IoT植物灌溉系統課程設計

主講人：聶鳳英

聶鳳英

從事科創教育課程內容研發4年有余，現為蘑菇云科創教育課程設計工程師。主要負責micro：bit、麥昆機器人、二哈識圖攝像頭、行空板等內容研發，已開發百余課時內容，幫助廣大教師進行開源硬件、物聯網、機器人等方向的教學。

學習背景

本案例將引導學生設計基于IoT技術的植物灌溉系統，是一個結合現代技術和農業領域知識的創新項目，旨在實現對植物種植的智能化、遠程化監測和自動化灌溉。該系統涉及傳感器、通信技術和自動控制算法的相關知識，學生需要從實際生活中的需求出發，學會通過互聯網遠程監測植物土壤狀態，實現自動灌溉植物的過程，解決人們外出不能給植物及時澆水的問題，從而經歷不斷分析問題、解決問題的過程。

教學目標

1.初步了解物聯網技術在未來發展中的潛力和挑戰。2.掌握IoT植物灌溉系統中所涉及的關鍵技術和組件，如傳感器、數據通信、自動控制等。3.通過實踐操作，深入了解硬件和軟件之間的交互原理，掌握物聯網系統的設計和開發流程。

教學重點與難點

教學重點：能夠使用傳感器采集數據并對數據作出分析，對數字閾值進行判斷，實現自動化控制。

教學難點：能夠根據采集到的數據構建和優化IoT植物灌溉系統。

教學過程

一、明確學習目標

教師在教學IoT植物灌溉系統前，告知學生教學目標以及最終的作品效果。學生使用土壤濕度傳感器搭建檢測植物土壤濕度的系統，實時獲取植物土壤濕度值；將數據同步到物聯網平臺中，通過物聯網平臺的數據分析得出最適合植物生長的土壤濕度；再搭建植物自動灌溉系統，實現設備的控制與反饋，完成自動澆水。

系統中的主控器為行空板，它既作為智能終端又作為服務器端。當行空板作為智能終端時，需連接傳感器、執行器，用于檢測數據、上傳數據、控制執行器；作為服務器端時，可以開啟SIoT服務器功能，用于接收數據、存儲數據。行空板通過USB線連接電腦，電腦作為移動終端，訪問服務器數據庫。最終實現服務器端、智能終端與移動終端的數據交換。行空板的界面顯示如圖1所示。

IoT植物灌溉系統中涉及的知識點：1.物聯網的基本概念、工作原理以及如何將物聯網技術應用到實際生活中。2.了解物聯網中的傳感器系統，利用土壤濕度傳感器采集土壤濕度數據，并將土壤濕度傳感器接入物聯網平臺，構建簡易傳感器物聯網系統。3.向物聯網平臺發送土壤濕度數據。4.在物聯網平臺上接收土壤濕度數據、讀取數據并用折線圖對數據進行呈現。5.了解數據處理的過程，包含數據采集、數據預處理、數據分析和數據可視化，通過物聯網平臺長時間記錄數據，探究最適合植物生長的土壤濕度。6.掌握物聯網系統中的反饋控制，使用水泵模塊、土壤濕度傳感器，搭建自動控制澆水反饋系統，實現當土壤濕度較低時，啟動水泵；反之，關閉水泵。

二、認識硬件并進行接線

IoT植物灌溉系統中使用主控器結合傳感器、執行器和其他模塊實現項目功能。主控器為行空板，傳感器為土壤濕度傳感器，執行器為水泵，其他模塊包含繼電器、電池盒。各硬件功能介紹如下。

行空板：用微型計算機架構，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，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：是一種開關控制器件，可以用小電流驅動大電流設備。水泵：直接放置水中使用，實現抽水效果。電池盒：用于提供電源。

教師介紹項目需要的硬件后，展示IoT植物灌溉系統的硬件接線原理圖。學生以小組為單位，領取配件后開始搭建，最終接線實物圖如圖2所示。

三、將目標功能進行分解

教師先將整個IoT植物灌溉系統分解為以下幾個功能，并將每個功能實現過程細化為幾個任務，讓學生通過完成分解任務，逐步達成整個教學目標。

1.探測土壤濕度并控制水泵

任務一：獲取土壤濕度數據。教師教會學生認識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據會實時地顯示在行空板的數值顯示界面。

任務二：控制水泵。教師指導學生認識水泵和繼電器模塊，并讓學生在行空板上設置“打開/關閉”按鈕，通過該按鈕控制水泵的開啟和關閉。

2.制作手動控制系統

任務一：整體UI界面設計。在行空板上設計可視化界面，設有植物狀態顯示區、控制狀態顯示區、手動面板控制區以及水泵狀態顯示、控制水泵的開關按鈕。

任務二：植物狀態切換。根據土壤濕度傳感器檢測到的濕度值，進行植物健康和缺水兩種狀態的圖片切換。

任務三：手動控制水泵。手動面板控制區中設有“手動控制”“開”“關”三個按鈕，通過按鈕控制執行器水泵開關切換狀態。

3.制作自動控制系統

任務一：整體UI界面設計。只需要在手動控制系統的UI界面上再設置自動控制按鈕、土壤濕度閾值顯示以及“+”和“-”閾值調節按鈕即可。

任務二：設計閾值調節功能。可以根據自動控制面板區中的“+”“-”按鈕，調節土壤濕度閾值。系統會將檢測到的土壤濕度值與設置的土壤濕度閾值進行比較，當土壤濕度傳感器檢測到的值小于設置的土壤濕度閾值時，開啟水泵；反之，關閉水泵。

任務三：行空板向SIoT平臺發送數據。

四、編寫流程圖及程序圖

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

“服務器端/智能終端”行空板部分重點程序截圖如下，程序數值參數可設定。“手動模式切換”程序如圖4。“自動模式切換”程序學生可自行編輯。“土壤濕度閾值調節”程序如圖5。“手動控制水泵”程序如圖6。

程序運行成功后，行空板上實時顯示土壤濕度傳感器檢測到的閾值。點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。點擊行空板上的關閉按鈕，繼電器模塊上的指示燈關閉，水泵停止工作。IoT植物灌溉系統可在SIoT服務器中訪問物聯網數據。

教學總結

IoT植物灌溉系統設計是經典的物聯網教學項目，需要幾個課時才能完成，通過將土壤濕度傳感器接入物聯網平臺，帶領學生感受萬物互聯，體驗現代科技，了解物聯網，最終設計并實現具有簡單物聯功能的數字系統。