基于Arduino 的物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)教具設(shè)計

黃駟基，李海生，鄭薇，方瑩，歐城輝，覃德浩，覃頌

（廣西民族師范學(xué)院 數(shù)理與電子信息工程學(xué)院，廣西崇左，532200）

0 引言

根據(jù)2018 年教育部頒布的《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計劃》提出在中小學(xué)普及人工智能教育，以及2020年3月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于全面加強新時代大中小學(xué)勞動教育的意見》確定，勞動教育將是中國國民教育系統(tǒng)的重點教學(xué)內(nèi)容。近年來，由于中國高新技術(shù)的蓬勃發(fā)展，在人工智能領(lǐng)域也成長得很快，但面對中小學(xué)的計算機教學(xué)仍不普及，且中小學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)知識教具的匱乏，同時，隨著我國耕地日益減少，中小學(xué)也無法深入體驗糧食作物的栽培過程，因此勞動教學(xué)的成效也不佳。而面對上述情況，為了推廣中小學(xué)的計算機教學(xué)和提升中小學(xué)的勞動教學(xué)效率，本設(shè)計研究出基于Arduino 的物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)教具，把編程和農(nóng)業(yè)集于一體進行教學(xué)，圖形化編程降低了中小學(xué)生學(xué)習(xí)編程的難度，采用這種方式更具有趣味性，從而調(diào)動了中小學(xué)生的積極性。此外，還可以對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)勞作具有一定的認知，了解智慧農(nóng)業(yè)對提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營效率的作用，在搭建的過程中，可以認識各種硬件器材，拓展眼界，實現(xiàn)多方面培養(yǎng)，鍛煉中小學(xué)生的思維與邏輯，提高中小學(xué)生的動手能力。

1 農(nóng)業(yè)系統(tǒng)

該設(shè)計從硬件與軟件兩大方面構(gòu)成教具，讓中小學(xué)生在學(xué)習(xí)編程的同時得到運用，并在實物方面設(shè)計為智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，讓中小學(xué)生親身體會蔬果栽植的過程，體驗農(nóng)業(yè)的有趣性，了解不同蔬果成長時所需的各種外界條件，如光照、土壤溫濕度等。系統(tǒng)總體分別由農(nóng)業(yè)氣象臺系統(tǒng)、土培種植系統(tǒng)兩大部分組成。以“米思齊”軟件進行編程，編程模式為圖形化編程并且可轉(zhuǎn)化為C 語言語句移植到Arduino軟件提高編程靈活性；軟件方面使用圖形化程序開發(fā)、手機客戶端APP 開發(fā)、HMI 串口屏界面設(shè)計三方面相融合。農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的整體框架如圖1 所示。

圖1 農(nóng)業(yè)系統(tǒng)整體框架

■1.1 農(nóng)業(yè)氣象臺系統(tǒng)

氣象臺主要由Arduino 作為主控、傳感器由風(fēng)速度模塊、光照強度模塊、大氣壓強模塊、溫濕度模塊、空氣質(zhì)量模塊等構(gòu)成用以采集周圍環(huán)境情況，太陽能供電系統(tǒng)、液晶屏顯示系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)模塊作為支撐該系統(tǒng)基礎(chǔ)部分。通過集成有MAX44009 光強度傳感器、BMP280 大氣壓強傳感器、溫濕度傳感器的DHT11 模塊進行傳感器冗余優(yōu)化；太陽能供電系統(tǒng)給系統(tǒng)提供了可靠而穩(wěn)定的電源，并且節(jié)約了極大部分的電力資源。農(nóng)業(yè)氣象臺系統(tǒng)可以讓學(xué)生們充分了解自身所處環(huán)境的情況，科普氣象等方面的知識，拓展學(xué)生的認知區(qū)域。

■1.2 土培種植系統(tǒng)

土培種植系統(tǒng)主要由Arduino主控制，維持系統(tǒng)正常運行的光照度、環(huán)境溫濕度、土壤濕度、空氣質(zhì)量、大氣壓等多類傳感器以及電源模塊，用以聯(lián)網(wǎng)和顯示的物聯(lián)網(wǎng)模塊和顯示模塊這幾大部分構(gòu)成。

通過土壤種植方式將農(nóng)作物種植到土壤當中，這種種植方式是目前最為普遍的方法之一。優(yōu)點是土壤中的營養(yǎng)元素更為豐富，不需要經(jīng)常施肥，日常養(yǎng)護以澆水為主。且生長速度比其他種植方式要快。缺點是需要占用較多土地，容易招蟲并且需要經(jīng)常澆水特別是到夏季的時候。此類種植方法的缺點通過本設(shè)計的土培種植系統(tǒng)優(yōu)化之后大大地解決了由此帶來的問題。通過Arduino 專用主控板收集多種傳感器送回的數(shù)據(jù)并進行處理分析之后進行相應(yīng)的操作，以維持種植系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。例如，當土壤中的水分達不到植物的需求時，土壤濕度傳感器采集到濕度數(shù)據(jù)然后傳回主控，經(jīng)過主控對比最優(yōu)水分值開啟澆水系統(tǒng)，當土壤濕度達到閾值時自動關(guān)閉。學(xué)生們只需要查閱相關(guān)資料，了解蔬果所需光照、土壤溫濕度等的各種閾值，然后進行設(shè)定，即可等待并觀察蔬果的生長過程，有效地降低了蔬果栽培的難度。

