基于物联网技术的智慧农业虚拟仿真实验研究设计与应用

张立立，邓庆绪，鲍玉斌，周 纲

（东北大学计算机科学与工程学院计算机国家级实验教学示范中心，沈阳 110819）

为响应党中央“乡村振兴”战略［1］，助推产业繁荣和社会繁荣，发展壮大乡村产业，拓宽农民增收渠道，推动智慧农业的应用［2］，培养具有综合科学素养、深厚的乡村情怀、创新创业职业技能和团队合作精神的新型计算机类人才，是项目设计的终极目标。发展智慧农业，是壮大乡村产业、拓宽农民增收渠道的重要方面，能够为一些资源枯竭型城市发展绿色经济提供解决方案［3］，对于保持农村社会和谐稳定、不断提高广大农民的获得感具有重要意义。

在实际场地安排智慧农业实验，需要进行多场景实地考察，造成课程时间周期长，学生人身安全问题不能得到保障，实验检测效果不明显，并且没办法重复练习和体验。智慧农业实际应用场地多在郊区农田中，实际场景也不会允许大量学生进入现场实验，因此通过虚拟环境和虚拟实验，可以让所有学生都有机会参与实验项目，锻炼学生的分析和解决实际问题的能力。因此利用虚拟实验可以解决实验环境匮乏的弊端、实验对象的特殊性问题和跨学科资源共享的难题。

本实验教学项目，突破智慧农业的一般应用场景，采用“不浇水的花盆，不换水的鱼缸”室内版的小型智慧农业系统典型应用—鱼菜共生情景实训系统，让学生了解基于物联网的智慧农业系统的设计和运行过程。鱼菜共生情景实训系统，考虑到实验对象的特殊性，为了保持生态系统的平衡，不能让学生反复进行加热、补光、抽水等实验操作及各种故障模拟，因此实验项目将完全模拟实物系统［4］，让学生在虚拟实验中理解概念、原理和技术，体会到学有所用，充分调动学习积极性与参与度，增强解决实际问题的能力。

助力东北工业基地经济转型城市发展智慧农业，建立基于物联网技术的智慧农业系统［5］。一些资源枯竭型城市农作物种植方式粗犷，使农产品质量参差不齐，价格远远低于市场同类农产品。因此为引导帮助当地农民在有限资源的情况下，发展智慧农业，提高农产品质量，增加收益，对复合型人才培养提出了更高的要求［6］。本项目总体实验教学目标如下：

（1）响应国家战略，注重理论结合实际，把素质教育贯穿于实验教学之中，培养学生解决实际问题的能力，培养独立思考和开拓创新的意识。

智慧农业是发展壮大乡村产业的重要方面，项目采用智慧农业的具体应用案例—鱼菜共生情景实训系统，设计基础知识学习、鱼菜共生系统搭建、无线网络系统［7］构建、嵌入式系统［8］编程和智慧系统运行调试多个实验环节，通过实验过程的引导让学生充分掌握51 单片机C语言教程、物联网技术、Python 基础教程、信息技术基础实训等课程基础知识，将所学知识应用到实际系统中，学以致用提升学习兴趣，全面提高学生解决实际问题的能力，培养独立思考和开拓创新的意识，保障素质教育的顺利实施。

（2）开发多种编程语言版本，注重“教法改革”和“学法指导”，满足不同课程教学需求，应用不同语言解决实际场景中的数据采集和处理能力。

实验项目内容软硬件相结合，并采用C 和python两种编程语言实现［9］，分别针对大一计算机类（包括计算机科学与技术和物联网工程两个专业）、电子信息类（包括通信工程和电子信息工程两个专业）和人工智能专业的信息技术基础实训和大三物联网专业物联网技术实验教学。一个平台服务于多门课程、多个专业，实现资源的充分利用与共享。满足嵌入式系统设计、嵌入式系统编程应用、通信网络构建等多学科知识融合的教学需求［10］。

（3）抛砖引玉，注重能力培养和个性化发展相结合，使学生了解基于物联网的智慧农业系统的设计和运行过程，激发学生求知热情和创新兴趣。

通过鱼菜共生情景实训系统，让学生了解基于物联网的智慧农业系统的设计和运行过程。实验项目抛砖引玉，引发学生对智慧农业系统知识的探索与创新。以此虚拟实验为基础，充分发挥学生的想象力，对实验进行扩展与实践，充分锻炼学生的动手能力和团队合作精神，推动更多年轻人有热情返乡创业，不断壮大乡村产业，带动农民致富，全面打赢脱贫攻坚战［11］。

项目具体实验目的如下：

（1）理解智慧农业系统的内涵和系统组成结构。

（2）掌握鱼菜共生系统运行原理及系统组成。

（3）学会针对项目内容，查阅资料解决实际问题。

（4）了解无线通信技术的基本知识，掌握ZigBee技术［12］的硬件设计及组网结构。

（5）掌握温湿度传感器、光照强度传感器、电机驱动模块的编程技术［13］。

（6）基于鱼菜共生系统实验内容，发挥想象，能够设计一项智慧农业相关的扩展实验内容［14］。

实验内容与能力培养的对应关系如图1 所示。

图1 实验内容与能力培养的对应关系

虚拟实验内容按照完成一个实际项目流程设置，分为：基础知识学习、搭建鱼菜共生系统、构建无线通信网络结构、嵌入式系统编程、智慧系统运行调试5 部分内容，形成循序渐进、虚实结合的完整智慧系统，要求学生在4 学时内，掌握线上虚拟实验项目操作流程，各类传感器设备的编程应用及调试，实验项目操作流程如图2 所示。

