《农业物联网技术》研究生课程教学案例内容建设探索

刘同海，张航，赵新海，李守晓，郝志斌，杨雪，孟玉环

《农业物联网技术》研究生课程教学案例内容建设探索

刘同海，张航，赵新海，李守晓，郝志斌，杨雪，孟玉环

（天津农学院 计算机与信息工程学院，天津 300384）

针对复杂的农业物联网知识体系，如何加深研究生对农业物联网技术的基本原理和概念的理解，培养学生分析问题和解决实际问题的能力，案例教学尤为重要。结合农业工程专业开设的《农业物联网技术》研究生课程教学改革，以科研反哺教学，围绕《农业物联网技术》课程教学目标和内容，梳理并凝练了物联网数据采集、传输及控制技术教学案例，包括蓝莓设施农业生产智能控制、智能灌溉物联网装备集成、畜牧养殖物联网育繁智能监控系统和食用菌物联网环境控制系统等。形成了课堂理论教学+网络在线演示+现场操作等分阶段、多层次、重应用、动手操作的教学新模式，采用了项目任务驱动、启发式、讨论式、现场指导式等教学方法。经实践，其案例教学内容及教学模式与方法达到了预期的教学目标。

农业物联网技术；案例教学；教学新模式

农业是物联网技术十大应用领域之一，尤其在现代都市农业的兴起后，无论是设施农业、精准农业还是农业大数据，都要有以物联网为基础的农业信息技术提供支撑。实际上，面向现代农业领域的物联网应用技术人才，具有非常广泛的社会和产业需求。有关资料表明，在现代农业“十二五”计划期间，智能农业的各类专业人才缺口在1 000万左右，其中至少5%为互联网乃至物联网技术应用人才[1]。

针对农业类院校物联网应用相关专业及方向的教学目标，天津农学院开设了《农业物联网技术》相关课程，该课程主要为实践类课程，授课对象为农业工程、农业生物环境与能源工程和农业电气化与自动化专业的硕士研究生。本门课程在内容上，涉及农业物联网的概念和内涵、物联网网络架构、物联网关键技术及农业物联网应用进展等内容，具体包括农业水体信息传感技术、土壤墒情传感技术、农业环境信息传感技术、农业动植物生理信息传感技术、农业个体标识技术、农业遥感技术、农业导航技术等感知技术，还包括农业无线传感器网络、农业移动互联网等传输技术，以及涉及农业数据存储技术、农业云计算、预测预警、农业智能控制、农业智能决策、农业智能诊断和农业视觉信息处理等农业数据和信息处理技术。在农业物联网应用方面，既有大田种植物联网应用、设施园艺物联网应用、畜禽养殖物联网应用、水产养殖物联网应用，又有农产品追溯追踪等应用[2-3]。可见，无论从技术层面，还是从应用领域层面，农业物联网技术包含的内容面面俱到，其学习难度可想而知。

面对复杂的农业物联网知识体系，如何加深学生尤其是研究生对农业物联网技术的基本原理和概念的理解，培养学生分析问题和解决问题的能力，成为本课程从授课方式到授课内容的先导问题。目前，在物联网技术实践教学中，已开展了一些教学模式改革措施，如将慕课技术应用到物联网专业课程教学中[4]，但还存在一些问题，如物联网技术类课程实践教学薄弱等[5]。在案例教学中，案例建设的质量直接决定案例实践教学的质量，有些教学案例存在质量或与教学目标的衔接等问题[6]，此外，还应注重案例教学方法的兴趣性和多元性[7]。

围绕这些问题，基于作者多年对农业物联网技术的探索经验，以科研反哺教学为导向，构建以案例教学辅助农业物联网技术理论知识的理解，以案例推动农业物联网技术发展的教学内容和架构体系值得思考和尝试。

1 农业物联网技术课程案例教学目标与内容

《农业物联网技术》课程教学内容的确定是围绕“面向农业应用，突出自身特色，学科交叉融合，注重理论实践，适应长远需求”的特色专业人才培育思路；围绕培养面向现代都市农业生产、加工、流通等领域，培养具备物联网理论知识，掌握信息采集与智能处理技术，熟练解决农业领域中的信息技术应用问题，能在农业生产、管理及相关部门或单位从事物联网应用工程设计、系统管理维护、应用推广等工作的应用型工程技术人才专业定位和培养目标。

