劉永華

（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 句容 212400）

0 引 言

隨著中國城鎮(zhèn)化和勞動(dòng)力老齡化的加劇，勞動(dòng)力成本越來越高，農(nóng)業(yè)面臨著“誰來種地，怎樣種好地”的重大問題，將現(xiàn)代信息技術(shù)與大田作物智慧生產(chǎn)深度融合，大力發(fā)展智慧種植業(yè)已成為重要國家戰(zhàn)略之一，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物生產(chǎn)過程的精準(zhǔn)感知、定量決策、智能作業(yè)與智慧服務(wù)，全面提升農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量效益和促進(jìn)種植業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1]。大田種植業(yè)是中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要組成部分，中國政府一直把糧食生產(chǎn)放在農(nóng)業(yè)主要地位，國家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布2022 年糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)顯示，糧食總產(chǎn)量68 653 萬t，比2021 年增加368 萬t，增長(zhǎng)0.5%[2]。2023 年中央一號(hào)文件《中共中央、國務(wù)院關(guān)于做好2023 年全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興重點(diǎn)工作的意見》中指出，要加強(qiáng)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，重點(diǎn)補(bǔ)上農(nóng)田灌排設(shè)施等短板，統(tǒng)籌推進(jìn)高效節(jié)水灌溉。

智慧大田生產(chǎn)管理系統(tǒng)由生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、智能精準(zhǔn)灌溉施肥系統(tǒng)、壓力補(bǔ)償噴灌系統(tǒng)、智慧大田管控平臺(tái)等組成，屬于典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，在機(jī)電一體化技術(shù)等專業(yè)引入智慧大田系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)非常有必要。但系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)安裝過程中，存在區(qū)域廣、設(shè)備重、現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)難等問題，因此設(shè)計(jì)開發(fā)一套智慧大田虛擬仿真系統(tǒng)，按照大田的實(shí)際場(chǎng)景來建設(shè)虛擬場(chǎng)景，開展智慧大田相應(yīng)系統(tǒng)的虛擬仿真教學(xué)，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合[3-5]。

1 智慧大田虛擬仿真系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智慧大田虛擬仿真系統(tǒng)主要應(yīng)用于機(jī)電一體化技術(shù)、電氣自動(dòng)化技術(shù)等專業(yè)課程的實(shí)踐教學(xué)，以江蘇農(nóng)博園的智慧大田為對(duì)象，基于OBE 成果導(dǎo)向的教學(xué)理念，以學(xué)生最終能進(jìn)行智慧大田系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為目標(biāo)，進(jìn)行智慧大田虛擬仿真系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，見圖1。共有5 個(gè)模塊：第1 個(gè)模塊是“走進(jìn)智慧大田”，以第一視角的方式進(jìn)入江蘇農(nóng)博園，到智慧大田；第2 個(gè)模塊是“智慧大田仿真系統(tǒng)的搭建”，進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、精準(zhǔn)灌溉施肥系統(tǒng)、灌溉閘閥控制系統(tǒng)等硬件部分的搭建和軟件平臺(tái)的操作；第3 個(gè)模塊是“精準(zhǔn)灌溉施肥機(jī)的使用”，掌握高效節(jié)水灌溉的原理和操作；第4 個(gè)模塊是“精準(zhǔn)灌溉施肥機(jī)的電氣控制”，進(jìn)行虛擬接線和調(diào)試；第5 個(gè)模塊是“在線評(píng)價(jià)”，在前4 個(gè)模塊中設(shè)置相應(yīng)的答題評(píng)價(jià)，答完會(huì)反饋相應(yīng)的分?jǐn)?shù)，做到即學(xué)即評(píng)價(jià)。

2 智慧大田虛擬仿真系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

智慧大田生產(chǎn)管理系統(tǒng)由生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、智能精準(zhǔn)灌溉施肥系統(tǒng)、壓力補(bǔ)償噴灌系統(tǒng)、智慧大田管控平臺(tái)等組成。生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng)環(huán)境的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量等環(huán)境參數(shù)，虛擬仿真軟件中展現(xiàn)的數(shù)據(jù)，是安裝在大田的智能氣象站通過傳感器實(shí)時(shí)采集而來的；精準(zhǔn)灌溉施肥系統(tǒng)主要包括精準(zhǔn)灌溉施肥機(jī)的組裝、工作原理、電氣控制等，實(shí)際工作時(shí)，在虛擬仿真軟件中也能看到對(duì)應(yīng)部分的動(dòng)畫展示；壓力補(bǔ)償噴灌系統(tǒng)由主管道、地里的分支管道、灌水器等組成。操作人員可以通過虛擬仿真軟件中的智慧大田管控平臺(tái)控制主泵、地塊電磁閥、精準(zhǔn)灌溉施肥機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)依據(jù)各地塊對(duì)水肥的需求進(jìn)行分區(qū)灌溉與施肥管理。通過智慧大田虛擬仿真系統(tǒng)的功能分析，進(jìn)行了虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，主要達(dá)到以下目的：

