盛玉嬌

DFRobot資深課程設(shè)計(jì)工程師，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了“掌控板入門教程”“掌控板進(jìn)階教程”等科創(chuàng)類教程百余篇，收獲超10萬(wàn)瀏覽量，曾榮獲首屆掌控板教學(xué)應(yīng)用設(shè)計(jì)大賽三等獎(jiǎng)。

學(xué)習(xí)背景

物聯(lián)網(wǎng)是繼互聯(lián)網(wǎng)之后的新型信息基礎(chǔ)設(shè)施，是推動(dòng)大數(shù)據(jù)和人工智能等信息科技發(fā)展與普及不可或缺的重要組成部分。智慧農(nóng)業(yè)是物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)典型應(yīng)用場(chǎng)景，本項(xiàng)目“智慧農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)”滿足了新課標(biāo)中“物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐與探索”中的內(nèi)容要求，并結(jié)合了跨學(xué)科主題“互聯(lián)智能設(shè)計(jì)”的方向，讓學(xué)生通過(guò)將溫室系統(tǒng)中的傳感器和執(zhí)行器接入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，感受萬(wàn)物互聯(lián)。

教學(xué)目標(biāo)

1.了解智慧農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)中的傳感器系統(tǒng)，構(gòu)建簡(jiǎn)易傳感物聯(lián)系統(tǒng)。2.學(xué)習(xí)在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程控制澆水和開(kāi)啟遮陽(yáng)棚。3.學(xué)習(xí)在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)接收土壤濕度、土壤溫度數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)并用折線圖呈現(xiàn)數(shù)據(jù)。4.掌握物聯(lián)系統(tǒng)中的反饋控制。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)：根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)出智慧農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)。

教學(xué)難點(diǎn)：行空板的配置搭建；理解物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)；采集和獲取物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

教學(xué)過(guò)程

一、明確學(xué)習(xí)目標(biāo)

教師在教學(xué)“智慧農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)”前，告知學(xué)生教學(xué)目標(biāo)以及最終的作品效果，即學(xué)生需要將土壤濕度傳感器、防水溫度傳感器進(jìn)行設(shè)置和搭建，獲取農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)；搭建“種子萌發(fā)環(huán)境系統(tǒng)”，并將數(shù)據(jù)同步到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)中，通過(guò)數(shù)據(jù)分析得出最適合種子萌發(fā)的土壤濕度；搭建“溫室設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的控制與反饋，如自動(dòng)澆水、自動(dòng)開(kāi)關(guān)遮陽(yáng)棚。

系統(tǒng)中的主控器為兩塊行空板，一塊行空板為“服務(wù)器端”和“智能終端”，連接傳感器、執(zhí)行器，作用是放在溫室環(huán)境中采集農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)；一塊行空板為“移動(dòng)終端”，作用是放在中控室，遠(yuǎn)程讀取農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)和控制溫室設(shè)備。

二、認(rèn)識(shí)硬件并進(jìn)行接線

“智慧農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)”中需要使用主控器結(jié)合多種傳感器、執(zhí)行器和其他模塊，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目功能。各硬件功能介紹如下。

行空板：用微型計(jì)算機(jī)架構(gòu)，集成LCD彩屏、Wi-Fi藍(lán)牙、多種常用傳感器和豐富的拓展接口。土壤濕度傳感器：用于檢測(cè)土壤的水分，當(dāng)土壤缺水時(shí)，傳感器輸出值將減小，反之將增大。防水溫度傳感器：用于測(cè)量溫度，銀色檢測(cè)頭具有防水效果，溫度測(cè)量范圍為-10°C～85°C。舵機(jī)：可轉(zhuǎn)動(dòng)到指定角度，用于控制機(jī)械臂或開(kāi)關(guān)門等機(jī)械裝置。水泵：直接放置水中使用，實(shí)現(xiàn)抽水效果。繼電器：一種開(kāi)關(guān)控制器件，可以用小電流驅(qū)動(dòng)大電流設(shè)備。電源適配器：用于提供電源。

教師介紹項(xiàng)目需要的硬件后，展示智慧農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)的硬件接線原理圖，如圖1所示。

學(xué)生以小組為單位，領(lǐng)取配件后開(kāi)始搭建。

三、編寫流程圖

教師在學(xué)生編寫程序前，幫助學(xué)生梳理項(xiàng)目流程圖，以便學(xué)生更好地編寫和理解程序。在“智慧農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)”項(xiàng)目中，“服務(wù)器端/智能終端”行空板的功能流程圖如圖2。

四、程序功能細(xì)化

學(xué)生在編寫程序過(guò)程中，需要和教師一起討論將項(xiàng)目功能進(jìn)一步細(xì)化。本項(xiàng)目可分解為下面四個(gè)功能。

功能一：設(shè)計(jì)可視化界面

任務(wù)描述：在行空板上設(shè)計(jì)可視化界面，能夠顯示各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，控制各個(gè)執(zhí)行器。

