箱，而相關項目化教學、實踐教學開展受限，學生實踐動手能力的提升受到極大地制約。基于以上困擾，沙盤作為一種傳統的模型展示工具，煥發了新的生機。最初，沙盤多用于軍事地形模擬，后多用于建筑、工業、生活、金融等領域的模型展示?，F在，在教學領域，沙盤充分發揮出了其規模小、仿真度高、集成度高、研制可行性高的優點，為項目化教學、實踐練習提供了優質的平臺。

當前市場上，科大訊飛、北京啟航科技、新大陸等物聯網相關企業有部分智慧農業沙盤產品在售，但是價格相對較高，并且產品主要用于參觀展示，不適用于一線教學。本文擬充分結合物聯網相關專業課程授課需求，研究制作成本低、針對性強、技術先進的教學用智慧農業沙盤，實現對沙盤模擬農業環境中的溫度、濕度、光照強度、煙霧濃度等信息進行實時采集、處理、控制等功能。

2 總體設計方案

基于物聯網技術的教學用智慧農業沙盤整體上分為智慧農業系統設計、沙盤搭建、配套教學資源設計三部分。其中智慧農業系統的設計部分是核心。智慧農業系統從功能上主要分為三層，分別是用于收集環境信息的感知層，用于信息傳遞的傳輸層，用于信息分析、處理及應用的應用層。其中感知層主要包含多個、多類型傳感器模塊，用于收集、轉換沙盤模擬的農業環境中的溫度、濕度、光照強度、煙霧濃度數據信息；實時的數據信息通過傳輸層處理、轉換，以有線或無線的形式傳輸到應用層數據處理中心以及相關數據存儲單元；應用層通過對獲取的實時環境數據進行計算、分析，得出當前農業環境運行狀態，并給出相應的控制指令。智慧農業系統從結構上又可以分為硬件部分設計和軟件部分設計。硬件部分主要包含協調器模塊和用于各類數據采集的傳感器模塊；軟件部分基于Z-Stack 協議棧，對應各硬件模塊進行信息處理[1-2]。

3 硬件設計

3.1 協調器模塊

基于教學需要，智慧農業系統選用TICC2530F256微處理器作為核心，并通過接口轉換器與PC 進行串口通信。核心芯片電路、電源、天線、串口轉換等關鍵電路及實物圖如圖1～圖5所示[1，3]。

圖1 核心芯片

圖2 串口電路

圖3 電源電路

圖4 天線電路

圖5 核心底板實物圖

需要說明的是，圖2 中，PL2303 是一種RS232-USB接口轉換器。CC2530 的USART0 的發送引腳USART0_TX(P0.3)和接收引腳USART0_RX(P0.2)分別連接到開發板上PL2303 的接收引腳RXD 和發送引腳TXD。開發板再通過方口USB 數據連接線連接到PC 機，這樣CC2530 和PC 機之間就能夠進行串口通信。

3.2 數據采集模塊

3.2.1 溫度采集模塊

選用DS18B20 作為沙盤模擬環境的溫度采集傳感器。DS18B20作為一款常見的數字型溫度傳感器，以其體積小、成本低、抗干擾能力強、精度高等特點，備受青睞。相關電路設計及實物圖如圖6、圖7所示。

圖6 溫度采集電路圖

圖7 溫度采集實物圖

DS18B20 工作電路較為簡單，VCC 和GND 端口分別連接3.3 V 電源和接地端，通過DQ 端口一根線即可實現傳感器與處理器之間的雙向通信。封裝好的傳感器內部配置有存儲器、寄存器、64 位光刻ROM 內部寄生電源等器件，溫度測量范圍約為-55～+125 ℃。

3.2.2 濕度采集模塊

選用DHT11 溫濕度傳感器作為濕度信息采集元件。DHT11 溫濕度傳感器可靠性高、穩定性持久、抗干擾能力強、性價比高、市場應用廣泛，適合用于本教學沙盤的設計。相關電路及實物圖如圖8、圖9所示。

