物联网智慧农业实训平台应用系统
中图分类号：TP39；TN915.5 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）06-0-03
0 引 言
物联网是我国战略性新兴产业的重要组成部分，《物联网“十二五”发展规划》[1]圈定了10大领域重点示范工程，智能农业便是其中之一。据工信部统计，智能农业在其领域五年内需要的人才约为1 000万。从产业需求看，物联网人才[2]总体可分为研究型人才和工程应用型人才两类。
研究型人才主要为研究生层次或研究型高校所培养的毕业生，是各类“研究型企业”或“高新企业”的研发部、研究院所急需的人才。在高等院校和科研院所物联网研究型人才培养方面，偏重于研究型和创新型，具有跨学科复合型特点。工程应用型人才主要为各类高职学校或信息类本科学院毕业生，以从事物联网系统设计、产品开发、物联网项目实施等为主，以系统设计、产品开发、工程项目策划与实施为主的企业，更应注重工程应用技术能力的培养，加强工程实践的实际训练，突出技术应用能力、培养创新能力。
随着近几年大量物联网应用系统开发完成，开始转向系统的实施与维护过程，物联网应用型人才的占比已赶上甚至超过了研发型人才需求。巨大的市场潜力，广阔的行业发展前景，急待提高的人员素质，为职业学校办好此朝阳专业建立信心和决心。很多高职院校抓住此良好环境和契机，建设好该新兴专业，物联网实训室应用平台是保障此专业能较好完成教学效果的前提和必要条件。
1 物联网智慧农业实训室平台的需求分析
1.1 实训室建设意义
从教学方面来说，应培养从事物联网领域的系统设计、系统分析与系统开发的高技能人才。培养合理的知识结构，具备扎实的物联网理论与实践知识，并具备在物联网领域跟踪新知识、新技术的能力及较强的物联网应用能力。通过理论课程的教学并结合实训室的实验，让学生、学员亲自动手，接触各种实训室设备。最终实现能让学生独立构架各种物联网应用系统的目的。通过理论与实践相结合，感知体验与动手结合、方案设计与实际验证结合来提高动手能力，积累实践经验，进一步提高学生水平。
从科研方面[3]来说，物联网技术是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮，是一个全新的技术领域，包含RFID射频技术、有线传感技术、无线传感技术、数据交换与网络异构、终端管理等关键技术。实训室物联网设备通过射频识别等设备与互联网连接，实现智能化识别和管理，通过建设物联网实训室为教师提供物联网应用研究的科研平台，通过实训室设备促进教师与科研人员进行更好的科研研究。
1.2 实训室的建设特点
物联网实训室设计以技术全面化、业务典型化、应用教学化三个方面为指导思想进行建设。
1.2.1 技术全面化
主要解决技术知识层面的问题，实训室引入物联网龙头企业工业化产品体系，融合产业发展趋势，设计模式吻合教学实训体系。实训室不仅可以全面支持物联网培训认证所要求掌握的技术，还全面涵盖了物联网专业的基础课和专业课[4]，如物联网概论、信号与系统、计算机网络、现代通信网、传感器原理、嵌入式系统设计、无线通信原理、无线传感器网络、近距无线传输技术、二维条码技术、数据采集与处理、物联网安全技术、物联网组网技术等均可在此完成并创新拓展。
1.2.2 业务典型化
主要解决应用和就业层面的问题。众多教育集团公司将多年成功的商业模式及成熟的行业应用如车联网系统、智能家居、智慧农业等转化为典型的业务场景以用于支撑物联网行业应用实训，使学生在实训的同时了解、融入真实的行业产业应用。
1.2.3 应用教学化
应用数字化的主要目的在于解决培养和定位问题，通过物联网实训平台、行业应用实验箱、实训墙、行业应用实训场景等多种形态、多种应用的实验实训设备以及物联网技术体验中心实现理论与实践的结合，感知体验与动手的结合、方案设计与实际验证的结合。
1.3 实训室的建设目标
通过建立实训室，建设一个教、学、研、培训认证统一的实训平台，集教学、实训、培训认证功能于一体，围绕物联网主题，同时兼顾当前IT流行技术的发展趋势，注重各种技术之间的融合?c灵活应用，既可满足日常教学要求，又注重项目实训及创新试验，各设备之间还可以灵活组合。学员不仅可通过实训室里的相关设备掌握物联培训认证所要求的所有技术，还可以基于各种模块，按照自身需求进行独特设计，融合各种技术进行创新试验及项目实训。建设一个完整的物联网实训室，进行各种无线传感器网络、智能视频技术等教学实验，模拟典型智慧校园、智能追溯等实际应用。通过实训培养物联网方面的高技能技术人才。学生、学员可就业于与物联网相关的企业，从事与物联网相关的工作。
物联网专业实训室的建设，应在物联网的识别、感知、通讯传输、组网技术以及数据分析方面，衍生至物联网整个产业链，以专业建设、人才培养、物联网核心课程教学、提高学生实训水平为目标，建立一个完整的、基础的实训架构体系。实训室的建设需满足以下基本要求：
（1）满足农业院校物联网专业的人才培养规范和教学基本要求；
