物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)“助力”科學(xué)觀(guān)察活動(dòng)

林淼焱

科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中明確指出，學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)不能僅僅局限在課堂上，大自然是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的最佳場(chǎng)所?？茖W(xué)觀(guān)察活動(dòng)的實(shí)施讓學(xué)生走近大自然，為課堂教學(xué)延伸到課外提供了很好的切入點(diǎn)和落腳點(diǎn)?？茖W(xué)觀(guān)察活動(dòng)要求學(xué)生記錄下較為完整、具有一定科學(xué)依據(jù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)、周?chē)h(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及相關(guān)照片等內(nèi)容。

科學(xué)教材中有很多關(guān)于觀(guān)察植物的探究活動(dòng)，但學(xué)生只能通過(guò)觀(guān)察植物每天的生長(zhǎng)情況，以文字的形式記錄下來(lái)，無(wú)法提供較為具體的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。如果要探究植物的生長(zhǎng)情況與土壤濕度的關(guān)系，不僅需要定時(shí)拍攝照片，還要同步記錄濕度信息，二者結(jié)合才能夠更加直觀(guān)地看到植物在不同濕度下的生長(zhǎng)情況，才有助于學(xué)生分析并了解植物的習(xí)性特點(diǎn)。為此，開(kāi)發(fā)一個(gè)能夠同步記錄圖像和傳感器數(shù)據(jù)的系統(tǒng)對(duì)科學(xué)觀(guān)察活動(dòng)來(lái)說(shuō)尤為重要。

● 設(shè)計(jì)分析

筆者將這個(gè)信息系統(tǒng)命名為“科學(xué)記錄助手”。為了方便采集，筆者選擇了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)，只要有Wi-Fi信號(hào)就能定時(shí)記錄。由于MQTT協(xié)議無(wú)法直接傳輸圖片，所以圖片需要編碼成特定格式的數(shù)據(jù)，傳輸至MQTT服務(wù)器，再利用PC端將數(shù)據(jù)解碼還原成圖片，查看收集到的數(shù)據(jù)并形成圖表，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控并記錄數(shù)據(jù)的功能。

綜合各方面的技術(shù)，筆者對(duì)“科學(xué)記錄助手”涉及到的編程語(yǔ)言、MQTT服務(wù)器和開(kāi)源硬件分別做了如下選擇：編程語(yǔ)言擇選Python，MQTT服務(wù)器擇選SIoT，開(kāi)源硬件擇選虛谷號(hào)。

因?yàn)樘摴忍?hào)已經(jīng)板載了Arduino，能夠方便地接入各種傳感器，同時(shí)虛谷號(hào)又是一個(gè)迷你電腦，預(yù)裝了SIoT，并且能夠處理攝像頭信息，內(nèi)置的OpenCV能夠?qū)鞲衅餍畔⒑蛨D片合并起來(lái)，所以用它來(lái)做科學(xué)記錄非常適合?！翱茖W(xué)記錄助手”的工作流程如上頁(yè)圖1所示。

● 硬件搭建

筆者選擇了普通的USB攝像頭及Arduino兼容的土壤傳感器（Dfrobot生產(chǎn)），材料清單如下：①虛谷號(hào)*1;②攝像頭*1;③土壤濕度傳感器*1;④Arduino UNO擴(kuò)展板*1。

虛谷號(hào)的接口與Arduino UNO完全兼容，可使用Arduino的拓展板連接各種傳感器。筆者將土壤濕度傳感器連接虛谷號(hào)的A0口，將攝像頭的USB端連接虛谷號(hào)， 如上頁(yè)圖2所示。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的搭建很簡(jiǎn)單，只要將攝像頭固定好即可。為了避免干擾，筆者選擇了在創(chuàng)客空間的室內(nèi)觀(guān)察植物，具體效果如圖3所示。

● 代碼實(shí)現(xiàn)