基于《农业物联网技术》课程的授课内容，既有传感器、数据采集及传感网、网关、控制器等，又有模型处理与分析等内容，本文对《农业物联网技术》的授课内容进行梳理，经论证最终确定本课程主要讲授农业物联网最新的传感器数据采集技术、无线传感网组建及数据传输技术、农业环境及研究对象数据处理技术和设施种植（养殖）设施装备控制技术等知识要点。根据近年来农业物联网教学科研团队的科研成果，形成其对应的理论及案例教学内容，主要有物联网数据采集、传输及控制技术案例教学，蓝莓设施生产智能控制、智能灌溉物联网案例教学，畜牧养殖物联网智能育繁监控系统案例教学和食用菌物联网环境控制系统案例教学，具体内容及学时安排见表1。

表1 《农业物联网技术》案例教学内容及学时安排

2 案例教学内容建设

基于近几年农业物联网教学科研团队的物联网技术及应用研究成果，结合《农业物联网技术》教学大纲要求，凝练出农业物联网关键技术及在蓝莓设施生产、畜牧养殖、食用菌种植等领域的开发及应用4个典型教学案例。依托天津市农业信息技术实验教学实验中心、天津市农业物联网装备及技术科教兴农创新示范基地、天津市惠康种猪育种有限公司、天津显硕科技有限公司、重庆市畜牧科学院等产学研合作单位，开展农业物联网技术案例现场教学。

2.1 物联网数据采集、传输及控制技术案例教学内容建设

结合农业物联网关键技术，在本案例中设计了数据采集、数据传输和控制等模块的教学案例，具体包括电路设计案例、无线传感网组建和优化案例、网关设计案例、数据存储设计案例等。

本实训案例基于当前比较流行的数据采集模块，引导学生从理论和实践方面理解数据采集、数据传输的过程、原理和方法，并结合使用温度、烟雾、光敏等各类传感器，测量电压、电流、温度、压力或声音等物理现象，实现多节点组网多源数据的采集。

在智能控制与反馈案例中，采用西门子可编程控制器S7-200进行温室温度监控系统的设计。硬件方面采用CPU型号为224XP的S7-200、热电偶和温度模块EM235。热电偶作为温度的采集元件，采集的信号经过EM235处理后就可把数据送入PLC中进行处理。PLC的程序中采用了PID算法，得到一个实数，把该实数按比例算成一个整数，把该整数作为一个脉冲，脉冲宽度为t，把该脉冲信号加给电热器或风扇，达到控制室内温度的目的。采用PID控制器参数整定的方法对温度进行控制，使温度较快达到预期目标值。通过案例教学，使学生掌握S7-200PLCCPU与EM235的基本原理，掌握软件STEP 7 Micro/WIN的使用方法，掌握S7-200PLC中两种PID编程方法：梯形图法、PID指令向导法，实现基于PLC的温度控制。

2.2 蓝莓设施农业生产智能控制、智能灌溉物联网装备集成平台案例教学内容建设

本案例结合农业物联网在设施农业中的实际应用，设计卷帘机智能控制案例、光温智能控制案例、智能灌溉案例、云存储案例、手机远程控制及APP等案例建设。通过案例教学，使学生学习掌握设施农业种植物联网综合系统的开发主要过程，学习解决农业实际具体问题。在前面感知层、传输层、处理层、应用层等各层综合实训的基础上，按照本案例软硬件平台及功能设置，按照3～5人1小组，分组尝试搭建设施农业环境数据采集平台及开发手机APP远程控制软件平台。