DHT11 工作電路也較為簡單，VCC 及GND 分別接3.3 V 電源和接地端，NC 端口懸空，DQ 實現單總線，串行通信，接合適大小的上拉電阻。濕度測量范圍約為20%～90%RH，精度±5% RH。

圖8 濕度采集電路圖

圖9 濕度采集實物圖

3.2.3 光照強度采集模塊

選用LXD5516作為環境光強度傳感器。該型號光強傳感器測量范圍寬、線形度好、信號穩定、精度高、防水性能好，適用于本項目。相關電路及實物圖如圖10、圖11所示。

圖10 光強采集電路圖

圖11 光強采集實物圖

圖8中，LM393 是一個比較器，其中，第2 個引腳IN1-設置光敏傳感器的光敏感度，第3 個引腳IN1+采集檢測到的光強度，第1 個引腳OUT1 是LM393 的輸出引腳，它連接到處理器的P2.0 引腳。當光強不夠時，R2 的阻值較大，IN1+的電位高于IN1-的電位，OUT1輸出高電平，發光二極管D1亮；當光強足夠時，R2的阻值較小，IN1+的電位低于IN1-的電位，OUT1 輸出低電平，發光二極管D1 滅。通過檢測P2.0引腳的輸入電平的狀態，即可判斷光照強度。

3.2.4 煙霧濃度采集模塊

選用MQ-2 煙霧傳感器作為煙霧信息采集元件。該傳感器靈敏度高、使用壽命長、成本低，適用于本項目。相關電路及實物圖如圖12、圖13所示。

圖12 煙霧采集電路圖

圖13 煙霧采集實物圖

圖10中，LM393 是一個比較器，工作原理與光照采集電路類似。當煙霧濃度不夠大時，IN1+的電位低于IN1-的電位，OUT1輸出低電平，發光二極管D1不亮；當煙霧濃度足夠大時，IN1+的電位高于IN1-的電位，OUT1 輸出高電平，發光二極管D1 亮。處理器P2.0 引腳的輸入電平的狀態，即可反映煙霧濃度。

4 軟件設計

選用IAR 集成開發環境進行軟件開發及調試，依托Z-Stack協議棧進行相應設計[1，4，5]。

4.1 協調器模塊

如圖14 所示，首先要完成自身硬件以及協議棧的初始化，然后組建網絡，加入個模塊，由于智慧農業系統的運行周期較長，因此在不必要時，要在低功耗模式下工作，有數據輸入時，再進行相應處理。以串口通信部分為例，調試界面如圖15所示。

圖14 協調器模塊流程圖

圖15 串口通信調試界面

4.2 數據采集模塊

如圖16 所示，數據采集各模塊工作流程類似。在完成硬件和協議棧初始化之后，加入協調器網絡，并啟動定時功能，在低功耗模式下，當定時到達時，進行數據采集和輸送。以溫度采集模塊為例，調試界面如圖17所示。

圖16 協調器模塊流程圖

圖17 溫度采集調試界面

5 沙盤布局設計

沙盤整體模擬場景參照農業大棚，基于實際需求布置各數據采集模塊及處理單元，需要重點注意各元器件及線路的防水防潮，并預留進一步拓展的功能接口。示意圖如圖18所示。

圖18 沙盤布局示意圖

6 配套教學資源設計

作為教學用沙盤，配套教學資源必不可少。基于實際需求，本設計進行了教學資源建設，主要分為線上教學資源和線下教學資源。線上教學資源以微課為主，依托優慕課平臺進行發布，并在沙盤各模塊上配置教學資源二維碼，方便學生隨時觀看學習；線下資源主要是詳盡的安全、操作實訓手冊及相應教學設計[6]。

7 結語

以物聯網技術為核心，設計構建了無線傳感器網絡，完成了相關軟硬件的設計。通過軟件模擬及初步的硬件調試，設計出的智慧農業沙盤系統能夠穩定地運行?；诒驹O計為教學服務的特性，下一步將完善設備構架，進一步建設教學資源，在教學一線進行試用，進而全面推廣。