基于Arduino 的物联网智慧农业系统教具设计

黄驷基，李海生，郑薇，方莹，欧城辉，覃德浩，覃颂

（广西民族师范学院 数理与电子信息工程学院，广西崇左，532200）

0 引言

根据2018 年教育部颁布的《高等学校人工智能创新行动计划》提出在中小学普及人工智能教育，以及2020年3月，中共中央、国务院印发《关于全面加强新时代大中小学劳动教育的意见》确定，劳动教育将是中国国民教育系统的重点教学内容。近年来，由于中国高新技术的蓬勃发展，在人工智能领域也成长得很快，但面对中小学的计算机教学仍不普及，且中小学生物联网知识教具的匮乏，同时，随着我国耕地日益减少，中小学也无法深入体验粮食作物的栽培过程，因此劳动教学的成效也不佳。而面对上述情况，为了推广中小学的计算机教学和提升中小学的劳动教学效率，本设计研究出基于Arduino 的物联网智慧农业系统教具，把编程和农业集于一体进行教学，图形化编程降低了中小学生学习编程的难度，采用这种方式更具有趣味性，从而调动了中小学生的积极性。此外，还可以对现代农业劳作具有一定的认知，了解智慧农业对提高农业生产经营效率的作用，在搭建的过程中，可以认识各种硬件器材，拓展眼界，实现多方面培养，锻炼中小学生的思维与逻辑，提高中小学生的动手能力。

1 农业系统

该设计从硬件与软件两大方面构成教具，让中小学生在学习编程的同时得到运用，并在实物方面设计为智慧农业系统，让中小学生亲身体会蔬果栽植的过程，体验农业的有趣性，了解不同蔬果成长时所需的各种外界条件，如光照、土壤温湿度等。系统总体分别由农业气象台系统、土培种植系统两大部分组成。以“米思齐”软件进行编程，编程模式为图形化编程并且可转化为C 语言语句移植到Arduino软件提高编程灵活性；软件方面使用图形化程序开发、手机客户端APP 开发、HMI 串口屏界面设计三方面相融合。农业系统的整体框架如图1 所示。

图1 农业系统整体框架

■1.1 农业气象台系统

气象台主要由Arduino 作为主控、传感器由风速度模块、光照强度模块、大气压强模块、温湿度模块、空气质量模块等构成用以采集周围环境情况，太阳能供电系统、液晶屏显示系统、物联网模块作为支撑该系统基础部分。通过集成有MAX44009 光强度传感器、BMP280 大气压强传感器、温湿度传感器的DHT11 模块进行传感器冗余优化；太阳能供电系统给系统提供了可靠而稳定的电源，并且节约了极大部分的电力资源。农业气象台系统可以让学生们充分了解自身所处环境的情况，科普气象等方面的知识，拓展学生的认知区域。

■1.2 土培种植系统

土培种植系统主要由Arduino主控制，维持系统正常运行的光照度、环境温湿度、土壤湿度、空气质量、大气压等多类传感器以及电源模块，用以联网和显示的物联网模块和显示模块这几大部分构成。

通过土壤种植方式将农作物种植到土壤当中，这种种植方式是目前最为普遍的方法之一。优点是土壤中的营养元素更为丰富，不需要经常施肥，日常养护以浇水为主。且生长速度比其他种植方式要快。缺点是需要占用较多土地，容易招虫并且需要经常浇水特别是到夏季的时候。此类种植方法的缺点通过本设计的土培种植系统优化之后大大地解决了由此带来的问题。通过Arduino 专用主控板收集多种传感器送回的数据并进行处理分析之后进行相应的操作，以维持种植系统的正常运转。例如，当土壤中的水分达不到植物的需求时，土壤湿度传感器采集到湿度数据然后传回主控，经过主控对比最优水分值开启浇水系统，当土壤湿度达到阈值时自动关闭。学生们只需要查阅相关资料，了解蔬果所需光照、土壤温湿度等的各种阈值，然后进行设定，即可等待并观察蔬果的生长过程，有效地降低了蔬果栽培的难度。

2 编程教育

本软件设计考虑到中小学生的接受能力以及学习能力，采用“米思齐”软件进行图形化编程，并且可将图形化生成的代码移植到Arduino 软件进行编程，提高了学习对象的层级。图形化编程不仅有助于中小学生接受和理解，还使编程生动形象化，丰富了学生们的视觉，增加了学习编程的趣味性，实现面向小学生和中学生的双向选择。同时此开发方式还具有多种图形化库可供选择以方便进行硬件驱动程序的开发和加快系统搭建的速度。中小学生可以根据教具配套的教材进行模块化代码的拼接，还能在原有的基础上进行创新，这样的学习方式既开拓了学生们的逻辑能力，也有助于创造思维的拓展。

■2.1 气象台程序设计

如图2 所示。

图2 气象台程序流程图

■2.2 土培种植系统

如图3 所示。

图3 土培种植系统程序流程图

■2.3 手机APP 的程序设计

App Inventor 是一款完全在线图形化开发的手机APP网站，这款手机APP 开发网站不需要太多的编程基础，只需要在使用的时候看一下书册，使用方式比较简单与方便，使用时可以按照自己的想法对手机的页面进行布局，布局的方式很简单，只要将自己需要的组件拖拽到自己想要摆放的位置即可，编程的方式就是与拼图类似，把对应的代码块拼接到一起就可以了，学习起来极为简单与方便。不需要太多的时间，便捷了开发人员和初学者，很适合中小学生使用。手机APP 主要程序如图4 所示。