本案例的物联网应用系统通过温湿度传感器、光照传感器采集蓝莓生产设施大棚内外空气的湿度、温度、光照等数据；通过土壤水分传感器采集土壤墒情数据；通过水质pH值传感器采集水质酸碱度数据，采取有线和无线结合的方式，采集传输数据；改进现有大棚卷帘机设备开关，根据设施大棚内的湿度、温度、光照等数据及蓝莓生长环境，采用手动、远程控制、自动开启、关闭大棚卷帘机设备；通过传感器测定用于灌溉水源的pH值水质数据，若pH值偏高，自动启动灌溉水水质改良设备，实时监控水质指标，符合条件后，根据土壤墒情，开启调控水泵等滴灌设备，实现蓝莓设施生产水质改良、灌溉智能管理。

其系统划分为4个模块：数据采集与控制、数据传输、数据存储与挖掘、人机界面，系统架构见图1。

图1 蓝莓设施农业生产智能控制系统架构图

2.3 畜牧养殖物联网智能育繁监控系统案例教学内容建设

本案例主要设计内容有畜牧养殖自动化精准环境控制子系统、数字化精准饲喂子系统、疫病监测预警预报子系统、智能化繁殖育种子系统。通过案例学生可学习掌握畜牧养殖物联网、大数据和云平台的开发与应用的主要过程；学习解决养殖物联网需求分析、硬件设备搭建和软件系统调试问题。在熟悉各功能模块的基础上，按照本案例软硬件平台及功能，以5人为1个小组，开发畜牧智慧养殖物联网监测、大数据分析和云服务的集成平台。

畜牧养殖物联网采用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备，包括了感知层、传输层和应用层3个层次的物联网建设架构，如图2所示。

感知层主要是对畜牧养殖场周围的环境信息进行探测、识别、定位、跟踪和监控，主要由信息检测系统和采集系统组成，其中传感器、RFID及二维码承担自动识别及管理的任务。传输层的功能是利用IPv6、4G、WSN（Wireless sensor networks）等技术连接智能设备和控制系统。应用层主要由畜牧养殖信息云处理、物联网信息感知、云服务等系统组成，完成数据的采集、存储、接口、运维、管理工作，支持平台开放性、海量存储性和大规模计算性能。

2.4 食用菌物联网环境控制系统案例教学内容建设

本案例以食用菌设施栽培智能化测控系统为内容，学习掌握设施农业种植物联网综合系统的开发主要过程；学习解决农业实际具体问题。在前面感知层、传输层、处理层、应用层等各层综合实训的基础上，按照本案例软硬件平台及功能，以5人为1小组，分组尝试搭建设施农业环境数据采集平台和开发食用菌设施栽培智能化测控系统（Web版）。

本案例所列举的食用菌物联网应用系统[8]，包括环境数据采集模块、网络摄像头、执行模块、食用菌栽培测控通信装置和食用菌设施栽培主控单元，环境数据采集模块、网络摄像头和执行模块均与食用菌栽培测控通信装置相连，食用菌栽培测控通信装置通过无线网桥与食用菌设施栽培主控单元相连，其系统架构如图3所示。

图3 食用菌物联网环境控制系统架构

3 《农业物联网技术》课程案例教学方法设计

《农业物联网技术》课程教学，在教学模式上实行课堂与现场结合，分课堂理论教学+网络在线演示+现场操作3个阶段，按照农业物联网各技术分支交叉加模块的新模式，采用项目任务驱动、启发式、讨论式、现场指导式等教学方法。具体改革设计为，利用校内的农业物联网专业实验室完成理论技术知识点的第一阶段学习，以及基于网络在线的数据采集、传输、控制等模块与相关案例知识点及技术讨论、虚拟环境下动手操作的第二阶段的学习。在宁河天津惠康种猪育种有限公司、武清蓝莓种植基地、北辰食用菌基地等企业开展农业物联网数据采集、传输、云存储及数据处理等具体应用案例的第三阶段现场指导式动手操作学习。

4 结论

针对农业工程专业开设的《农业物联网技术》研究生课程教学改革，本文以科研反哺教学，围绕《农业物联网技术》课程教学目标和内容，梳理并凝练了4个《农业物联网技术》教学案例。

（1）从电路设计、无线传感网组网到网关设计与控制等，设计并建设了物联网数据采集、传输及控制技术教学案例。结合农业物联网在设施农业、畜牧养殖、食用菌种植中的实际应用，在科研示范成果的基础上，设计并建设了蓝莓设施农业生产智能控制、智能灌溉物联网装备集成平台教学案例、畜牧养殖物联网动物智能感知系统教学案例和食用菌物联网环境控制系统教学 案例。

