桌面植物景觀實驗觀察裝置

陳杰

教學背景

水培植物是怎么生長的？不同色光對植物生長有什么影響？為了幫助學校生物科技社團智能化觀察水培植物的生長，我們利用激光切割、傳感器等軟硬件技術，創意設計了一款桌面植物景觀實驗觀察裝置。它既具備植物水培的功能，又能作為植物景觀擺放在桌面上，微型又智能，為學生實驗觀察帶來了便利。

教學重點與難點

教學重點 用哈士奇視覺傳感器感知植物生長的創新應用;使用LaserMaker繪制結構圖，利用多種材料為系統制作結構件。

教學難點 哈士奇視覺傳感器感知植物生長的創新應用。

教學準備

1.軟件平臺

Mind+軟件（編程）、 LaserMaker軟件（建模）、Photoshop軟件（繪圖）。

2.硬件材料

Arduino UNO板、IO傳感器擴展板V7.1、DHT11溫濕度傳感器、哈士奇視覺傳感器、模擬角度傳感器、RGB LED燈帶、130直流電機風扇、蠕動泵、7.4V鋰電池及充電器各1個，3mm椴木板、亞克力板（300×200）各6個，銅柱20個，M3螺絲、螺母各10個。

教學過程

一、情境導入

教師講解任務情境：學校生物科技社團需要對水培植物的生長進行觀察實驗，請你幫忙為其設計一個實驗觀察裝置，該裝置同時也可作為桌面景觀，并滿足以下需求。

智能水培：通過微環境控制系統，采用水培方式，模擬植物生長所需要的陽光、空氣、水和養分等自然環境，使種植不受天氣和環境的影響。

分類模式：該微控制系統可設定三種模式——加速模式、景觀模式、休息模式。

智能感知：該系統帶有生長感知功能，可以拍攝記錄植物生長過程的照片。

學生分析項目需求，進行系統設計。

設計意圖：學生通過對實際問題的需求分析，對系統進行設計。

二、頭腦風暴

1.系統功能

教師組織學生以小組為單位，針對上述需求的功能設計開展討論，從而得到一個較為完善的系統功能：智能水培、分類模式、空氣流通、感知生長。

學生針對討論結果記錄下完整的設計內容，并形成文檔。桌面植物景觀系統有三種工作模式：加速模式、景觀模式、休息模式。加速模式使用紅光加速植物進行光合作用，促進植物生長，同時蠕動泵工作，加快營養液循環，防止植物爛根;景觀模式使用彩燈達到一種點綴環境氛圍的效果，可作為桌面擺件裝飾環境;休息模式使用藍光，促進植物根莖部發育，防止植物瘋長、徒長。

2.所需硬件

師生、生生之間展開交流，針對需要實現的功能選取相關硬件。

3.結構設計

依據所選用硬件及植物尺寸，設計一個無底的盒體結構，合理布局，將相關開源硬件定位，并考慮今后植物生長的寬度和高度。

打開LaserMaker軟件，首先以3mm厚的椴木板為原料，使用“快速造盒工具”，生成一個盒體。然后刪除盒體底部，并在前后左右四面繪制出窗體，用于安裝亞克力板，并繪制螺絲孔位。最后在盒體頂部，繪制主控及相關傳感器安裝孔位。具體設計如圖1。

以3mm亞克力板為原料，繪制如圖2所示的矩形（尺寸見模型文件），并定位螺絲孔，與圖1的結構件能吻合安裝。此部分需要切割兩份。

4.電路連線

裝置電路連接。兩個迷你巡線模塊分別接D7、D8口，人體紅外傳感器接D2口，RGB LED接D10口，繼電器接D12口。

三、程序編寫

師生討論：本次程序編寫的主要內容包括三種工作模式的調整以及對植物生長的感知，難點在于如何感知植物的生長。而哈士奇視覺傳感器并沒有能夠直接識別植物生長的功能，怎么辦呢？

教師啟發引導學生可以創新應用哈士奇視覺傳感器的物體追蹤功能，通過識別方框的寬度和高度來判斷植物是否生長。

主程序如圖3，模擬角度傳感器接A3口讀取的數值，我們通過映射函數將變量M的值映射為0—125，然后定義變量M在各模式中所處的數值區間：休息模式0—40，景觀模式40—80，加速模式80以上。與之相對應，在主程序中，我們定義了加速模式、景觀模式、休息模式三個函數以及感知植物生長的感知函數。

在感知生長函數模塊中，我們使用了哈士奇視覺傳感器的物體追蹤功能，先完成對植物的學習。而當植物生長葉片的寬度和高度超過我們設定的值時，屏幕出現“grow yes”提示，同時拍照記錄植物生長過程。

四、組裝設備

首先激光切割框架和窗體，如圖4;然后拿出頂板，在主控板、哈士奇及模擬角度傳感器的安裝位置上固定銅柱;在頂板的背面粘貼燈帶;拿出溫濕度傳感器DHT11安裝在對應的銅柱上。

在頂板上安裝Arduino UNO板、哈士奇及模擬角度傳感器，如圖5。注意安裝主控部分時，先將主控板與對應的支撐銅柱對齊，用螺母固定后，再疊加拓展板。

拿出窗體與框架結構，按照對應的孔位用螺絲固定對應的亞克力板;拿出蠕動泵，按圖6方式安裝，注意將硅膠管放置在內部。

將框架和窗體結構件進行組裝，如圖7。本次使用的風扇模塊本身無法合理地固定在頂板上。因此，我們使用激光切割加工出三片木板，疊加后與風扇模塊固定。再將此部分與頂板內部用502膠水粘貼，從而完成風扇模塊的安裝。

五、系統測試

給系統通電對其進行測試，通過旋轉模擬角度傳感器，分別測試對應的加速模式mode：acce、景觀模式mode：land、休息模式mode：rest。

當植物葉片長大，其寬度或高度超過我們設定的值時，會觸發哈士奇拍照，并在哈士奇屏幕上出現提示信息，如圖8。

教學反思

本課例綜合運用了激光切割技術、傳感器技術、通信技術等，結合生物、數學、信息技術等學科知識，創意設計了桌面植物景觀實驗觀察裝置，不僅提升了學生的創新能力，而且培養了學生的實踐能力和綜合運用學科知識的能力。但該實驗裝置系統仍存在一些問題亟待改進，比如設計時沒有考慮數據線的布局，安裝時走線顯得凌亂;植物感知生長使用的是本地拍照記錄，后續可考慮增加物聯網的功能。

（本課件由DF創客社區推薦）