智慧農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)的探索與學習

盛玉嬌

DFRobot資深課程設計工程師，設計開發(fā)了“掌控板入門教程”“掌控板進階教程”等科創(chuàng)類教程百余篇，收獲超10萬瀏覽量，曾榮獲首屆掌控板教學應用設計大賽三等獎。

學習背景

物聯(lián)網(wǎng)是繼互聯(lián)網(wǎng)之后的新型信息基礎設施，是推動大數(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)的一個典型應用場景，本項目“智慧農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)”滿足了新課標中“物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索”中的內(nèi)容要求，并結(jié)合了跨學科主題“互聯(lián)智能設計”的方向，讓學生通過將溫室系統(tǒng)中的傳感器和執(zhí)行器接入物聯(lián)網(wǎng)平臺，感受萬物互聯(lián)。

教學目標

1.了解智慧農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)中的傳感器系統(tǒng)，構(gòu)建簡易傳感物聯(lián)系統(tǒng)。2.學習在物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)送數(shù)據(jù)，遠程控制澆水和開啟遮陽棚。3.學習在物聯(lián)網(wǎng)平臺接收土壤濕度、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。

教學重點與難點

教學重點：根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設計出智慧農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)。

教學難點：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)。

教學過程

一、明確學習目標

教師在教學“智慧農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)”前，告知學生教學目標以及最終的作品效果，即學生需要將土壤濕度傳感器、防水溫度傳感器進行設置和搭建，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)云平臺中，通過數(shù)據(jù)分析得出最適合種子萌發(fā)的土壤濕度；搭建“溫室設備自動控制系統(tǒng)”，實現(xiàn)設備的控制與反饋，如自動澆水、自動開關遮陽棚。

系統(tǒng)中的主控器為兩塊行空板，一塊行空板為“服務器端”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“移動終端”，作用是放在中控室，遠程讀取農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)和控制溫室設備。

二、認識硬件并進行接線

“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，實現(xiàn)項目功能。各硬件功能介紹如下。

行空板：用微型計算機架構(gòu)，集成LCD彩屏、Wi-Fi藍牙、多種常用傳感器和豐富的拓展接口。土壤濕度傳感器：用于檢測土壤的水分，當土壤缺水時，傳感器輸出值將減小，反之將增大。防水溫度傳感器：用于測量溫度，銀色檢測頭具有防水效果，溫度測量范圍為-10°C～85°C。舵機：可轉(zhuǎn)動到指定角度，用于控制機械臂或開關門等機械裝置。水泵：直接放置水中使用，實現(xiàn)抽水效果。繼電器：一種開關控制器件，可以用小電流驅(qū)動大電流設備。電源適配器：用于提供電源。

教師介紹項目需要的硬件后，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。

學生以小組為單位，領取配件后開始搭建。

三、編寫流程圖

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

四、程序功能細化

學生在編寫程序過程中，需要和教師一起討論將項目功能進一步細化。本項目可分解為下面四個功能。

功能一：設計可視化界面

任務描述：在行空板上設計可視化界面，能夠顯示各個傳感器數(shù)據(jù)，控制各個執(zhí)行器。

功能二：溫室設備遠程控制

任務描述1：認識水泵模塊，控制水泵啟動或關閉。任務描述2：搭建水泵控制物聯(lián)系統(tǒng)，在物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)送數(shù)據(jù)，遠程遙控水泵開啟或關閉。任務描述3：在水泵控制物聯(lián)系統(tǒng)原型的基礎上，增加對舵機的遠程控制。

功能三：溫室環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測

任務描述1：認識土壤濕度傳感器、土壤溫度傳感器，利用傳感器采集溫室環(huán)境數(shù)據(jù)。任務描述2：在物聯(lián)網(wǎng)平臺接收土壤濕度傳感器、防水溫度傳感器的數(shù)據(jù)，并遠程讀取數(shù)據(jù)。

功能四：搭建智慧農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)

任務描述：實現(xiàn)遠程遙控開關功能、溫室數(shù)據(jù)顯示功能、遠程控制功能，以及根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)自動控制溫室設備的反饋控制功能。

學生根據(jù)流程圖和項目功能細化來編寫程序，逐步實現(xiàn)上面功能。兩塊行空板運行的界面如圖3所示，最后打開SIoT服務器，可以訪問物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。

五、外觀結(jié)構(gòu)設計和網(wǎng)絡連接

為了美化智慧農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)，教師準備了一些已經(jīng)切割好的外觀材料，學生可以根據(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”，其中教室窗戶通過舵機控制開合。

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

當然也可以使用行空板自帶的熱點功能，組建小型局域網(wǎng)（不需要額外使用路由器）。此時，有兩種實現(xiàn)方法。第一種方法就是在第一塊行空板上，開啟熱點，同時構(gòu)建服務器，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終端，連接熱點，接入局域網(wǎng)中，實現(xiàn)服務器終端、智能終端與移動終端的數(shù)據(jù)交換。通過USB線，電腦作為移動終端，訪問服務器數(shù)據(jù)庫。第二種方法是在第一塊行空板上開啟熱點，同時構(gòu)建服務器。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，接入局域網(wǎng)中。

教學總結(jié)

本節(jié)課是經(jīng)典的物聯(lián)網(wǎng)教學項目，以“智慧農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)”項目為例，通過將溫室系統(tǒng)中的傳感器和執(zhí)行器接入物聯(lián)網(wǎng)平臺，帶領學生感受萬物互聯(lián)，了解物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)，最終設計并實現(xiàn)具有簡單物聯(lián)功能的數(shù)字系統(tǒng)。

教學拓展

本項目還可以利用物聯(lián)網(wǎng)平臺進行數(shù)據(jù)采集和分析。學生需要完成拓展任務：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，再從物聯(lián)網(wǎng)平臺上導出數(shù)據(jù)表格。班級分組，每組學生設置不同濕度環(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。

任務描述2：對數(shù)據(jù)進行預處理，如刪除多余數(shù)據(jù)和錯誤數(shù)據(jù)，再通過可視化圖表分析數(shù)據(jù)，評估出最適合種子萌發(fā)的土壤溫度。