主講人：聶鳳英

聶鳳英

從事科創(chuàng)教育課程內(nèi)容研發(fā)4年有余，現(xiàn)為蘑菇云科創(chuàng)教育課程設(shè)計(jì)工程師。主要負(fù)責(zé)micro：bit、麥昆機(jī)器人、二哈識(shí)圖攝像頭、行空板等內(nèi)容研發(fā)，已開發(fā)百余課時(shí)內(nèi)容，幫助廣大教師進(jìn)行開源硬件、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人等方向的教學(xué)。

學(xué)習(xí)背景

本案例將引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)基于IoT技術(shù)的植物灌溉系統(tǒng)，是一個(gè)結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域知識(shí)的創(chuàng)新項(xiàng)目，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)植物種植的智能化、遠(yuǎn)程化監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化灌溉。該系統(tǒng)涉及傳感器、通信技術(shù)和自動(dòng)控制算法的相關(guān)知識(shí)，學(xué)生需要從實(shí)際生活中的需求出發(fā)，學(xué)會(huì)通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)植物土壤狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉植物的過程，解決人們外出不能給植物及時(shí)澆水的問題，從而經(jīng)歷不斷分析問題、解決問題的過程。

教學(xué)目標(biāo)

1.初步了解物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在未來發(fā)展中的潛力和挑戰(zhàn)。2.掌握IoT植物灌溉系統(tǒng)中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)和組件，如傳感器、數(shù)據(jù)通信、自動(dòng)控制等。3.通過實(shí)踐操作，深入了解硬件和軟件之間的交互原理，掌握物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)流程。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)：能夠使用傳感器采集數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)作出分析，對(duì)數(shù)字閾值進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

教學(xué)難點(diǎn)：能夠根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)構(gòu)建和優(yōu)化IoT植物灌溉系統(tǒng)。

教學(xué)過程

一、明確學(xué)習(xí)目標(biāo)

教師在教學(xué)IoT植物灌溉系統(tǒng)前，告知學(xué)生教學(xué)目標(biāo)以及最終的作品效果。學(xué)生使用土壤濕度傳感器搭建檢測(cè)植物土壤濕度的系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取植物土壤濕度值；將數(shù)據(jù)同步到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中，通過物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)分析得出最適合植物生長的土壤濕度；再搭建植物自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的控制與反饋，完成自動(dòng)澆水。

系統(tǒng)中的主控器為行空板，它既作為智能終端又作為服務(wù)器端。當(dāng)行空板作為智能終端時(shí)，需連接傳感器、執(zhí)行器，用于檢測(cè)數(shù)據(jù)、上傳數(shù)據(jù)、控制執(zhí)行器；作為服務(wù)器端時(shí)，可以開啟SIoT服務(wù)器功能，用于接收數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。行空板通過USB線連接電腦，電腦作為移動(dòng)終端，訪問服務(wù)器數(shù)據(jù)庫。最終實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端、智能終端與移動(dòng)終端的數(shù)據(jù)交換。行空板的界面顯示如圖1所示。

IoT植物灌溉系統(tǒng)中涉及的知識(shí)點(diǎn)：1.物聯(lián)網(wǎng)的基本概念、工作原理以及如何將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際生活中。2.了解物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器系統(tǒng)，利用土壤濕度傳感器采集土壤濕度數(shù)據(jù)，并將土壤濕度傳感器接入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，構(gòu)建簡易傳感器物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。3.向物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)發(fā)送土壤濕度數(shù)據(jù)。4.在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上接收土壤濕度數(shù)據(jù)、讀取數(shù)據(jù)并用折線圖對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行呈現(xiàn)。5.了解數(shù)據(jù)處理的過程，包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化，通過物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)長時(shí)間記錄數(shù)據(jù)，探究最適合植物生長的土壤濕度。6.掌握物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的反饋控制，使用水泵模塊、土壤濕度傳感器，搭建自動(dòng)控制澆水反饋系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)當(dāng)土壤濕度較低時(shí)，啟動(dòng)水泵；反之，關(guān)閉水泵。

二、認(rèn)識(shí)硬件并進(jìn)行接線

IoT植物灌溉系統(tǒng)中使用主控器結(jié)合傳感器、執(zhí)行器和其他模塊實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目功能。主控器為行空板，傳感器為土壤濕度傳感器，執(zhí)行器為水泵，其他模塊包含繼電器、電池盒。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，因此土壤濕度傳感器通過判斷土壤中水分含量的多少來判定土壤濕度的大小。繼電器：是一種開關(guān)控制器件，可以用小電流驅(qū)動(dòng)大電流設(shè)備。水泵：直接放置水中使用，實(shí)現(xiàn)抽水效果。電池盒：用于提供電源。