2 編程教育

本軟件設(shè)計考慮到中小學(xué)生的接受能力以及學(xué)習(xí)能力，采用“米思齊”軟件進行圖形化編程，并且可將圖形化生成的代碼移植到Arduino 軟件進行編程，提高了學(xué)習(xí)對象的層級。圖形化編程不僅有助于中小學(xué)生接受和理解，還使編程生動形象化，豐富了學(xué)生們的視覺，增加了學(xué)習(xí)編程的趣味性，實現(xiàn)面向小學(xué)生和中學(xué)生的雙向選擇。同時此開發(fā)方式還具有多種圖形化庫可供選擇以方便進行硬件驅(qū)動程序的開發(fā)和加快系統(tǒng)搭建的速度。中小學(xué)生可以根據(jù)教具配套的教材進行模塊化代碼的拼接，還能在原有的基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新，這樣的學(xué)習(xí)方式既開拓了學(xué)生們的邏輯能力，也有助于創(chuàng)造思維的拓展。

■2.1 氣象臺程序設(shè)計

如圖2 所示。

圖2 氣象臺程序流程圖

■2.2 土培種植系統(tǒng)

如圖3 所示。

圖3 土培種植系統(tǒng)程序流程圖

■2.3 手機APP 的程序設(shè)計

App Inventor 是一款完全在線圖形化開發(fā)的手機APP網(wǎng)站，這款手機APP 開發(fā)網(wǎng)站不需要太多的編程基礎(chǔ)，只需要在使用的時候看一下書冊，使用方式比較簡單與方便，使用時可以按照自己的想法對手機的頁面進行布局，布局的方式很簡單，只要將自己需要的組件拖拽到自己想要擺放的位置即可，編程的方式就是與拼圖類似，把對應(yīng)的代碼塊拼接到一起就可以了，學(xué)習(xí)起來極為簡單與方便。不需要太多的時間，便捷了開發(fā)人員和初學(xué)者，很適合中小學(xué)生使用。手機APP 主要程序如圖4 所示。

圖4 手機APP 部分程序

■2.4 HMI 串口屏的界面設(shè)計

線下顯示則通過主控板與串口屏的連接將主控收集到的傳感器信息以及物聯(lián)網(wǎng)模塊獲取的天氣信息顯示到屏幕當中。讓學(xué)生們可以實時在屏幕上監(jiān)控數(shù)據(jù)的變化。

USART HMI 是一種以串口命令進行控制的觸摸顯示屏，可以顯示文字、圖案等，并且顯示屏的分辨率可達到800×400，顯示屏的清晰度滿足日常需求，同時具備按鈕控件、圖片控件、定時器控件、音頻控件等多種組態(tài)控件，因此其性價比非常可觀。該串口屏使用串行通信，在觸摸屏與控制器之間通過串口進行數(shù)據(jù)交換。

使用HMI 串口屏自帶的編程軟件USART HMI，這款編程軟件是基于C 語言的編程環(huán)境，而且附帶教程網(wǎng)站，HMI 串口屏可以支持觸屏。操作簡單方便。首先，將對界面進行設(shè)計，可以通過工具欄添加所需要的文本框、按鍵、下拉框、輸入框等多種控件，通過Arduino 主控制板的串口進行通信。其次，是HMI 串口屏的程序編寫，使用USART HMI 編程軟件對其編寫程序，Arduino 主控系統(tǒng)可以通過串口發(fā)送指令來控制HMI 串口屏的顯示內(nèi)容，本設(shè)計以串口屏制作了氣象臺系統(tǒng)和土培種植系統(tǒng)顯示與操控面板。最后，將下載器連接到電腦并通過專用軟件將程序燒錄到屏幕即可。串口屏界面的多樣化可塑性，激發(fā)了中學(xué)生的好奇心，并使學(xué)生的動手能力、想象力得到提升和發(fā)揮。土培系統(tǒng)頁面設(shè)計如圖5 所示。

