基于開源軟硬件搭建校園未來農(nóng)場

鄭祥 浙江省溫州市第四中學(xué)

謝作如 浙江省溫州科技高級中學(xué)

● 引言

隨著教育的不斷革新，STEAM教育理念逐漸深入中小學(xué)課堂。《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》的“物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索”模塊和《義務(wù)教育勞動課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》的“農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動”任務(wù)群在課堂教學(xué)實施過程中對中小學(xué)校的教學(xué)場地、軟硬件設(shè)施等教學(xué)資源提出較高的要求。校園未來農(nóng)場的設(shè)計與搭建，強調(diào)“開源軟硬件”“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”在“農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植”場景中的綜合應(yīng)用，正是信息科技課程“物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索”模塊與勞動課程“農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動”任務(wù)群有機結(jié)合的教學(xué)場景。

● 校園未來農(nóng)場的功能設(shè)計

筆者結(jié)合信息科技課程及勞動課程學(xué)科的新課程標(biāo)準(zhǔn)的具體內(nèi)容模塊及課程資源的開發(fā)需求，提出除了尋找一塊合適的種植場地外，校園未來農(nóng)場應(yīng)重點關(guān)注農(nóng)場種植方面的數(shù)據(jù)實時監(jiān)測、自動化（或手動）控制與反饋等功能的設(shè)計，以此滿足信息科技課程和勞動課程多方面、跨學(xué)科的綜合性教學(xué)應(yīng)用需求。

1.數(shù)據(jù)實時監(jiān)測

光線強度、土壤濕度、溫度等種植環(huán)境數(shù)據(jù)的變化能直接影響作物的生長情況，通過開源硬件豐富的傳感器，校園未來農(nóng)場能夠?qū)崟r地獲取并顯示種植環(huán)境的實時數(shù)據(jù)。

2.自動化澆灌

校園未來農(nóng)場的自動化澆灌功能是基于種植環(huán)境數(shù)據(jù)的實施監(jiān)測功能實現(xiàn)的，既保證了作物的正常生長，又避免了水資源的浪費。通過對種植環(huán)境數(shù)據(jù)的分析和判斷條件的設(shè)置，開源自動化控制平臺借助物聯(lián)網(wǎng)平臺向智能終端發(fā)送相應(yīng)的執(zhí)行指令，從而實現(xiàn)自動化精準(zhǔn)澆灌。

3.手動精準(zhǔn)澆灌

在勞動課程、信息科技課程及實驗教學(xué)中，比對實驗是一種常用的實驗方法，它是通過控制變量的變化來觀察其對實驗結(jié)果的影響。校園未來農(nóng)場的手動精準(zhǔn)澆灌，在其數(shù)據(jù)實時監(jiān)測功能的配合下，能夠為比對實驗教學(xué)提供精準(zhǔn)的變量控制，有效地簡化實驗操作步驟，為實驗比對觀察、實驗結(jié)論提供數(shù)據(jù)支撐。

● 校園未來農(nóng)場的搭建

校園未來農(nóng)場的搭建主要分為三個階段——基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)階段、智能硬件搭建階段、物聯(lián)軟件部署階段，這三個階段也是一個非智慧的普通農(nóng)場逐步改造升級的過程。

1.基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)階段

在校園中尋找一塊適合農(nóng)業(yè)種植的土地作為農(nóng)場，要求是“農(nóng)場土壤具備一定的保水保肥能力；農(nóng)場光照充足，附近無建筑物或高大植被遮擋”。

2.智能硬件搭建階段

農(nóng)場種植環(huán)境的監(jiān)測，主要包括土壤濕度、光照強度、溫度等環(huán)境數(shù)值的監(jiān)測，而農(nóng)場種植作物的澆灌、光線強度等方面的環(huán)境控制則需要開源硬件中的進水電磁閥、步進電機等執(zhí)行模塊（如表1）。在農(nóng)場附近搭好水管，布置好強電帶防水功能的插座，設(shè)置好網(wǎng)絡(luò)環(huán)境（建議采用無線網(wǎng)絡(luò)），就可以搭建智能硬件了。

3.物聯(lián)軟件部署階段

校園未來農(nóng)場的功能實現(xiàn)主要依托于三大核心部分：開源硬件、開源物聯(lián)網(wǎng)平臺和開源軟件自動化控制系統(tǒng)。它們共同協(xié)作，確保農(nóng)場環(huán)境數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測與精準(zhǔn)控制。

開源物聯(lián)網(wǎng)平臺SIoT是一個專為教育領(lǐng)域設(shè)計的開源MQTT服務(wù)器軟件。它采用GO語言編寫，具有跨平臺、數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能和Web API支持等特性，操作簡單，一鍵啟動就能用，非常適合作為校園未來農(nóng)場的物聯(lián)網(wǎng)平臺。