葉下珠類(lèi)似于含羞草，葉片變化情況明顯，易于觀(guān)察。因此，筆者選擇葉下珠作為本次實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象，定時(shí)（每六分鐘）對(duì)植物進(jìn)行一次拍攝，拍攝照片的同時(shí)記錄下傳感器所監(jiān)測(cè)的數(shù)值，并通過(guò)代碼將數(shù)值記錄在照片上。

1.數(shù)據(jù)采集代碼（虛谷號(hào)）

通過(guò)攝像頭拍攝植物照片，讀取傳感器數(shù)值并寫(xiě)入圖片信息，再將圖片編碼為base64格式上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)SIoT。這個(gè)代碼要運(yùn)行在虛谷號(hào)上，核心代碼如圖4所示。

需要說(shuō)明的是，將這個(gè)Python文件放入vvBoard的Python文件夾下，命名為mian.py，即可實(shí)現(xiàn)開(kāi)機(jī)自動(dòng)運(yùn)行。

2.數(shù)據(jù)呈現(xiàn)代碼

另外，可以設(shè)置一臺(tái)或者多臺(tái)電腦作為數(shù)據(jù)觀(guān)察端，同樣利用Python代碼訂閱虛谷號(hào)的SIoT服務(wù)器消息，在json字符串中解析出圖片信息，然后保存圖片并將傳感器信息保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。核心代碼如下頁(yè)圖5所示。

為了觀(guān)察方便，筆者還通過(guò)Python的Flask庫(kù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)Web服務(wù)，用戶(hù)只需要在瀏覽器中輸入127.0.0.1：5000，即可進(jìn)入一個(gè)自動(dòng)刷新的頁(yè)面，方便學(xué)生查看當(dāng)前的攝像頭畫(huà)面和傳感器信息。

在PC端訂閱MQTT信息，只能得到訂閱期間的信息。如果想得到全部的觀(guān)察信息，那就需要借助SIoT的WebAPI，獲取之前的信息。也可以直接讀取SIoT的數(shù)據(jù)庫(kù)，因?yàn)镾IoT采用的也是Sqlite數(shù)據(jù)庫(kù)，用Python讀出很方便。

● 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)一段時(shí)間的監(jiān)測(cè)，筆者收集到了大量的照片以及土壤濕度數(shù)據(jù)，為了更好地進(jìn)行觀(guān)察以及分析，將數(shù)據(jù)進(jìn)行了一定處理后，得到了一段植物變化情況的視頻。通過(guò)視頻筆者意外地發(fā)現(xiàn)，在恒定的光照下，葉下珠的葉片會(huì)在每天的22：00閉合，在每天清晨5：00時(shí)葉面展開(kāi)。同時(shí)，在葉片舒張時(shí)，土壤濕度值略微降低，隨即恢復(fù)到穩(wěn)定值（如圖6）。這說(shuō)明當(dāng)葉片舒張時(shí)，植物會(huì)向土壤中攝取一定水分，隨后土壤濕度的回升，有可能是土壤間水分傳遞及植物與土壤中的相互作用造成的，其具體原因還需要進(jìn)一步觀(guān)察研究。

● 總結(jié)

“科學(xué)觀(guān)察助手”實(shí)現(xiàn)了在線(xiàn)實(shí)時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及拍攝照片的功能，能夠?qū)χ参锏纳L(zhǎng)進(jìn)行觀(guān)測(cè)以及分析，能將具象的植物與抽象的傳感器數(shù)值有趣地結(jié)合在一起，是一種全新的觀(guān)測(cè)工具。通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，采用這樣的方式做探究實(shí)驗(yàn)，能夠?qū)?shū)本上枯燥的文字轉(zhuǎn)換成生動(dòng)有趣的實(shí)驗(yàn)探究經(jīng)歷，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。另外，用這種方式也能夠有效提升學(xué)生搜集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)的能力，讓科學(xué)觀(guān)察活動(dòng)更加精彩有效。

基金項(xiàng)目：本文為2018年度溫州市中小學(xué)?？萍紕?chuàng)新項(xiàng)目“‘物聯(lián)網(wǎng)與科學(xué)探究創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)課程的開(kāi)發(fā)”的階段性成果（項(xiàng)目編號(hào)：2018ZXX01）。