基于虚拟仿真平台的智慧农业系统的信息化实训教学

李 雪

（成都农业科技职业学院，四川 成都611130）

开设实训教学是高职教育培养高素质的技能型人才的重要方法，锻炼学生的动手能力，变被动为主动的学习模式。随着信息时代的来临，传统的教学模式也发生了改变。利用信息化教学手段，老师可以解决示范效果差，学生记不住、重复性差，因此造成学生学习效果不理想。利用互联网、多媒体、虚拟仿真、手机APP等信息化手段推动有效教学，使知识更加生动和高效。该实训需要完成三个任务：通过智慧农业沙盘体验和VR农业大棚考察完成智慧农业系统规划与设计；在虚拟仿真平台进行智慧农业系统仿真，调试和模拟；将仿真完成的系统设计移植到真实的环境中进行系统集成，并对真实系统进行软硬件联调、排故和实现，由虚到实，逐层递进。

1 虚拟仿真

物联网虚拟仿真平台通过实验台中硬件设备的接口和原理从而模拟出功能一样的虚拟设备。学生根据自己的设计来选出所需设备，这样的好处是避免了在真实环境中设备的混乱、布线的麻烦、真实设备一些不稳定的因素以及设备的不足。

虚拟平台中还包含了无线传感网中的设备，如传感器、协调器、继电器以及其它设备等。可利用ZigBee进行自主网络，在网关或协调器上读取数据信息。例如要建立一个农业物联网系统，需要采集空气温湿度、土壤温湿度、光照强度，CO2浓度，还有监测周围是否有可燃气体烟雾等数据，就需要添加进温湿度传感器，土壤温湿度传感器，光照传感器，CO2传感器，烟雾传感器等，在虚拟仿真中，由于无法真实感知外界的环境，因此需要添加相应的模拟器来模拟外界的环境，使传感器能采集到数据。将温湿度模拟器、土壤温湿度模拟器、光照强度、CO2浓度、可燃烟雾气体等模拟器添加进实验台里并连接好相应的传感器。为了要控制农业设备，我们还需添加继电器，以及被继电器控制的喷灌、风扇和灯光设备。这些设备都是通过12V的电源进行供电。继电器控制设备的电源，因此我们将电源通过继电器连接设备。将喷灌和电源分别连接继电器的回路1、风扇和电源接在回路2，灯光和电源接在回路3上。除此以外，我们还需要协调器进行系统的自主网。我们将协调器通过串口连接在电脑上，打开智慧农业终端，虚拟一个串口号COM101，打开串口，开始监听，数据就采集并显示到智慧农业终端上了。可以看到有空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、CO2浓度、烟雾状态等。设置光照强度小于阈值时，灯光是开的，否则是关。同理，空气温湿度数值大于阈值时，风扇才会转动。土壤的湿度大于阈值时，喷灌关；小于阈值喷灌开，可测试一下。测试结果和设计的想法是相同的。同学们可以通过在虚拟仿真平台多次设计模拟来确定智慧农业系统方案。图1则是虚拟仿真平台上进行设计。

2 真实智慧农业系统

实训围绕智慧农业系统的设计与集成而展开，比如在虚拟仿真平台上实现智慧农业系统，获取智慧农业系统需要的空气温湿度，光照强度，CO2浓度，土壤温湿度等数据，和自动控制农业设施的运转状态。可通过在虚拟仿真平台多次设计模拟来确定智慧农业系统方案。并且按照之前设计的方案，实物按照设计图来安装。图2则为真实设备安装连接图。

图1 虚拟仿真设计图

图2 智慧农业系统

3 虚实结合

若要实现真实环境的系统集成，则在真实场景中添加温湿度传感器，土壤温湿度传感器，光照传感器，CO2传感器等，还有继电器，以及被继电器控制的喷灌、风扇和灯光设备。继电器、传感器和协调器可以自行组网。打开智慧农业系统终端，通过串口可以看到空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、CO2浓度、烟雾状态等数据。并且可以控制农业设备如风扇、喷灌、水帘等设备。当土壤温度过高时，可以打开喷灌进行土壤温度降温，补充土壤水分。当空气湿度过低时，可打开水帘增加空气湿度。

图3 真实场景中工作的喷灌

4 信息化手段的教学应用

教学实训对象为物联网应用技术专业大二第三学期的学生，他们能进行基本模块的简单操作，但缺乏系统分析的能力；有基本排故能力，但系统综合排故能力差。针对学生情况，我们对课前、课中、课后分别使用信息技术手段和多元化的教学方法解决学生怕学、厌学等问题。我们将整个教学过程分为多个子任务，采用多种信息化手段和多元化的教学方法，通过线上线下混合教学模式有针对性地开展教学活动。采用多种信息化手段和多元化的教学方法，利用智慧农业沙盘进行初步认识，通过3D的VR技术进行智能农业大棚的体验，引导学生从客观认知到体验识知再到自主设计，解决系统规划设计难的问题。

根据设计选择相应的农业设备设施后，再进行设备的安装。按照工位图来进行分区和排列，在此过程中可观看安全操作示范微课进行操作。在软硬件联调的过程中，需要将协调器、继电器和传感器进行ZigBee无线组网，数据通过连接协调器的串口通信显示到智慧农业系统终端上，同时终端智能控制农业设备的运转状态。教师指导协助，学生分组操作，整个实训操作严格按照6S管理要求执行。通过这种虚实结合、分类分层的策略解决调试难和排故难。

5 教学效果

依托信息技术手段和虚拟仿真平台，提高了学习效率。通过微课示范化解操作难点。智慧农业沙盘和VR智能农业大棚的体验让实训教学“进得去、看得见、摸得着、能再现”。虚拟仿真平台也强化学生的直观感受，减少了对电子元器件的损耗，使学习变得生动、有趣。体现学生课堂主体地位，增强学生自信心。

教学设计的创新之处为信息化手段化解了实训中的重难点。利用虚拟仿真平台进行虚实结合，教学目标达成度高。通过实际系统体验+VR技术考察农业大棚作为案例引导，解决当下学生不学、怕学和厌学的问题。实训过程采用6S管理，具备规范化操作的工匠精神和绿色环保意识。

5 结语

通过在虚拟仿真平台进行系统的设计、设备的选型以及系统的调试，再利用真实设备实现系统功能，通过虚实结合大大减少了电子器件的损耗，降低了时间成本，提高了效率，保证了学生的安全。采用多种信息化手段进行教学模式的改变，丰富了教学资源，提高了教学效果，提升了人才培养质量。