图4 手机APP 部分程序

■2.4 HMI 串口屏的界面设计

线下显示则通过主控板与串口屏的连接将主控收集到的传感器信息以及物联网模块获取的天气信息显示到屏幕当中。让学生们可以实时在屏幕上监控数据的变化。

USART HMI 是一种以串口命令进行控制的触摸显示屏，可以显示文字、图案等，并且显示屏的分辨率可达到800×400，显示屏的清晰度满足日常需求，同时具备按钮控件、图片控件、定时器控件、音频控件等多种组态控件，因此其性价比非常可观。该串口屏使用串行通信，在触摸屏与控制器之间通过串口进行数据交换。

使用HMI 串口屏自带的编程软件USART HMI，这款编程软件是基于C 语言的编程环境，而且附带教程网站，HMI 串口屏可以支持触屏。操作简单方便。首先，将对界面进行设计，可以通过工具栏添加所需要的文本框、按键、下拉框、输入框等多种控件，通过Arduino 主控制板的串口进行通信。其次，是HMI 串口屏的程序编写，使用USART HMI 编程软件对其编写程序，Arduino 主控系统可以通过串口发送指令来控制HMI 串口屏的显示内容，本设计以串口屏制作了气象台系统和土培种植系统显示与操控面板。最后，将下载器连接到电脑并通过专用软件将程序烧录到屏幕即可。串口屏界面的多样化可塑性，激发了中学生的好奇心，并使学生的动手能力、想象力得到提升和发挥。土培系统页面设计如图5 所示。

3 硬件认知

■3.1 Arduino 主控制板

Arduino 主控制板作为农业气象台和土培种植系统的核心部分，其芯片ATMega328 是作为搭建Arduino 最小系统的首要条件，特点是易操作、资源端口多、源码丰富等。主要负责系统内部数据的接收和发送，由数字管脚作为输入端，采集各类传感器数据，输出端采用串口输出管脚连接串口屏和物联网模块，将采集的数据反馈到显示屏及监控设备。土培种植系统则增加和更换部分传感器来进行数据采集，并对相应的设备进行操作。

Arduino 主控系统电路图如图6 所示。

图6 Arduino 主控系统电路图原理图

■3.2 土培种植系统数据采集模块

数据采集模块由风速传感器、光照强度传感器、大气压强传感器、土壤湿度传感器、空气温湿度传感器、PM2.5空气质量传感器、CO2传感器、烟雾传感器，SIM900A 短信模块、ESP8266 物联网模块构成。各部分模块如图7 所示。

图7 数据采集模块原理图

水是生命之源，在农业种植当中，水分显得额外重要，通过土壤湿度传感器实时检测，当土壤中的水分超出农作物适宜的湿度范围时，将采集到的土壤湿度数据传输回主控芯片，经过主控对比最优水分值开启浇灌系统，达到阈值时浇灌完成后自动关闭。

由于地理位置的差异，造成不同地区温度及光照强度相差甚远，限制了种植农作物的品种，采用温湿度传感器检测种植环境的温度，光照强度传感器检测植物可以吸收的光照强度，学生们可以根据不同物种设置不同的阈值，实施同样的方法将传感器采集到的数据传送回主控芯片，超出阈值时将计算最佳光照强度及光照时间进而控制遮阳棚和补光灯的断开与闭合。

在安全方面还加入烟雾报警系统，在火情发生时，烟雾传感器和空气质量传感器同时超过安全阈值就会发送高电平传回主控触发蜂鸣器报警，并且开启洒水系统进行灭火，再通过SIM900A 短信模块进行发送警报短信。进一步保障了中小学生在学习、探索的过程中的安全，体现了智慧农业的智能性。

■3.3 气象站太阳能供电系统

通过该系统的配置让中小学生了解太阳能的绿色环保、能源质量高等优点，激发中小学生的探索思维，寻找绿色环保的可再生资源。它的组成主要由太阳能板、可控制充放电模块、蓄电池这几部分给气象台系统提供能源。使用太阳能供电不仅可以节约资源，还可以解决停电无法工作的情况，利用蓄电池能够储存大量电量的特性，为本系统提供了源源不断的电源。供电系统框架如图8 所示，图9 为系统电路图。

图8 太阳能供电系统框架图

图9 太阳能供电系统电路图

■3.4 物联网模块

物联网模块采用ESP8266 作为联网操作的基础模块，该模块支持多种动作模式（STA、AP、STA+AP），同时可进行AP 指令调试方便应用各种场合，具有16 位高精度ADC 为主控减轻运行负担、采用低功耗32 位CPU 做核心将耗电降至最低，并且支持一键联网省去了开发过程中程序调试困难的问题。项目通过此模块将农业系统主控芯片采集到的传感器信息通过云端作为网络桥梁，将所需的数据传输到网上云平台进行实时显示。图10为物联网模块电路原理图。

图10 物联网模块-ESP8266 最小系统

4 结语

综上所述，当代社会人工智能产业发展迅速，发展该领域的教育，制作基于物联方面技术的相关教具，有利于培养具有信息素养和创新能力的人才，更多样化、信息化的发展劳动教育，教具以“智慧农业”为载体，农业种植问题与我们的一日三餐密切相关，可以激发学生内在的学习动机，提高中小学生对劳动及人工智能方面的兴趣，并且让中小学生了解农业蔬菜种植的全过程，体会粮食的来之不易。