导语

  

内容提要

  

    本书是一本注重实战的农业电子信息系统开发指南。全书贯彻“做中学”的理念，通过完整的项目实践，引导读者从需求分析开始，经历硬件选型、电路设计、传感器与执行器的应用、嵌入式编程、数据采集处理及上位机开发等流程，最终构建一套贴近实际应用的农业环境监测或智能控制系统。每章之后均附有思考题和设计题，答案可扫描目录之后的二维码获取。
    本书旨在帮助读者掌握硬软结合的系统集成能力，深入理解农业工程的特殊需求与挑战，并培养读者解决复杂工程问题的综合素养。本书适合农业工程、电子信息、自动化、物联网等相关专业的师生作为实践参考，也适合农业现代化领域的工程师和技术爱好者参考使用。

    王忠义，博士，中国农业大学信息与电气工程学院教授、博士生导师。长期从事生物电子学、传感器、智能仪器及农业电子信息技术的教学和科研工作，主持和参与多项国家级课题，发表论文多篇，拥有多项发明专利和软件著作权。

第1章  农业电子信息系统入门与项目规划
  1.1  实践开篇：认识身边的农业电子信息系统
    1.1.1  从案例开始：智能温室、精准灌溉、畜禽舍监控
    1.1.2  系统核心组成：传感器、控制器、执行器、通信单元
    1.1.3  本书核心实践项目介绍：温室环境监测与自动调控系统
  1.2  项目启动：如何定义系统需求
    1.2.1  实践方法
    1.2.2  确定关键监测参数与控制目标
    1.2.3  明确设计约束
    1.2.4  项目规范化管理
  1.3  设计工具入门：使用绘图工具勾勒系统框架
    1.3.1  工具介绍
    1.3.2  手动绘制：系统框图与数据流图
  1.4  必须遵循的规范与标准
    1.4.1  电气安全规范
    1.4.2  电磁兼容性设计考虑
    1.4.3  农业环境下的防护等级选择指南
  本章总结
  思考题
  设计题
第2章  感知层设计——选对和用好传感器
  2.1  农业常用传感器原理与选型实战
    2.1.1  温湿度传感器：DHT22、SHT3X的对比与选型
    2.1.2  光照度传感器：BH1750的使用场景
    2.1.3  土壤水分传感器：电阻式与电容式的区别与校准方法
    2.1.4  其他环境传感器简介：CO2、pH值、EC值
  2.2  传感器电路设计与信号调理
    2.2.1  实战电路搭建：上拉电阻、分压电路、滤波电路
    2.2.2  运算放大器的使用：如何放大微弱的传感器信号
    2.2.3  模数转换原理与单片机内置模数转换器的使用
  2.3  传感器校准与数据准确性保障
    2.3.1  实践方法：一点校准和两点校准
    2.3.2  动手操作：使用标准仪器对土壤水分传感器进行现场校准
    2.3.3  数据处理：剔除异常值的简单算法
  本章总结
  思考题
  设计题
第3章  控制核心设计——微控制器与印制电路板设计
  3.1  微控制器选型：Arduino、ESP32、STM32对比
    3.1.1  核心参数解读：主频、Flash、RAM、GPIO数量
    3.1.2  项目选择：为何选用ESP32
  3.2  开发环境搭建与基础程序编写
    3.2.1  工具安装：Arduino IDE或VS Code的配置
    3.2.2  第一个程序：点亮LED
    3.2.3  关键编程实践：读取传感器数据
  3.3  印制电路板设计实战
    3.3.1  设计工具入门：嘉立创EDA快速上手
    3.3.2  从原理图到PCB：绘制传感器接口、电源模块、MCU最小系统
    3.3.3  PCB板层与布局布线核心规范
    3.3.4  生成制造文件并下单打样实战流程
    3.3.5  打样的调试与修复
  本章总结
  思考题
  设计题
第4章  执行层与通信设计——让系统“动”起来
  4.1  驱动执行器件：继电器、电机、电磁阀
    4.1.1  继电器模块使用：控制220V交流设备的安全规范
    4.1.2  直流电机驱动：L298N模块控制水泵、卷帘
    4.1.3  电路设计要点：隔离、续流二极管、功率计算