（1）熟悉智慧大田的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、基本組成和日常運(yùn)維。

（2）掌握環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成、傳感器的布置及安裝、組網(wǎng)原理等。

（3）掌握精準(zhǔn)灌溉施肥機(jī)的施肥管路搭建、硬件安裝、工作原理等。

（4）掌握智慧大田系統(tǒng)的電氣控制原理、電氣控制系統(tǒng)的線路連接與調(diào)試、遠(yuǎn)程控制等。

（5）了解智慧大田各子系統(tǒng)之間的連接關(guān)系，最終實(shí)現(xiàn)整機(jī)聯(lián)調(diào)及運(yùn)行。

2.1 走進(jìn)智慧大田

以學(xué)校第一實(shí)訓(xùn)基地江蘇農(nóng)博園內(nèi)的智慧大田為對(duì)象，讓學(xué)生以第一視角的方式進(jìn)入江蘇農(nóng)博園，通過漫游的場(chǎng)景、輔助的動(dòng)畫文字等，引導(dǎo)學(xué)生了解智慧大田的組成、操作方法與注意事項(xiàng)，達(dá)到讓學(xué)生直觀認(rèn)知的效果。

2.2 智慧大田仿真系統(tǒng)的搭建

基于OBE 教學(xué)理念，以實(shí)際智慧大田的需求為目標(biāo)，在虛擬仿真軟件中搭建出與實(shí)際智慧大田場(chǎng)景一致的智慧大田仿真系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、整體設(shè)計(jì)能力、虛擬仿真操作能力和調(diào)試能力。智慧大田仿真系統(tǒng)的搭建主要包括以下3 個(gè)部分：

（1）環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的搭建。通過環(huán)境溫度、濕度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量等傳感器的搭配使用，完成大田智能氣象站的搭建，了解各類傳感器的功能、量程、精度、數(shù)據(jù)傳輸方式等，最終將大田現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集到的相關(guān)參數(shù)在虛擬仿真軟件中展現(xiàn)。

（2）精準(zhǔn)灌溉施肥系統(tǒng)的搭建。從精準(zhǔn)灌溉施肥機(jī)各部分硬件的搭建開始，到灌溉施肥管路的搭建，再到電氣控制部分的搭建，通過一步一步的搭建，讓學(xué)生掌握精準(zhǔn)灌溉施肥系統(tǒng)的組成、各部分的功能和操作方法等。

（3）壓力補(bǔ)償噴灌系統(tǒng)的搭建。按照大田的實(shí)際面積和具體地塊位置，選擇主管與支管的口徑，規(guī)劃田間管道布局，計(jì)算所需的噴頭數(shù)量，并在虛擬仿真軟件中進(jìn)行搭建，配合地塊電磁閥，實(shí)現(xiàn)通過控制電磁閥分區(qū)精準(zhǔn)灌溉與施肥。

通過智慧大田仿真系統(tǒng)的搭建，逐步引導(dǎo)學(xué)生從頂層設(shè)計(jì)開始，到各個(gè)子系統(tǒng)的搭建，通過自己的動(dòng)手操作，一步一步實(shí)現(xiàn)功能，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。例如精準(zhǔn)灌溉施肥系統(tǒng)的搭建實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程分為以下4 步進(jìn)行：

（1）對(duì)照實(shí)驗(yàn)室精準(zhǔn)灌溉施肥系統(tǒng)的實(shí)物，引導(dǎo)學(xué)生了解精準(zhǔn)灌溉施肥系統(tǒng)的組成。

（2）讓學(xué)生在虛擬仿真軟件中獨(dú)立進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉施肥系統(tǒng)的搭建，學(xué)生虛實(shí)結(jié)合，教師巡回指導(dǎo)。

