SFarm開(kāi)源智慧農(nóng)場(chǎng)：一個(gè)真實(shí)的 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)踐場(chǎng)

謝作如 夏青 鄭祥

智慧農(nóng)場(chǎng)項(xiàng)目是玩轉(zhuǎn)物聯(lián)網(wǎng)的過(guò)程中值得全國(guó)普及的一個(gè)公共項(xiàng)目，謝作如老師找到了一個(gè)喜聞樂(lè)見(jiàn)的“花花草草”的應(yīng)用場(chǎng)景，并且提供了相應(yīng)的“教育公共品”資源，借助這些資源，不同的教師可以從場(chǎng)景的使用者和二次開(kāi)發(fā)者的角度開(kāi)展不同層次的教學(xué)——柔軟地改變教育。

● 背景

物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越成熟，并逐步成為中小學(xué)信息技術(shù)教材中的重要學(xué)習(xí)內(nèi)容。但我們也發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在利用各種開(kāi)源硬件設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用時(shí)，往往停留在原型搭建的階段，如設(shè)計(jì)一個(gè)智慧停車場(chǎng)或者智能家居的模型，用傳感器感知外界的信息，用LED、舵機(jī)來(lái)演示對(duì)“物”的控制。而這些模型都僅僅稱為“創(chuàng)客作品”，類似于玩具，不能真實(shí)應(yīng)用于生活。

實(shí)際上，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在生活中已經(jīng)隨處可見(jiàn)，通過(guò)手機(jī)APP、語(yǔ)音都能夠非常方便地控制一些常見(jiàn)的家電。另外，支持物聯(lián)網(wǎng)的智能門(mén)鎖、電飯煲、電冰箱等家用電器也越來(lái)越普遍。我們有沒(méi)有辦法讓學(xué)生用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)一些真實(shí)的應(yīng)用，如做真實(shí)的智能門(mén)禁、真實(shí)的燈光控制、真實(shí)的智能澆花系統(tǒng)？從創(chuàng)客“作品”到創(chuàng)客“產(chǎn)品”的轉(zhuǎn)變，是創(chuàng)客教育發(fā)展的下一個(gè)階段。

2020年年底，溫州中學(xué)的謝作如老師和福建連江五中的盧華軍老師發(fā)起提議：基于現(xiàn)有的技術(shù)和開(kāi)源硬件，設(shè)計(jì)一套低成本的、可以部署在學(xué)校或者家庭的智慧農(nóng)場(chǎng)系統(tǒng)，讓師生體驗(yàn)用技術(shù)去解決真實(shí)問(wèn)題的過(guò)程。有了這套平臺(tái)，可以將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在校園真實(shí)落地，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉、智能灌溉、植物生長(zhǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等功能，讓學(xué)生深刻體會(huì)在校園中學(xué)到的技術(shù)是“真實(shí)”的、“有用”的，能夠解決生活中的“痛點(diǎn)”。

我們都認(rèn)為這是一個(gè)很不錯(cuò)的建議，因?yàn)樵诤芏鄬W(xué)校都會(huì)有一塊小小的植物園供師生開(kāi)展科學(xué)研究或者勞動(dòng)教育，有些城鎮(zhèn)的學(xué)校甚至已經(jīng)利用樓頂空間搭建出各種“都市農(nóng)場(chǎng)”，開(kāi)展各種相關(guān)課程。開(kāi)源智慧農(nóng)場(chǎng)項(xiàng)目是在這些“都市農(nóng)場(chǎng)”的基礎(chǔ)上進(jìn)行部署，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字監(jiān)測(cè)和控制功能，讓傳統(tǒng)的農(nóng)場(chǎng)“智慧”起來(lái)。為此，我們給這個(gè)項(xiàng)目命名為“SFarm”，其中“S”既指校園，也包含智慧、科學(xué)、簡(jiǎn)易等意思。

