IoT植物灌溉系统课程设计

主讲人：聂凤英

聂凤英

从事科创教育课程内容研发4年有余，现为蘑菇云科创教育课程设计工程师。主要负责micro：bit、麦昆机器人、二哈识图摄像头、行空板等内容研发，已开发百余课时内容，帮助广大教师进行开源硬件、物联网、机器人等方向的教学。

学习背景

本案例将引导学生设计基于IoT技术的植物灌溉系统，是一个结合现代技术和农业领域知识的创新项目，旨在实现对植物种植的智能化、远程化监测和自动化灌溉。该系统涉及传感器、通信技术和自动控制算法的相关知识，学生需要从实际生活中的需求出发，学会通过互联网远程监测植物土壤状态，实现自动灌溉植物的过程，解决人们外出不能给植物及时浇水的问题，从而经历不断分析问题、解决问题的过程。

教学目标

1.初步了解物聯网技术在未来发展中的潜力和挑战。2.掌握IoT植物灌溉系统中所涉及的关键技术和组件，如传感器、数据通信、自动控制等。3.通过实践操作，深入了解硬件和软件之间的交互原理，掌握物联网系统的设计和开发流程。

教学重点与难点

教学重点：能够使用传感器采集数据并对数据作出分析，对数字阈值进行判断，实现自动化控制。

教学难点：能够根据采集到的数据构建和优化IoT植物灌溉系统。

教学过程

一、明确学习目标

教师在教学IoT植物灌溉系统前，告知学生教学目标以及最终的作品效果。学生使用土壤湿度传感器搭建检测植物土壤湿度的系统，实时获取植物土壤湿度值；将数据同步到物联网平台中，通过物联网平台的数据分析得出最适合植物生长的土壤湿度；再搭建植物自动灌溉系统，实现设备的控制与反馈，完成自动浇水。

系统中的主控器为行空板，它既作为智能终端又作为服务器端。当行空板作为智能终端时，需连接传感器、执行器，用于检测数据、上传数据、控制执行器；作为服务器端时，可以开启SIoT服务器功能，用于接收数据、存储数据。行空板通过USB线连接电脑，电脑作为移动终端，访问服务器数据库。最终实现服务器端、智能终端与移动终端的数据交换。行空板的界面显示如图1所示。

IoT植物灌溉系统中涉及的知识点：1.物联网的基本概念、工作原理以及如何将物联网技术应用到实际生活中。2.了解物联网中的传感器系统，利用土壤湿度传感器采集土壤湿度数据，并将土壤湿度传感器接入物联网平台，构建简易传感器物联网系统。3.向物联网平台发送土壤湿度数据。4.在物联网平台上接收土壤湿度数据、读取数据并用折线图对数据进行呈现。5.了解数据处理的过程，包含数据采集、数据预处理、数据分析和数据可视化，通过物联网平台长时间记录数据，探究最适合植物生长的土壤湿度。6.掌握物联网系统中的反馈控制，使用水泵模块、土壤湿度传感器，搭建自动控制浇水反馈系统，实现当土壤湿度较低时，启动水泵；反之，关闭水泵。

二、认识硬件并进行接线

IoT植物灌溉系统中使用主控器结合传感器、执行器和其他模块实现项目功能。主控器为行空板，传感器为土壤湿度传感器，执行器为水泵，其他模块包含继电器、电池盒。各硬件功能介绍如下。

行空板：用微型计算机架构，集成LCD彩屏、Wi-Fi蓝牙、多种常用传感器和丰富的拓展接口。土壤湿度传感器：用于检测土壤的水分，当土壤缺水时，传感器输出值将减小，反之将增大，因此土壤湿度传感器通过判断土壤中水分含量的多少来判定土壤湿度的大小。继电器：是一种开关控制器件，可以用小电流驱动大电流设备。水泵：直接放置水中使用，实现抽水效果。电池盒：用于提供电源。

教师介绍项目需要的硬件后，展示IoT植物灌溉系统的硬件接线原理图。学生以小组为单位，领取配件后开始搭建，最终接线实物图如图2所示。

三、将目标功能进行分解

教师先将整个IoT植物灌溉系统分解为以下几个功能，并将每个功能实现过程细化为几个任务，让学生通过完成分解任务，逐步达成整个教学目标。

1.探测土壤湿度并控制水泵

任务一：获取土壤湿度数据。教师教会学生认识土壤湿度传感器模块，并将行空板连接土壤湿度传感器，采集到的土壤湿度数据会实时地显示在行空板的数值显示界面。

任务二：控制水泵。教师指导学生认识水泵和继电器模块，并让学生在行空板上设置“打开/关闭”按钮，通过该按钮控制水泵的开启和关闭。

2.制作手动控制系统

任务一：整体UI界面设计。在行空板上设计可视化界面，设有植物状态显示区、控制状态显示区、手动面板控制区以及水泵状态显示、控制水泵的开关按钮。

任务二：植物状态切换。根据土壤湿度传感器检测到的湿度值，进行植物健康和缺水两种状态的图片切换。

任务三：手动控制水泵。手动面板控制区中设有“手动控制”“开”“关”三个按钮，通过按钮控制执行器水泵开关切换状态。

3.制作自动控制系统

任务一：整体UI界面设计。只需要在手动控制系统的UI界面上再设置自动控制按钮、土壤湿度阈值显示以及“+”和“-”阈值调节按钮即可。

任务二：设计阈值调节功能。可以根据自动控制面板区中的“+”“-”按钮，调节土壤湿度阈值。系统会将检测到的土壤湿度值与设置的土壤湿度阈值进行比较，当土壤湿度传感器检测到的值小于设置的土壤湿度阈值时，开启水泵；反之，关闭水泵。

任务三：行空板向SIoT平台发送数据。

四、编写流程图及程序图

教师在学生编写程序前，帮助学生梳理功能流程图（如图3），以便帮助学生更好地理解和编写程序。

“服务器端/智能终端”行空板部分重点程序截图如下，程序数值参数可设定。“手动模式切换”程序如图4。“自动模式切换”程序学生可自行编辑。“土壤湿度阈值调节”程序如图5。“手动控制水泵”程序如图6。

程序运行成功后，行空板上实时显示土壤湿度传感器检测到的阈值。点击行空板上的打开按钮，继电器模块上的指示灯亮起，水泵开始工作。点击行空板上的关闭按钮，继电器模块上的指示灯关闭，水泵停止工作。IoT植物灌溉系统可在SIoT服务器中访问物联网数据。

教学总结

IoT植物灌溉系统设计是经典的物联网教学项目，需要几个课时才能完成，通过将土壤湿度传感器接入物联网平台，带领学生感受万物互联，体验现代科技，了解物联网，最终设计并实现具有简单物联功能的数字系统。