（3）對(duì)學(xué)生操作過程中出現(xiàn)的常見問題，老師進(jìn)行集中講解，并示范操作。

（4）學(xué)生獨(dú)立完成精準(zhǔn)灌溉施肥系統(tǒng)的搭建，并完成相應(yīng)模塊的答題練習(xí)。

2.3 精準(zhǔn)灌溉施肥機(jī)的使用

精準(zhǔn)灌溉施肥機(jī)采用學(xué)院自主研發(fā)的NL-3 型施肥機(jī)為模型，給傳統(tǒng)教學(xué)增加了更形象、更直觀的展示方式。通過虛擬仿真操作讓學(xué)生掌握精準(zhǔn)灌溉施肥機(jī)的工作原理、各部分的功能、使用方式等。精準(zhǔn)灌溉施肥機(jī)的工作原理通過動(dòng)畫方式展示，直觀易懂。一方面，實(shí)際精準(zhǔn)灌溉施肥機(jī)的操作會(huì)在虛擬仿真軟件中展示出來，虛實(shí)結(jié)合，彌補(bǔ)了設(shè)備實(shí)際操作時(shí)觀察難的問題；另一方面，可以通過虛擬仿真軟件來控制實(shí)際精準(zhǔn)灌溉施肥機(jī)的相應(yīng)操作，實(shí)現(xiàn)了虛擬軟件對(duì)實(shí)際設(shè)備的控制。

2.4 精準(zhǔn)灌溉施肥機(jī)的電氣控制

精準(zhǔn)灌溉施肥機(jī)的電氣控制接線需要先畫出原理圖、接線圖，然后一步一步接線，可能會(huì)出現(xiàn)線全部接好了，但調(diào)試卻出現(xiàn)了故障。查故障的過程會(huì)有些繁瑣，還可能存在查不出故障的現(xiàn)象。因此，在精準(zhǔn)灌溉施肥機(jī)的電氣控制部分，通過虛擬仿真軟件進(jìn)行模擬接線非常重要，可以讓學(xué)生先模擬完成虛擬接線，再進(jìn)行實(shí)物接線，保證接線的準(zhǔn)確性。這一部分主要在虛擬軟件中設(shè)計(jì)3 個(gè)部分：（1）各個(gè)元器件的功能介紹及使用說明；（2）虛擬接線，包括數(shù)據(jù)采集模塊的虛擬接線和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的虛擬接線；（3）PLC 的編程、模擬仿真調(diào)試。

2.5 在線測(cè)評(píng)系統(tǒng)

改變傳統(tǒng)的課堂教學(xué)評(píng)價(jià)方式，采用多元評(píng)價(jià)體系，注重過程評(píng)價(jià)。通過在虛擬仿真軟件中設(shè)置相應(yīng)模塊的答題，學(xué)生答題結(jié)束后及時(shí)反饋答題的分?jǐn)?shù)，來檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，即做即評(píng)有利于學(xué)生更好地了解自身的掌握情況，也方便老師隨時(shí)了解每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，做到心中有數(shù)、分類施教，真正做到教學(xué)相長(zhǎng)。

3 智慧大田虛擬仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

智慧大田虛擬仿真系統(tǒng)基于Unity3D 平臺(tái)開發(fā)，采用C#語言編程，3Ds Max、MAYA 建模，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建智慧大田實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景及場(chǎng)景內(nèi)各個(gè)互動(dòng)設(shè)備的三維模型，用戶可在三維場(chǎng)景中自由漫游，掌握基于精準(zhǔn)灌溉施肥機(jī)的智慧大田系統(tǒng)的組成、作業(yè)過程、精準(zhǔn)灌溉施肥機(jī)的工作原理等。系統(tǒng)利用動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型實(shí)時(shí)模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和過程，通過3D 仿真交互式操作，產(chǎn)生和實(shí)際一致的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果。支持鼠標(biāo)點(diǎn)擊交互、鍵盤移動(dòng)操作，通過文字說明、動(dòng)畫演示等輔助效果提供立體感受，真正使用戶實(shí)現(xiàn)身臨其境的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，每位學(xué)生都能親自動(dòng)手操作。

智慧大田虛擬仿真系統(tǒng)可與學(xué)校的開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)進(jìn)行無縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)資源共享和網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)。

4 結(jié) 語

通過智慧大田虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)與探索，進(jìn)一步將機(jī)電技術(shù)賦能現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的典型案例引入到課堂教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)農(nóng)、愛農(nóng)、為農(nóng)服務(wù)的意識(shí)和動(dòng)手操作能力。通過虛實(shí)結(jié)合的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，讓學(xué)生先了解實(shí)物，再利用虛擬仿真軟件模擬搭建實(shí)物進(jìn)行實(shí)操訓(xùn)練，由實(shí)到虛，再由虛到實(shí)，虛實(shí)結(jié)合、虛實(shí)互補(bǔ)。另外，虛擬仿真軟件全天開放，方便學(xué)生隨時(shí)隨地進(jìn)行在線實(shí)驗(yàn)，教師給學(xué)生布置探究性的學(xué)習(xí)任務(wù)，鼓勵(lì)學(xué)生自己查閱資料，寫預(yù)習(xí)報(bào)告或?qū)嶒?yàn)改進(jìn)報(bào)告，教師在線指導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。