● 項(xiàng)目設(shè)計(jì)的難點(diǎn)及解決方案

SFarm項(xiàng)目首先是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)智能感知、自動(dòng)澆灌等基本功能的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。既然定位在開(kāi)源，那它的核心硬件和電子模塊都應(yīng)該是創(chuàng)客空間中常見(jiàn)的器件，配套的灌溉設(shè)備也應(yīng)該是常見(jiàn)的生活消費(fèi)品。這一項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要靈活，可以由師生根據(jù)學(xué)校的具體情況進(jìn)行DIY。

自動(dòng)澆花或者智能灌溉，是一個(gè)非常經(jīng)典的創(chuàng)客主題，按理說(shuō)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一個(gè)智慧農(nóng)場(chǎng)項(xiàng)目是挺容易的。但經(jīng)過(guò)分析我們發(fā)現(xiàn)，一個(gè)項(xiàng)目要從作品升級(jí)為“產(chǎn)品”，能夠真實(shí)部署在生活中，其實(shí)并不容易。比如，開(kāi)源智慧農(nóng)場(chǎng)項(xiàng)目需要考慮并解決如下三大問(wèn)題：①如何設(shè)計(jì)布線和施工方案，降低系統(tǒng)的硬件搭建和軟件部署方面的技術(shù)門(mén)檻？②如何保障自主搭建的系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行，解決室外的防水、散熱和漏電等問(wèn)題？③如何在開(kāi)放編程接口的基礎(chǔ)上，保持穩(wěn)定運(yùn)行，執(zhí)行最基礎(chǔ)的自動(dòng)澆水功能？對(duì)于這些問(wèn)題，我們經(jīng)過(guò)多次討論，提出了如下解決方案。

1.采用分布式部署的設(shè)計(jì)理念

開(kāi)源智慧農(nóng)場(chǎng)和目前商用智能家居方案的最大區(qū)別在于，其既要關(guān)注系統(tǒng)的日常運(yùn)行，又要開(kāi)放編程接口，讓學(xué)生能夠參與到系統(tǒng)的每一個(gè)技術(shù)細(xì)節(jié)。因而，分布式接入成為最重要的設(shè)計(jì)理念，即：每一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)都是獨(dú)立的;所有的終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器建立相互之間的聯(lián)系，彼此地位都是平等的;無(wú)論是數(shù)據(jù)觀察還是設(shè)備管理，都要通過(guò)接入到物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，以發(fā)送或者訂閱消息的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，如下圖所示。

從圖中可以看出，SFarm項(xiàng)目主要分解為服務(wù)器和終端節(jié)點(diǎn)兩大類，采用分布式部署的設(shè)計(jì)理念，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都能以無(wú)線的方式接入智能終端節(jié)點(diǎn)。其中每一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)都具有完整的感知和控制功能，因而在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的部署位置，都需要提供水和電的接口。這樣的部署方式看似會(huì)造成功能冗余，其實(shí)靈活方便，擴(kuò)展性強(qiáng)，只要有Wi-Fi信號(hào)都能部署終端。

2.采用安全電源和防水盒

SFarm項(xiàng)目的安全問(wèn)題主要可分為人身安全、設(shè)備安全和網(wǎng)絡(luò)安全三個(gè)方面，其中人身安全是核心。SFarm項(xiàng)目所采用的開(kāi)源硬件，都是通過(guò)弱電來(lái)完成感知和控制，所有的供電均為低于36V安全電壓的直流低壓電。另外，我們選擇了防雨、防水的室外開(kāi)關(guān)電源來(lái)供電，同時(shí)具有直流12V和直流5V的電流輸出。12V電壓滿足大部分市售低壓用電設(shè)備的供電要求，如電磁閥、水泵等設(shè)備，5V電壓則滿足給Arduino、掌控板等開(kāi)源硬件供電的需求。

其次，SFarm項(xiàng)目必定會(huì)部署在室外場(chǎng)地，必須解決電路防水、設(shè)備防水等安全問(wèn)題。為避免雨雪天氣等環(huán)境因素的影響，整個(gè)系統(tǒng)需要安裝在防水箱中。為了讓師生能夠直接觀看系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備、體驗(yàn)交互，防水箱的外殼建議采用防水、防火、耐高溫、透明材質(zhì)，并做好外殼通線孔防水設(shè)計(jì)。設(shè)備安全問(wèn)題中的另一個(gè)難點(diǎn)就是電路線路防水問(wèn)題。因此在線路連接方面，盡量采用有效防水結(jié)構(gòu)的航空防水插頭進(jìn)行連接，確保線路連接的可靠和防水。

