物联网智慧农业实训室概述

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》圈定了10大领域重点示范工程，智能农业便是其中之一。《物联网十四五发展规划》 圈定物联网是我国7大数字经济重点产业之一，加快发展智慧农业，推进农业生产经营和管理服务数字化改造是十四五规划和2035年远景目标之一。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中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，物联网智慧农业实训室是保障此专业能较好完成教学效果的前提和必要条件。

第一部分 前景

1.1物联网智慧农业实训室就业前景

智慧农业就是将物联网技术运用到传统农业中去，运用传感器和软件通过移动平台或者电脑平台对农业生产进行控制，使传统农业更具有智慧。除了精准感知、控制与决策管理外，从广泛意义上讲，智慧农业还包括农业电子商务、食品溯源防伪、农业休闲旅游、农业信息服务等方面的内容。过去，农业的机械化生产，大大的提高了生产效率，但是机械化仍然没有脱离人的操控，而智慧农业将使农业的生产过程彻底摆脱人为操作，进而提高生成效率，节省人力。

智慧农业的发展前景

智慧农业通过生产领域的智能化、经营领域的差异性以及服务领域的全方位信息服务，推动农业产业链改造升级;实现农业精细化、高效化与绿色化，保障农产品安全、农业竞争力提升和农业可持续发展。因此，智慧农业是我国农业现代化发展的必然趋势，需要从培育社会共识、突破关键技术和做好规划引领等方面入手，促进智慧农业发展。

改革开放以来，我国农业发展取得了显著成绩，粮食产量"十二连增"，蔬菜、水果、肉类、禽蛋、水产品的人均占有量也排在世界前列，但代价不菲。一是化肥农药滥用、地下水资源超采以及过度消耗土壤肥力，导致生态环境恶化，食品安全问题凸显;二是粗放经营，导致农业竞争力不强，出现农业增产、进口增加与库存增量的"三量齐增"现象，越来越多低端农产品滞销。解决这些问题就需要大力发展以运用智能设备、物联网、云计算与大数据等先进技术为主要手段的智慧农业。

我们国家是农业大国，而非农业强国。过去农业高产量主要依靠农药化肥的大量投入，大部分化肥和水资源没有被有效利用，造成浪费和环境污染。我国农业生产仍然以传统生产模式为主，耕种只能凭经验施肥灌溉，不仅浪费大量的人力物力，也不利于生态环境的保护。可以说农业生产的发展远落后于发达国家，而智慧农业可以推动农业产业链改造升级，实现农业精细化、高效化与绿色化，保障农产品安全、产品竞争力和农业可持续发展，这是我们国家农业发展实现弯道超车的一个机遇。 所以，智慧农业可以说是我国农业现代化发展的必然趋势，未来、政府和企业都会需要大量的相关人才帮助其实现智慧农业。

智慧农业的应用领域

目前，智慧农业已经在很多农业企业中得到实现，主要运用在对植物生长环境的监控监测以及调控。如监测土壤水分、土壤温度、空气温度、空气湿度、光照强度、植物养分含量等参数，并且智能系统根据以上各类信息的反馈对农业园区进行自动灌溉、自动降温、自动卷模、自动进行液体肥料施肥、自动喷药等自动控制。不但节省了人力、提高了效率，科学的培育、恰当的生长环境，也会让农业的产量大大提升。这仅仅是智慧农业的一个应用领域，除此之外，农机定位、仓储管理、食品溯源等环节都可以通过智慧农业的实现，得到更加科学、高效的发展。

中国智慧农业市场发展规模

根据中投产业研究院发布的《2020-2024年中国智慧农业深度调研及投资前景预测报告》，中国智慧农业的潜在市场规模由2015年的137亿美元增长至2019年的232亿美元左右，并且有望继续增长。

图表1　2015-2019年中国智慧农业潜在市场规模

数据来源：中投产业研究院

1.2 物联网智慧农业实训室1+X证书物联网云平台运用职业技能等级标准

职业技能等级划分

物联网云平台运用职业技能等级分为三个等级：初级、中级、高级，三个级别依次递进，高级别涵盖低级别职业技能要求。

【物联网云平台运用】（初级）：了解物联网云平台及物联网应用的技术架构，了解物联网通信协议和通信方式；能够基于物联网云平台实现端到端应用开发的基础步骤，包括设备创建、设备管理、设备接入、数据管理、数据处理、数据推送等

【物联网云平台运用】（中级）：熟悉物联网云平台架构及其核心能力，熟悉物联网通信协议及应用场景，熟悉产品协议选型以及通信方式选型，能够编写基于物联网云平台的垂直行业场景解决方案并通过运用平台完成端到端应用开发的全流程。

【物联网云平台运用】（高级）：掌握物联网云平台所有功能的运用，掌握多源异构设备通过多种主流公有协议和私有协议接入云平台的技能，掌握数据调用和处理方法，能够独立完成基于物联网云平台的产品开发和多场景的数据可视化应用开发。

职业技能等级要求描述

表 1 物联网云平台运用职业技能等级要求（初级）

1.3物联网智慧农业实训室建设的需求分析和必要性

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。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。

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，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。

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。

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。

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与灵活应用，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、智慧农业等。

互联网小常识：基础服务器一般是只有1个CPU，工作组级服务器一般支持1-2个CPU,部门级服务器一般支持2-4个CPU，企业级服务器一般支持4-8个CPU。

第二部分 物联网智慧农业实训室介绍

2.1智慧农业实训室应用平台

唯众物联网应用实训平台（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。

实训室平台图

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。

物联网智慧农业实训室效果图

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、传感节点、无线传输系统等 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，采集器使用四模拟采集器和数字量采集器，执行器有继电器、点阵显示、语音播报等设备，传感器包括光照传感器、温湿度传感器、人体红外开关、水量检测传感器。

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CC2530采集器采集光照、温湿度传感器数据，通过STC15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，STC15通过RF433M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RF433M将指令传给STC15 ；

（6）STC15 给继电器输出指令，控制风扇的开闭。

2.2核心部件功能介绍

网关功能介绍

物联网网关作为系统设备域的重要部件.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。PC端使用可视化控制器显示光照传感器、温湿度传感器、人体红外传感器的采样值，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）显示功能，至少可显示 6 路传感器数据；

互联网小常识：网络管理系统一般由管理进程（Manager）、被管对象（MO）、代理进程（Agent）、管理信息库（MIB）和网络管理协议（SNMP和CMIP）五部分组成。

（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）内置多种通信协议，支持RF433M、zigbee、串口、LoRa等；

（5）支持断线储存功能，最大支持 5 000 条记录。

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RF433M对STC15 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。

云平台功能介绍

物联网云服务平台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。

云平台功能截图

2.3 物联网智慧农业实训平台的意义

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。

第三部分 典型案例

湖北生态工程职业技术学院信息机电学院物联网智慧农业实训室

物联网智慧农业实训基地平面设计图

物联网智慧农业实训室

物联网智慧农业实训基地

物联网智慧农业远程监控系统

物联网智慧农业实训基地实训设备