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(shù)，創(chuàng)意設(shè)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(chuàng)新應(yīng)用;使用LaserMaker繪制結(jié)構(gòu)圖，利用多種材料為系統(tǒng)制作結(jié)構(gòu)件。

教學難點 哈士奇視覺傳感器感知植物生長的創(chuàng)新應(yīng)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(wù)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(shè)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(huán)境控制系統(tǒng)，采用水培方式，模擬植物生長所需要的陽光、空氣、水和養(yǎng)分等自然環(huán)境，使種植不受天氣和環(huán)境的影響。

分類模式：該微控制系統(tǒng)可設(shè)定三種模式——加速模式、景觀模式、休息模式。

智能感知：該系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計。

設(shè)計意圖：學生通過對實際問題的需求分析，對系統(tǒng)進行設(shè)計。

二、頭腦風暴

1.系統(tǒng)功能

教師組織學生以小組為單位，針對上述需求的功能設(shè)計開展討論，從而得到一個較為完善的系統(tǒng)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(jié)果記錄下完整的設(shè)計內(nèi)容，并形成文檔。桌面植物景觀系統(tǒng)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(yǎng)液循環(huán)，防止植物爛根;景觀模式使用彩燈達到一種點綴環(huán)境氛圍的效果，可作為桌面擺件裝飾環(huán)境;休息模式使用藍光，促進植物根莖部發(fā)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(xiàn)的功能選取相關(guān)硬件。

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計

依據(jù)所選用硬件及植物尺寸，設(shè)計一個無底的盒體結(jié)構(gòu)，合理布局，將相關(guān)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(guān)傳感器安裝孔位。具體設(shè)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(jié)構(gòu)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(nèi)容包括三種工作模式的調(diào)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(fā)引導學生可以創(chuàng)新應(yīng)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(shù)值，我們通過映射函數(shù)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(shù)值區(qū)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(yīng)，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(shù)以及感知植物生長的感知函數(shù)。

在感知生長函數(shù)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(shè)定的值時，屏幕出現(xiàn)“grow yes”提示，同時拍照記錄植物生長過程。

四、組裝設(shè)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(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)，按照對應(yīng)的孔位用螺絲固定對應(yīng)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(nèi)部。

將框架和窗體結(jié)構(gòu)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(nèi)部用502膠水粘貼，從而完成風扇模塊的安裝。

五、系統(tǒng)測試

給系統(tǒng)通電對其進行測試，通過旋轉(zhuǎn)模擬角度傳感器，分別測試對應(yīng)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(shè)定的值時，會觸發(fā)哈士奇拍照，并在哈士奇屏幕上出現(xiàn)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(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)等，結(jié)合生物、數(shù)學、信息技術(shù)等學科知識，創(chuàng)意設(shè)計了桌面植物景觀實驗觀察裝置，不僅提升了學生的創(chuàng)新能力，而且培養(yǎng)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(tǒng)仍存在一些問題亟待改進，比如設(shè)計時沒有考慮數(shù)據(jù)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(xù)可考慮增加物聯(lián)網(wǎng)的功能。

（本課件由DF創(chuàng)客社區(qū)推薦）