（2）能够支撑学校相关专业课程教学；
（3）能够支撑学校物联网教学实训，实现物联网各知识点的实训； （4）能够满足物联网产业综合创新的实训，如智慧城市、智能家居等。
2 智慧农业实训室应用平台
典型物联网应用实训平台[5]（智慧农业套件）以选取具有典型意义的物联网智慧农业设备为基础，结合可灵活部署的移动实训台。学生可通过应用平台实训产品的训练进一步了解各种农业物联网技术典型应用，进行模拟训练；从实训产品中学习传感器、WSN及嵌入式知识。通过丰富多彩的智慧农业物联网实验案例及体验，激发学生的想象力，充分调动学生的积极性，并提供多样化的集知识性和趣味性于一体的超强用户体验。让学生可以在实训室中看到农业物联网行业的现状，培养学生的动手设计能力，帮助他们成为具有特色能力的专业技术人才。
2.1 实训室平面图
物联网智慧农业实训室平面设计图如图1所示。具体位置可按实地重新规划，根据教室实地情况，使用20+1套典型物联网应用实训平台进行教学，可以满足对20～40学生进行教学。此外，结合农业院校特色，新建一个农产品温室大棚，充分体现了智慧农业套件由浅入深，由理论到实践的循序渐进过程，丰富实训课程设计，并将其应用于实践生活中。
2.2 系统结构
物联网智慧农业实训平台属于移动实训系列产品，主要由物联网网关、工控平板、数/模采集器等11个物联网典型部件构成。其中移动实训台、物联网网关、安卓工控平板是核心部件，采集器使用四输入模拟采集器和数字量采集器，有继电器I和继电器II，传感器包括光照传感器、温湿度传感器、人体红外开关，通过风扇I和风扇II完成。
2.3 平台实现流程
智慧农业套件实训平台通过网关连接到公共网云平台，构成了基于感知层基础的物联网云平台。具体数据流转流程[6]如下所示：
（1）通过四模输入量采集器采集光照、温湿度传感器数据，通过ADAM-4150采集人体红外传感器数据；
（2）模拟输入量采集器通过ZigBee传输协议将数据传到网关，ADAM-4150通过串口将数据传至网关；
（3）网关通过TCP/IP协议将数据传输至云平台或者工控平板进行数据逻辑处理；
（4）云平台或工控平板形成控制指令，并通过TCP/IP协议传给网关；
（5）网关通过串口将指令传给ADAM-4150；
（6）ADAM-4150给继电器输出指令，控制风扇的开闭。
3 核心部件功能介绍
3.1 网关功能介绍
物联网网关作为系统设备域的重要部件[7]，集成物联网核心采集器、控制器，通过ZigBee协议、Modbus协议等采集、解析数据，具有透传、控制命令下发等功能，可将数据实时显示于网关显示屏。网管功能截图如图2所示。具有采集光照传感器、温湿度传感器、人体红外传感器数据的功能并进行显示，还可手动下发指令，打开风扇，将采集的数据传输给工控平板或云平台，同时工控平板或云平台通过网关可下达对继电器的开关指令。基于这些功能，农业套件平台网关具有以下特点：
（1）LCD显示功能，可同时显示6路传感器数据；
（2）本地声光报警功能，具备超温、断电报警功能；
（3）通过WiFi/GPRS/以太网传输可将温湿度数据实时传送至后台；
（4）内置后备电池，断电后可继续工作2小时；
（5）支持断线储存功能，最大支持5 000条记录。
3.2 工控平板功能介绍
工控平板是智慧农业套件的数据处理核心，通过对网关传输数据的逻辑处理，可自动下发控制指令。对光照传感器、温湿度传感器、人体红外传感器的数据进行逻辑处理，自动生成控制指令；对光照传感器、温湿度传感器、人体红外传感器的数据案例进行开发并展示；对网关下达继电器开关指令，或通过串口对ADAM-4150下达控制指令。基于这些功能，工控平板具有以下特点：
（1）支持通过网关连接和通过串口与采集器直接连接两种数据采集方式；
（2）显示内容丰富，界面友好；
（3）多通道数据传输，支持WiFi、串口、RJ45等多种数据传输方式；
（4）可旋转支架。
3.3 云平?_功能介绍
物联网云服务平台[8]以云计算架构实现系统的云平台管理，包含用户管理、数据存储、逻辑处理，设备管理、配置，资源管理、配置等功能，如图3所示。支持多个网关、传感器、执行器等物联网设备动态接入和管理；对光照传感器、温湿度传感器、人体红外传感器的数据进行存储；可远程手动或自动下达控制指令；BS架构可实现远程管理、监控；提供了丰富灵活的API接口，可通过API接口获取数据，组建具有逻辑功能的各种应用场景。
4 结 语
物联网智慧农业实训平台以移动型实训台为硬件支撑平台，所有部件可灵活调配，紧跟教学进度，可按需组合，平台系统安装部署灵活，方便教学，支持四种数据传输模式，学生可自由组合，了解学习数据传输的原理，掌握数据传输的方式和知识。平台的农业套件主要包括ZigBee无线组网相关的传感器、继电器等多种物联网设备，通过配套的智能农业应用实训及理论课程教学，让学生动手进行安装调试，接触物联网技术在短距离传输领域的真实使用，最终实现感知体验与动手相结合、方案设计与实际验证相结合的目的，提高学生的实践动手能力。