網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題雖然也很重要，但畢竟不是重點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，只要讓SFarm項(xiàng)目各個(gè)節(jié)點(diǎn)連接一個(gè)獨(dú)立的Wi-Fi信號(hào)，劃分為一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)段，就能確保安全運(yùn)行。開(kāi)源智慧農(nóng)場(chǎng)項(xiàng)目的校內(nèi)服務(wù)器選擇SIoT，避免了外網(wǎng)的黑客攻擊和木馬攻擊，因此在網(wǎng)絡(luò)安全方面也是較為可靠的。

3.設(shè)計(jì)接口規(guī)范和通信協(xié)議并提供穩(wěn)定固件

SFarm項(xiàng)目選擇MQTT為物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，我們定義了MQTT的各種技術(shù)細(xì)節(jié)。每一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)（智能終端）叫做“項(xiàng)目”，項(xiàng)目名稱為“sf”加局域網(wǎng)IP地址的尾號(hào);智能終端上的每一個(gè)傳感器和執(zhí)行器，叫做“設(shè)備”，設(shè)備名稱為農(nóng)場(chǎng)中常用的傳感器或者控制器名稱，如light（光照）、soil（土壤濕度）、relay（繼電器或者電磁閥）等。每一個(gè)設(shè)備得到一個(gè)唯一的TopicID，即“項(xiàng)目名/設(shè)備名”，如“sf88/light”表示名稱為“sf88”的項(xiàng)目上的光線傳感器模塊。SFarm還規(guī)定了智能終端上不同類型的模塊，分別連接的引腳、接線規(guī)范和TopicID定義如下表所示。

按照接口和協(xié)議的規(guī)范，我們提供了虛谷號(hào)、樹(shù)莓派、Arduino等常見(jiàn)開(kāi)源硬件的固件（代碼）。師生只要按照接口規(guī)范連接硬件，然后將燒錄運(yùn)行相應(yīng)的固件或者代碼，這套系統(tǒng)就能正常運(yùn)行。

● 項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程和反饋

SFarm項(xiàng)目從2021年1月開(kāi)始設(shè)計(jì)。方案定型后，福建連江五中的盧華軍老師率先在校園中實(shí)施部署。施工過(guò)程簡(jiǎn)述如下。

1.準(zhǔn)備工作

首先，校園中準(zhǔn)備部署物聯(lián)網(wǎng)終端（智能澆灌設(shè)備）的地方，都預(yù)留好水電接口。其中水管提供4分的內(nèi)牙接口，可接三角閥，電源則留防水插座即可。基于安全考慮，所有的水電都有獨(dú)立的帶漏電保護(hù)的電源開(kāi)關(guān)和三角閥。

2.搭建步驟

（1）配置服務(wù)器

SFarm推薦SIoT為物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。SIoT支持多種操作系統(tǒng)，可以運(yùn)行在Windows、Linux和MacOS等系統(tǒng)，幾乎任何一臺(tái)電腦都作為服務(wù)器。本項(xiàng)目則選擇了拿鐵熊貓作為服務(wù)器。

（2）配置智能終端

SFarm使用虛谷號(hào)作為物聯(lián)網(wǎng)終端控制器，配置Wi-Fi信息，并且上傳程序，配置為開(kāi)機(jī)啟動(dòng)。當(dāng)然，樹(shù)莓派、香蕉派或者掌控板都可以作為終端控制器提供穩(wěn)定的程序。

（3）連接硬件模塊

將擴(kuò)展板、光線傳感器、土壤濕度傳感器、繼電器、電磁閥等模塊按照規(guī)范連接在虛谷號(hào)上。其中光線傳感器接A0，土壤濕度傳感器接A1，繼電器模塊接D2。土壤濕度傳感器則要插到泥土里，露出頭部即可。