  4.2  通信技术选择与实现
    4.2.1  短距离通信：ESP32的Wi-Fi连接与数据发送
    4.2.2  远距离低功耗通信：LoRa模块点对点通信实战
    4.2.3  通信协议设计：定义简单的自定义数据帧格式
  4.3  系统供电设计
    4.3.1  方案选择：市电、电池、太阳能
    4.3.2  电源模块设计：LM2596、AMS1117的使用
    4.3.3  低功耗设计规范：休眠模式、定时唤醒
  本章总结
  思考题
  设计题
第5章  软件与云平台设计——数据的存储与展示
  5.1  嵌入式程序结构优化
    5.1.1  实践方法：使用状态机管理复杂逻辑
    5.1.2  编写自动控制逻辑：if-else语句与PID控制算法简介
  5.2  云平台选择与数据接入
    5.2.1  主流IoT平台对比：ThingsBoard、阿里云IoT、SIoT
    5.2.2  实战：将ESP32数据通过MQTT协议上传到ThingsBoard
  5.3  构建简易的上位机监控界面
    5.3.1  工具介绍：使用Node-RED快速拖曳生成Web界面
    5.3.2  动手操作：创建实时数据曲线、历史数据表格、手动控制按钮
    5.3.3  实现报警功能：温度超过阈值时发送邮件或短信提醒
  本章总结
  思考题
  设计题
第6章  系统集成、测试与部署
  6.1  系统集成与组装
    6.1.1  机箱与外壳选择：防水盒、防尘设计
    6.1.2  布线规范：线缆颜色区分、标签、固定与防护
    6.1.3  整体组装：将传感器、控制器、执行器、电源集成到模拟温室中
  6.2  系统测试方法与故障诊断
    6.2.1  制订测试计划：单元测试、集成测试、系统测试
    6.2.2  常用工具：万用表、示波器、逻辑分析仪的使用技巧
    6.2.3  常见故障与排查指南：通信中断、数据跳变、执行器不动作
  6.3  部署、运维与项目总结
    6.3.1  现场部署注意事项：防雷与浪涌、防潮、防鼠、防晒与散热
    6.3.2  系统稳定性保障与长期运维要点
    6.3.3  本书项目总结与扩展方向
  本章总结
  思考题
  设计题
第7章  扩展与实践——分布式系统与移动平台集成
  7.1  多节点组网技术与通信协议
    7.1.1  应用场景：从温室到田间——分布式系统的必要性
    7.1.2  网络拓扑选择：星形、树形、网状网
    7.1.3  实战：基于LoRa的温室集群监测
    7.1.4  通信协议优化：MQTT主题规划与数据包设计
  7.2  App开发入门
    7.2.1  技术路线选择：原生开发与跨平台开发
    7.2.2  实战：使用Flutter构建简易监控App
    7.2.3  App发布准备：图标、签名与测试
  7.3  数据持久化与简单分析
    7.3.1  云平台数据存储与导出
    7.3.2  可视化数据分析初探
  本章总结
  思考题
  设计题
第8章  前沿与进阶——农业电子信息系统中的数据智能与创新应用
  8.1  农业数据智能入门
    8.1.1  从数据到决策：机器学习在农业中的应用概览
    8.1.2  实战：基于云端规则的智能报警升级
    8.1.3  入门级AI应用：在ESP32上运行TensorFlow Lite Micro
  8.2  高级传感器与执行器应用
    8.2.1  视觉传感：使用摄像头进行作物生长监测
    8.2.2  环境因子综合调控：CO2施肥与补光策略
  8.3  系统架构演进与项目复盘
    8.3.1  从单体到微服务：云原生架构简介
    8.3.2  全书项目大复盘：架构图回顾与优化讨论
    8.3.3  创新项目启发：你的下一个农业电子项目
  思考题
  设计题
  全书总结
附录
  附录A  常用传感器关键性能参数表
  附录B  故障排查速查表
  附录C  行业标准与规范清单
  附录D  元器件选型与采购指南
  附录E  项目文档模板
参考文献