（2）本文设计了研究生《农业物联网技术》课程案例教学方法，形成了课堂理论教学+在线演示+现场操作3环节，分支交叉、多层次、多模块、重应用的教学新模式。

（3）经对2016、2017和2018级农业工程专业硕士研究生3年的教学实践验证，案例教学加深了学生对农业物联网理论知识的理解。熟知农业物联网技术的开发和应用，可有效提高学生的电路设计、无线传感网、控制、农业生物及环境数据采集、农业数据智能处理算法等农业物联网关键技术的实践技能。同时，通过案例教学，也使学生掌握了解决问题和分析问题的方法。整体上看，案例教学内容及效果达到了预期目标。

[1] 马长胜，蔡蓉蓉，王继水. “中国制造2025”背景下的高职院校物联网专业人才培养[J]. 教育与职业，2016（21）：99-101.

[2] 李道亮. 农业物联网导论[M]. 北京：科学出版社，2012.

[3] 何勇，聂鹏程，刘飞. 农业物联网技术及其应用[M]. 北京：科学出版社，2016.

[4] 郭鹏，李乃祥，刘同海. 慕课给农业物联网工程专业本科教学带来的启示[J]. 天津农学院学报，2015，22（4）：54-56.

[5] 杜宁，车楠，杨慧晶. 案例导向的物联网实践教学方法探究[J]. 黑龙江教育（高教研究与评估），2015（4）：48-49.

[6] 李寒梅. 案例教学在教师教育课堂教学中的观察与启示[J]. 中国大学教学，2013（6）：70-72.

[7] Õunapuu E. Teaching and promoting smart internet of things solutions using the serious-game approach[J]. Fusion of Smart，Multimedia and Computer Gaming Technologies，2015，84：73-90.

[8] 赵新海，张英亮，李颖，等. 基于Android的食用菌设施栽培智能测控系统的设计[J]. 天津农学院学报，2018，25（3）：84-86.

Content construction for postgraduate course of agricultural IOT technology based on case teaching

LIU Tong-hai, ZHANG Hang, ZHAO Xin-hai, LI Shou-xiao, HAO Zhi-bin, YANG Xue, MENG Yu-huan

（College of Computer and Information Engineering, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China）

In view of the complex knowledge system on agricultural Internet of Things, case teaching playsthe especially important role in deepening the graduate students’ understanding of the basic principles and concepts of agricultural Internet of Things technology, and cultivatingstudents’ ability to analyze and solve practical problems. Combined with the teaching reform of “Agricultural Internet of Things Technology” set up by the agricultural engineering postgraduate program, this paper focusedon the teaching objectives and content of the “Agricultural Internet of Things Technology” course, and collected and analysed four teaching samples, including the data collection, transmission of the Internet of Things and control technology, blueberry facility agricultural production intelligent control, intelligent irrigation IoT equipment integration platform, animal husbandry IoT intelligent sensing system and edible fungus IoT environmental control system. A new teaching mode of multi-stage, multi-level and emphasizing practical operation was formed with “classroom theory teaching + online demonstration + field operation” as the main form. Teaching methods such as project task-driven, heuristic, discussion, and on-site instruction wereadopted. Through practice, theteaching content, teaching modes and teaching methodsof case teacing have achieved the expected teaching goals.

agricultural IOT technology; case teaching; new teaching mode

1008-5394（2020）03-0102-05

10.19640/j.cnki.jtau.2020.03.024

P641.131；S152.72

B

2019-06-02

教育部产学合作协同育人项目（201802060001）；天津市科技发展战略研究计划（18ZLZXZF00010）；天津农学院研究生培养质量提升项目（2017YAL009）；天津农学院教改项目（2018-B-23）；天津农学院重大教改招标课题（2017-B-03）

刘同海（1977-），男，教授，博士，主要从事农业物联网及人工智能方面的研究。E-mail：liutonghai@tjau.edu.cn。

责任编辑：张爱婷