3 硬件認知

■3.1 Arduino 主控制板

Arduino 主控制板作為農(nóng)業(yè)氣象臺和土培種植系統(tǒng)的核心部分，其芯片ATMega328 是作為搭建Arduino 最小系統(tǒng)的首要條件，特點是易操作、資源端口多、源碼豐富等。主要負責(zé)系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，由數(shù)字管腳作為輸入端，采集各類傳感器數(shù)據(jù)，輸出端采用串口輸出管腳連接串口屏和物聯(lián)網(wǎng)模塊，將采集的數(shù)據(jù)反饋到顯示屏及監(jiān)控設(shè)備。土培種植系統(tǒng)則增加和更換部分傳感器來進行數(shù)據(jù)采集，并對相應(yīng)的設(shè)備進行操作。

Arduino 主控系統(tǒng)電路圖如圖6 所示。

圖6 Arduino 主控系統(tǒng)電路圖原理圖

■3.2 土培種植系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊由風(fēng)速傳感器、光照強度傳感器、大氣壓強傳感器、土壤濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器、PM2.5空氣質(zhì)量傳感器、CO2傳感器、煙霧傳感器，SIM900A 短信模塊、ESP8266 物聯(lián)網(wǎng)模塊構(gòu)成。各部分模塊如圖7 所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集模塊原理圖

水是生命之源，在農(nóng)業(yè)種植當中，水分顯得額外重要，通過土壤濕度傳感器實時檢測，當土壤中的水分超出農(nóng)作物適宜的濕度范圍時，將采集到的土壤濕度數(shù)據(jù)傳輸回主控芯片，經(jīng)過主控對比最優(yōu)水分值開啟澆灌系統(tǒng)，達到閾值時澆灌完成后自動關(guān)閉。

由于地理位置的差異，造成不同地區(qū)溫度及光照強度相差甚遠，限制了種植農(nóng)作物的品種，采用溫濕度傳感器檢測種植環(huán)境的溫度，光照強度傳感器檢測植物可以吸收的光照強度，學(xué)生們可以根據(jù)不同物種設(shè)置不同的閾值，實施同樣的方法將傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳送回主控芯片，超出閾值時將計算最佳光照強度及光照時間進而控制遮陽棚和補光燈的斷開與閉合。

在安全方面還加入煙霧報警系統(tǒng)，在火情發(fā)生時，煙霧傳感器和空氣質(zhì)量傳感器同時超過安全閾值就會發(fā)送高電平傳回主控觸發(fā)蜂鳴器報警，并且開啟灑水系統(tǒng)進行滅火，再通過SIM900A 短信模塊進行發(fā)送警報短信。進一步保障了中小學(xué)生在學(xué)習(xí)、探索的過程中的安全，體現(xiàn)了智慧農(nóng)業(yè)的智能性。

■3.3 氣象站太陽能供電系統(tǒng)

通過該系統(tǒng)的配置讓中小學(xué)生了解太陽能的綠色環(huán)保、能源質(zhì)量高等優(yōu)點，激發(fā)中小學(xué)生的探索思維，尋找綠色環(huán)保的可再生資源。它的組成主要由太陽能板、可控制充放電模塊、蓄電池這幾部分給氣象臺系統(tǒng)提供能源。使用太陽能供電不僅可以節(jié)約資源，還可以解決停電無法工作的情況，利用蓄電池能夠儲存大量電量的特性，為本系統(tǒng)提供了源源不斷的電源。供電系統(tǒng)框架如圖8 所示，圖9 為系統(tǒng)電路圖。

圖8 太陽能供電系統(tǒng)框架圖

圖9 太陽能供電系統(tǒng)電路圖

■3.4 物聯(lián)網(wǎng)模塊

物聯(lián)網(wǎng)模塊采用ESP8266 作為聯(lián)網(wǎng)操作的基礎(chǔ)模塊，該模塊支持多種動作模式（STA、AP、STA+AP），同時可進行AP 指令調(diào)試方便應(yīng)用各種場合，具有16 位高精度ADC 為主控減輕運行負擔(dān)、采用低功耗32 位CPU 做核心將耗電降至最低，并且支持一鍵聯(lián)網(wǎng)省去了開發(fā)過程中程序調(diào)試困難的問題。項目通過此模塊將農(nóng)業(yè)系統(tǒng)主控芯片采集到的傳感器信息通過云端作為網(wǎng)絡(luò)橋梁，將所需的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)上云平臺進行實時顯示。圖10為物聯(lián)網(wǎng)模塊電路原理圖。

圖10 物聯(lián)網(wǎng)模塊-ESP8266 最小系統(tǒng)

4 結(jié)語

綜上所述，當代社會人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，發(fā)展該領(lǐng)域的教育，制作基于物聯(lián)方面技術(shù)的相關(guān)教具，有利于培養(yǎng)具有信息素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的人才，更多樣化、信息化的發(fā)展勞動教育，教具以“智慧農(nóng)業(yè)”為載體，農(nóng)業(yè)種植問題與我們的一日三餐密切相關(guān)，可以激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)動機，提高中小學(xué)生對勞動及人工智能方面的興趣，并且讓中小學(xué)生了解農(nóng)業(yè)蔬菜種植的全過程，體會糧食的來之不易。