教師介紹項(xiàng)目需要的硬件后，展示IoT植物灌溉系統(tǒng)的硬件接線原理圖。學(xué)生以小組為單位，領(lǐng)取配件后開始搭建，最終接線實(shí)物圖如圖2所示。

三、將目標(biāo)功能進(jìn)行分解

教師先將整個(gè)IoT植物灌溉系統(tǒng)分解為以下幾個(gè)功能，并將每個(gè)功能實(shí)現(xiàn)過程細(xì)化為幾個(gè)任務(wù)，讓學(xué)生通過完成分解任務(wù)，逐步達(dá)成整個(gè)教學(xué)目標(biāo)。

1.探測(cè)土壤濕度并控制水泵

任務(wù)一：獲取土壤濕度數(shù)據(jù)。教師教會(huì)學(xué)生認(rèn)識(shí)土壤濕度傳感器模塊，并將行空板連接土壤濕度傳感器，采集到的土壤濕度數(shù)據(jù)會(huì)實(shí)時(shí)地顯示在行空板的數(shù)值顯示界面。

任務(wù)二：控制水泵。教師指導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)水泵和繼電器模塊，并讓學(xué)生在行空板上設(shè)置“打開/關(guān)閉”按鈕，通過該按鈕控制水泵的開啟和關(guān)閉。

2.制作手動(dòng)控制系統(tǒng)

任務(wù)一：整體UI界面設(shè)計(jì)。在行空板上設(shè)計(jì)可視化界面，設(shè)有植物狀態(tài)顯示區(qū)、控制狀態(tài)顯示區(qū)、手動(dòng)面板控制區(qū)以及水泵狀態(tài)顯示、控制水泵的開關(guān)按鈕。

任務(wù)二：植物狀態(tài)切換。根據(jù)土壤濕度傳感器檢測(cè)到的濕度值，進(jìn)行植物健康和缺水兩種狀態(tài)的圖片切換。

任務(wù)三：手動(dòng)控制水泵。手動(dòng)面板控制區(qū)中設(shè)有“手動(dòng)控制”“開”“關(guān)”三個(gè)按鈕，通過按鈕控制執(zhí)行器水泵開關(guān)切換狀態(tài)。

3.制作自動(dòng)控制系統(tǒng)

任務(wù)一：整體UI界面設(shè)計(jì)。只需要在手動(dòng)控制系統(tǒng)的UI界面上再設(shè)置自動(dòng)控制按鈕、土壤濕度閾值顯示以及“+”和“-”閾值調(diào)節(jié)按鈕即可。

任務(wù)二：設(shè)計(jì)閾值調(diào)節(jié)功能。可以根據(jù)自動(dòng)控制面板區(qū)中的“+”“-”按鈕，調(diào)節(jié)土壤濕度閾值。系統(tǒng)會(huì)將檢測(cè)到的土壤濕度值與設(shè)置的土壤濕度閾值進(jìn)行比較，當(dāng)土壤濕度傳感器檢測(cè)到的值小于設(shè)置的土壤濕度閾值時(shí)，開啟水泵；反之，關(guān)閉水泵。

任務(wù)三：行空板向SIoT平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)。

四、編寫流程圖及程序圖

教師在學(xué)生編寫程序前，幫助學(xué)生梳理功能流程圖（如圖3），以便幫助學(xué)生更好地理解和編寫程序。

“服務(wù)器端/智能終端”行空板部分重點(diǎn)程序截圖如下，程序數(shù)值參數(shù)可設(shè)定。“手動(dòng)模式切換”程序如圖4?！白詣?dòng)模式切換”程序?qū)W生可自行編輯?！巴寥罎穸乳撝嫡{(diào)節(jié)”程序如圖5?！笆謩?dòng)控制水泵”程序如圖6。

程序運(yùn)行成功后，行空板上實(shí)時(shí)顯示土壤濕度傳感器檢測(cè)到的閾值。點(diǎn)擊行空板上的打開按鈕，繼電器模塊上的指示燈亮起，水泵開始工作。點(diǎn)擊行空板上的關(guān)閉按鈕，繼電器模塊上的指示燈關(guān)閉，水泵停止工作。IoT植物灌溉系統(tǒng)可在SIoT服務(wù)器中訪問物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。

教學(xué)總結(jié)

IoT植物灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)是經(jīng)典的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)項(xiàng)目，需要幾個(gè)課時(shí)才能完成，通過將土壤濕度傳感器接入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，帶領(lǐng)學(xué)生感受萬物互聯(lián)，體驗(yàn)現(xiàn)代科技，了解物聯(lián)網(wǎng)，最終設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)具有簡單物聯(lián)功能的數(shù)字系統(tǒng)。