功能二：溫室設(shè)備遠(yuǎn)程控制

任務(wù)描述1：認(rèn)識(shí)水泵模塊，控制水泵啟動(dòng)或關(guān)閉。任務(wù)描述2：搭建水泵控制物聯(lián)系統(tǒng)，在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程遙控水泵開(kāi)啟或關(guān)閉。任務(wù)描述3：在水泵控制物聯(lián)系統(tǒng)原型的基礎(chǔ)上，增加對(duì)舵機(jī)的遠(yuǎn)程控制。

功能三：溫室環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

任務(wù)描述1：認(rèn)識(shí)土壤濕度傳感器、土壤溫度傳感器，利用傳感器采集溫室環(huán)境數(shù)據(jù)。任務(wù)描述2：在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)接收土壤濕度傳感器、防水溫度傳感器的數(shù)據(jù)，并遠(yuǎn)程讀取數(shù)據(jù)。

功能四：搭建智慧農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)

任務(wù)描述：實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控開(kāi)關(guān)功能、溫室數(shù)據(jù)顯示功能、遠(yuǎn)程控制功能，以及根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)自動(dòng)控制溫室設(shè)備的反饋控制功能。

學(xué)生根據(jù)流程圖和項(xiàng)目功能細(xì)化來(lái)編寫程序，逐步實(shí)現(xiàn)上面功能。兩塊行空板運(yùn)行的界面如圖3所示，最后打開(kāi)SIoT服務(wù)器，可以訪問(wèn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。

五、外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)連接

為了美化智慧農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)，教師準(zhǔn)備了一些已經(jīng)切割好的外觀材料，學(xué)生可以根據(jù)示例結(jié)構(gòu)圖搭建，最終效果如圖4所示。智慧農(nóng)業(yè)溫室整體結(jié)構(gòu)模擬溫室場(chǎng)景，右側(cè)內(nèi)裝有多種農(nóng)業(yè)環(huán)境傳感器和行空板屏幕，左側(cè)為“校園教室”，其中教室窗戶通過(guò)舵機(jī)控制開(kāi)合。

智慧農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)在實(shí)施過(guò)程中，通過(guò)路由器構(gòu)建局域網(wǎng)，在局域網(wǎng)中，使用第一塊行空板構(gòu)建服務(wù)器，同時(shí)作為智能終端，連接多種傳感器與執(zhí)行器。使用第二塊行空板作為移動(dòng)終端，也接入局域網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器終端、智能終端與移動(dòng)終端的數(shù)據(jù)交換。通過(guò)USB線將作為服務(wù)器終端的行空板連接到電腦上，可訪問(wèn)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)。

當(dāng)然也可以使用行空板自帶的熱點(diǎn)功能，組建小型局域網(wǎng)（不需要額外使用路由器）。此時(shí)，有兩種實(shí)現(xiàn)方法。第一種方法就是在第一塊行空板上，開(kāi)啟熱點(diǎn)，同時(shí)構(gòu)建服務(wù)器，并作為智能終端連接多種傳感器與執(zhí)行器。第二塊行空板作為移動(dòng)終端，連接熱點(diǎn)，接入局域網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器終端、智能終端與移動(dòng)終端的數(shù)據(jù)交換。通過(guò)USB線，電腦作為移動(dòng)終端，訪問(wèn)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)。第二種方法是在第一塊行空板上開(kāi)啟熱點(diǎn)，同時(shí)構(gòu)建服務(wù)器。第二塊行空板作為智能終端，連接多種傳感器與執(zhí)行器，并連接熱點(diǎn)，接入局域網(wǎng)中。

教學(xué)總結(jié)

本節(jié)課是經(jīng)典的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)項(xiàng)目，以“智慧農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)”項(xiàng)目為例，通過(guò)將溫室系統(tǒng)中的傳感器和執(zhí)行器接入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，帶領(lǐng)學(xué)生感受萬(wàn)物互聯(lián)，了解物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)，最終設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)具有簡(jiǎn)單物聯(lián)功能的數(shù)字系統(tǒng)。

教學(xué)拓展

本項(xiàng)目還可以利用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。學(xué)生需要完成拓展任務(wù)：溫室環(huán)境數(shù)據(jù)分析——探究最適合種子萌發(fā)的土壤濕度。

任務(wù)描述1：用傳感器采集溫室的環(huán)境數(shù)據(jù)，包括土壤濕度、土壤溫度，上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，再?gòu)奈锫?lián)網(wǎng)平臺(tái)上導(dǎo)出數(shù)據(jù)表格。班級(jí)分組，每組學(xué)生設(shè)置不同濕度環(huán)境的種子萌發(fā)溫室，跟蹤記錄土壤濕度值和種子發(fā)芽率，得出適宜種子萌發(fā)的濕度。

任務(wù)描述2：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，如刪除多余數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，再通過(guò)可視化圖表分析數(shù)據(jù)，評(píng)估出最適合種子萌發(fā)的土壤溫度。