图2 实验总体操作流程图

2.1 虚拟实验教学内容

2.1.1 基础知识学习

打开实验系统，输入姓名学号后点击【登录】，查看操作说明，了解实验界面基本交互操作，查看基础知识培训，进入基础知识学习界面，如图3 右侧所示。分别学习鱼菜共生系统、传感器原理、ZigBee 网络原理、电机基础知识，最后完成知识点考核。

图3 实验登录及基础知识界面

2.1.2 搭建鱼菜共生系统

根据实验原理及工作流程，将界面（见图4）右侧9 种设备拖拽到左侧系统高亮位置，左键点击选中设备，在正确高亮位置再点击左键放置设备，右键取消设备选择。设备放置完成后，点击完成组装。

图4 鱼菜共生系统组装界面

2.1.3 构建无线通信网络结构

根据ZigBee 组网原理［15］，搭建硬件平台，将6 种设备放置到实验底板上。进入系统上电环节，分别点击对应设备的开关，即按顺序完成系统上电，上电后设备有红色指示灯闪烁。进入实验扩展环节，如有两个鱼菜共生系统时，按照实验原理搭建硬件平台，分别设置网关1 和网关2，在弹出的对话框中选择PANID，然后分别给4 个终端节点选择合适的PAN_ID，全部完成后，点击完成实验，如图5 所示。

图5 扩展实验调试界面

2.1.4 嵌入式系统编程

按界面右侧提示，需要分别对光照传感器、温湿度传感器和水泵电动机进行编程设计。

分别打开光照传感器、温湿度传感器、水泵电动机，在弹出的对话框中，选择编程（C 语言），进入C 语言编程界面，根据实验原理分析程序并填空，如有困难，可点击右侧“帮助”按钮，选择其中正确答案，编程填空完成后，点击提交代码，可查看填写错误的位置，并重新填写，系统只允许运行1次，第2 次再点击直接提交代码，即完成C 语言的编程。实验中只选择一种语言编程即可，如选择Python 语言，实验步骤同C 语言的编程，如两种语言都完成，系统自动取提交代码后最高的一次成绩。实验界面如图6 所示。

图6 实验编程界面

2.1.5 智慧系统运行调试

进入鱼菜共生系统种植配置环节，请将界面右侧的鱼和花放置到左侧系统中，左键选中花，然后在系统高亮位置点击左键放置，右键取消选择，同样，左键点击鱼，在鱼缸位置点击左键放置鱼，右键取消（动植物共生问题，涉及生物学相关知识，请分析构建的生态环境是否合理，请写到实验最后的总结中），系统进入自动运行状态。系统会根据出现的问题，智能的控制传感器工作。为了检测学生对智慧系统的理解，根据界面右侧提示的系统错误，分别点击对应的传感器进行修复，使系统能正常运行。打开系统监测界面设计，可根据系统功能，设计监测界面，将运行数据在监测界面进行动态形象化的显示（见图7）；
模拟运行进度执行到100%后，即完成所有实验过程，完成实验总结，生成实验报告。

图7 系统调试及数据监测界面

2.2 思政元素教学方法

（1）播放电视推广。课程前给学生播放“中央17套致富经”节目推广的鱼菜共生应用系统的实例，如图8 所示。视频介绍了大学生回乡创业建设鱼菜共生项目致富的故事，让学生体会所学知识如何为经济发展助力。

图8 电视推广视频

（2）宣传国家战略。课程教学中，介绍“乡村振兴”战略［16］，让学生了解到我国是农业大国但并不是农业强国，很重要的一点是农业人才的缺乏，要改变农村穷、机会少的普遍固有概念，就是要让乡村相关产业壮大。因此，通过课程的熏陶，要培养出具有扎实的专业知识、深厚的乡村情怀、极大的创新创业热情的专业人才能够反哺农村，建设家乡。

实验考核体系建设线上线下结合、主观+客观成绩综合的合理评价机制。

虚拟实验内容全部完成后，会自动产生实验客观成绩，考核学生对实验操作流程的了解程度、设备编程应用的熟练程度及系统运行调试的掌握程度。

线下扩展实验，根据学生兴趣点自主选择系统相关的内容完成一项扩展内容，可包括：相关电路设计、鱼菜共生生物学内容、增加相关传感器嵌入式设备编程，以及对系统的修改和内容扩展的意见和建议等方面。具体考核标准如图9 所示。

图9 实验考核内容

根据以上考核标准，对学生实验过程进行量化打分，通过得分情况，能够客观地反映学生掌握知识的程度和分析解决实际问题的能力。

得分在90～100分，说明学生已经充分掌握了知识内容，并熟练运用知识点内容设计实验方案，并能够在完成基本实验要求的情况下，有丰富想象力完善了系统，表现出了较强的实际动手能力。

80～89分，说明学生基本掌握了知识点，完成了项目内容要求的所有实验内容，表现出了学生较好的学习能力，能够将所学知识运用在实际项目中解决问题。

70～79分，说明学生基本了解了知识点内容，完成了部分实验内容，表现出学生具有一定的学习能力，建议在以后的学习中仍需加强锻炼自己的学习能力。

低于70分，说明学生对知识点内容没有完全理解，不能根据原理知识点，完成实验内容，建议要反复学习相关知识，熟悉实验操作流程，提升自身的整体能力。

智慧农业涉及知识范围广、运用的专业技术多，很难通过几个学时的实验项目展示。为了能够让学生了解什么是智慧农业，本实验教学项目采用室内版的小型智慧农业系统典型应用—鱼菜共生情景实训系统，让学生了解基于物联网的智慧农业系统的设计和运行过程。通过小故事讲述智慧农业大科学。以后系统将在理论知识、系统搭建、生态学以及扩展实验方面对实训教学进行深度与广度的延伸与拓展。