3.調(diào)試運(yùn)行

（1）系統(tǒng)測(cè)試

虛谷號(hào)上電后，觀察SIoT服務(wù)器的設(shè)備是否收到數(shù)據(jù)（設(shè)備名為“l(fā)ight”和“soil”），然后給“relay”設(shè)備（如“sf01/relay”）發(fā)送信息“1”，觀察繼電器模塊是否閉合。我們選擇的繼電器模塊上有LED指示燈，調(diào)試起來(lái)比較方便。

（2）電磁閥測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試正常后，電磁閥接上水管，然后打開(kāi)三角閥，再次測(cè)試。重點(diǎn)檢查連接處是否有漏水現(xiàn)象。然后給“繼電器”設(shè)備（如“sf88/relay”）發(fā)送信息“1”，觀察是否能夠正常出水。

本項(xiàng)目實(shí)施后，運(yùn)行狀態(tài)良好。所有的傳感器數(shù)據(jù)匯總到SIoT服務(wù)器，并實(shí)時(shí)存儲(chǔ);物聯(lián)網(wǎng)終端能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)“澆水”指令，也能在缺水的情況下自動(dòng)澆水。謝作如老師還使用Remi庫(kù)，寫(xiě)了一個(gè)基于Web的設(shè)備控制頁(yè)面，操作非常方便。具體過(guò)程請(qǐng)參考本刊2021年第4、5期本欄目文章。

● 項(xiàng)目的教育應(yīng)用

SFarm項(xiàng)目是一個(gè)穩(wěn)定、可靠、簡(jiǎn)單易用的物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目平臺(tái)，從智能感知到自動(dòng)控制，能夠演示典型的物聯(lián)網(wǎng)功能。它既是智慧校園中的一個(gè)重要組成部分，又是一個(gè)教學(xué)演示工具。除了用于物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)外，SFarm項(xiàng)目還可以結(jié)合其他教育理念，衍生出許多有趣的教育應(yīng)用。

1.結(jié)合STEM教育

STEM教育鼓勵(lì)多學(xué)科、跨學(xué)科的融合教學(xué)，旨在鼓勵(lì)學(xué)生綜合運(yùn)用各學(xué)科知識(shí)，如中小學(xué)科學(xué)課中涉及的植物生長(zhǎng)數(shù)據(jù)、環(huán)境溫濕度、水的質(zhì)量等探究活動(dòng)，都需要通過(guò)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)來(lái)進(jìn)行深入研究，讓學(xué)生直觀地感受課程的魅力和趣味。中小學(xué)數(shù)學(xué)課則更加關(guān)注數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、歸納等知識(shí)的應(yīng)用。中小學(xué)勞動(dòng)技術(shù)課程旨在注重學(xué)生的實(shí)踐操作，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的“做中學(xué)、玩中學(xué)”，在動(dòng)手實(shí)踐中學(xué)習(xí)新的知識(shí)技能形成新的知識(shí)聯(lián)結(jié)。SFarm項(xiàng)目則剛好能夠?qū)⒅行W(xué)各個(gè)學(xué)科的知識(shí)技能巧妙地結(jié)合在一起，成為一個(gè)重要的紐帶，將各種活動(dòng)聯(lián)接起來(lái)，實(shí)施STEM教育。尤其是SIoT收集的真實(shí)數(shù)據(jù)，可以用于各種數(shù)據(jù)探究活動(dòng)，驗(yàn)證各種猜想。

2.結(jié)合人工智能教育

傳統(tǒng)的人工智能課程往往忽視了人機(jī)交互，既不夠有趣，也不能解決真實(shí)的問(wèn)題。結(jié)合SFarm項(xiàng)目，很多人工智能的模式識(shí)別技術(shù)，就有了具體的實(shí)際意義，如學(xué)生可以利用語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，用語(yǔ)音控制SFarm項(xiàng)目中某個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的澆水，甚至可以應(yīng)用人臉識(shí)別技術(shù)，設(shè)置當(dāng)某個(gè)特定的人（如農(nóng)場(chǎng)管理員）出現(xiàn)并微笑時(shí)，就能自動(dòng)澆水。當(dāng)然，利用終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，結(jié)合特定的植物生活習(xí)性，然后進(jìn)行個(gè)性化的澆灌，不僅僅體現(xiàn)了人工智能，也涵蓋了很多學(xué)科的知識(shí)。