Domoticz是一個輕量級的家庭自動化控制系統(tǒng)，支持多種設(shè)備和MQTT協(xié)議。它具有安裝簡便、架構(gòu)靈活、兼容性強的特點，安裝包僅需13.8MB的存儲空間，安裝后僅占用空間42.5MB。借助Domoticz，校園未來農(nóng)場可實現(xiàn)對各類傳感器和設(shè)備的監(jiān)控與控制。

以下是校園未來農(nóng)場搭建中物聯(lián)軟件部署的關(guān)鍵步驟。

步驟1：搭建SIoT物聯(lián)網(wǎng)平臺。（SIoT下載地址：https://siot.readthedocs.io/zh-cn/latest/2.setup/01_download.html）

步驟2：搭建Domoticz自動化控制系統(tǒng)。（Domoticz下載地址：https://domoticz.cn/wiki/Windows）

步驟3：在Domoticz中添加硬件MQTT服務(wù)。在“設(shè)置”菜單中添加硬件MQTT服務(wù)——填寫相應(yīng)的MQTT服務(wù)信息，屬性設(shè)置如表2所示。

表2 添加硬件MQTT服務(wù)

步驟4：在Domoticz中添加MQTT虛擬傳感器。在硬件添加面板中，添加一個名為“MQTT虛擬傳感器”的硬件設(shè)備，并選擇“Dummy（Does nothing，use for virtual switches only）”作為其類型。在創(chuàng)建虛擬傳感器后，根據(jù)需要添加土壤濕度傳感器和進水電磁閥等相應(yīng)類型的傳感器（如下頁圖1）。

圖1 Domoticz系統(tǒng)設(shè)備列表

步驟5：智能終端傳感器數(shù)據(jù)采集與發(fā)布。開源硬件智能終端借助傳感器采集數(shù)據(jù)，并通過SIoT物聯(lián)網(wǎng)平臺的“siot/in”主題將數(shù)據(jù)發(fā)送至Domoticz系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 校園未來農(nóng)場的數(shù)據(jù)實時監(jiān)測原理

Domoticz系統(tǒng)中硬件設(shè)備接收消息的格式為“{ "idx" : 1, "nvalue" : 17 }”，其中idx代表Domoticz平臺上的設(shè)備編號，nvalue為傳感器數(shù)值。以土壤濕度為例，智能終端在采集土壤濕度數(shù)據(jù)后，發(fā)布信息的核心代碼，如圖3所示。

圖3 核心代碼

步驟6：智能終端執(zhí)行模塊控制。通過點擊“燈泡”形狀的按鈕，發(fā)送進水電磁閥的“打開/關(guān)閉”指令。SIoT服務(wù)器的“siot/out”主題接收相應(yīng)的進水電子閥狀態(tài)信息，如圖4所示。

圖4 校園未來農(nóng)場的自動化精準(zhǔn)澆灌和手動澆灌原理

Domoticz系統(tǒng)向SIoT平臺發(fā)出的控制指令信號格式如圖5所示。通過解析和判斷消息中鍵“nvalue”的值，實現(xiàn)對進水電磁閥的開關(guān)控制，值“1”表示“開”，值“0”表示“關(guān)”。核心代碼如下頁圖6所示。

圖5 SIoT平臺收到的控制指令

圖6 核心代碼

● 校園未來農(nóng)場的教學(xué)應(yīng)用

1.信息科技課程實驗活動

通過開源硬件和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，校園未來農(nóng)場中的種植環(huán)境數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、呈現(xiàn)以及自動化精準(zhǔn)澆灌，可以作為信息科技課程中有關(guān)“物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索”方面的內(nèi)容的實驗活動開展，如2023年浙教版《信息科技》八年級下冊第三單元。

2.勞動課程實踐活動

在校園未來農(nóng)場中，教師可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐姆N植條件為實踐活動提供1～2種優(yōu)良種植苗和種植工具，以便學(xué)生開展系列化種植、澆灌、收成等體驗實踐活動。學(xué)生可以通過校園未來農(nóng)場的數(shù)據(jù)實時監(jiān)測功能關(guān)注種植作物的生長情況，并且可以手動設(shè)置條件實現(xiàn)根據(jù)種植環(huán)境數(shù)據(jù)進行自動化精準(zhǔn)澆灌，從而體驗先進農(nóng)業(yè)種植技術(shù)和理念。

3.科學(xué)課程實驗活動

校園未來農(nóng)場可以實現(xiàn)環(huán)境變量的精準(zhǔn)控制，為科學(xué)課程的關(guān)于“探究環(huán)境因素對種子萌發(fā)的影響”實驗活動提供實時有效的數(shù)據(jù)監(jiān)測和環(huán)境變量控制。

● 結(jié)論

校園未來農(nóng)場符合中小學(xué)階段基于開源硬件的Python語言學(xué)習(xí)需求，展現(xiàn)了在勞動教育、信息科技等多學(xué)科交叉項目化學(xué)習(xí)中的巨大潛力，同時，也為中小學(xué)科學(xué)課程的實驗教學(xué)提供了強有力的支持。