● 項(xiàng)目展望

SFarm項(xiàng)目是以“智慧農(nóng)場(chǎng)”為主題的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。一開(kāi)始，我們并沒(méi)有太多的想法，僅僅是覺(jué)得有必要讓開(kāi)源硬件和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合去真實(shí)解決一些生活問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一些接近于消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品的作品。當(dāng)方案設(shè)計(jì)出來(lái)并開(kāi)始應(yīng)用實(shí)施后，得到很多教育同行的反饋，并逐步有了更多的思考。

首先，SFarm項(xiàng)目是一個(gè)典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，以這一項(xiàng)目為模板，只要更換相應(yīng)的傳感器和執(zhí)行器，就能改造出其他的物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目。例如，將終端節(jié)點(diǎn)的傳感器換成氣象傳感器，如輻射、風(fēng)向、風(fēng)速等，這就成了一個(gè)氣象監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)校園內(nèi)的天氣情況、空氣溫濕度、空氣質(zhì)量、風(fēng)速風(fēng)向等數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)。又如，將終端節(jié)點(diǎn)的電磁閥換成門(mén)禁系統(tǒng)的電磁鎖，這就成了一個(gè)智能門(mén)禁系統(tǒng)。再如，終端節(jié)點(diǎn)的電磁閥換成門(mén)禁系統(tǒng)的道閘，加上一個(gè)攝像頭，就能做出一個(gè)智能停車系統(tǒng)。

其次，我們希望能夠設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)分享的機(jī)制，讓各地各校的農(nóng)場(chǎng)數(shù)據(jù)共享起來(lái)。借助這個(gè)數(shù)據(jù)分享平臺(tái)，不同地區(qū)的學(xué)生可以相互交流項(xiàng)目，了解不同地域的植物生長(zhǎng)，進(jìn)行長(zhǎng)期的異地交流學(xué)習(xí)，增長(zhǎng)學(xué)生的見(jiàn)識(shí)。那么，這一開(kāi)源項(xiàng)目就能夠通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，形成一個(gè)巨大的學(xué)習(xí)空間。將來(lái)，我們甚至可以想象，有的學(xué)校安裝智能機(jī)械臂進(jìn)行采收，部署無(wú)人機(jī)進(jìn)行巡視等科技勝景。那么，這個(gè)智慧農(nóng)場(chǎng)就真正成為一個(gè)學(xué)生用來(lái)實(shí)踐各種新技術(shù)的場(chǎng)所。

● 結(jié)語(yǔ)

目前，Sfarm項(xiàng)目已經(jīng)在Github和Gitee上開(kāi)源，智能終端的代碼也提供了掌控板和虛谷號(hào)兩種。通過(guò)這個(gè)項(xiàng)目的成功設(shè)計(jì)和運(yùn)維，我們都覺(jué)得頗有收獲，尤其是用事實(shí)證明了創(chuàng)客空間中的各種技術(shù)，是能夠真正用來(lái)改造生活的。正如吳俊杰和謝作如兩位老師所說(shuō)：“消費(fèi)者有能力用電腦設(shè)計(jì)自己想要的產(chǎn)品，用個(gè)性化的制造工具把物品制造出來(lái)反復(fù)測(cè)試達(dá)到優(yōu)化，免費(fèi)分享到網(wǎng)絡(luò)上開(kāi)源供他人修改，通過(guò)連續(xù)的創(chuàng)新打造個(gè)人的生活圈子來(lái)回饋個(gè)性化的生產(chǎn)和生活。”

我們期望通過(guò)開(kāi)源的方式，吸引更多的學(xué)校參與到開(kāi)源智慧農(nóng)場(chǎng)項(xiàng)目的建設(shè)中來(lái)。創(chuàng)客空間中的各種工具和器材，是能夠創(chuàng)造萬(wàn)物的，不是用來(lái)參觀的。在創(chuàng)客教師的帶領(lǐng)下，每一個(gè)學(xué)生都能用造物的方式改變生活，讓這個(gè)世界更加美好。