智慧農業溫室系統的探索與學習

盛玉嬌

DFRobot資深課程設計工程師，設計開發了“掌控板入門教程”“掌控板進階教程”等科創類教程百余篇，收獲超10萬瀏覽量，曾榮獲首屆掌控板教學應用設計大賽三等獎。

學習背景

物聯網是繼互聯網之后的新型信息基礎設施，是推動大數據和人工智能等信息科技發展與普及不可或缺的重要組成部分。智慧農業是物聯網的一個典型應用場景，本項目“智慧農業溫室系統”滿足了新課標中“物聯網實踐與探索”中的內容要求，并結合了跨學科主題“互聯智能設計”的方向，讓學生通過將溫室系統中的傳感器和執行器接入物聯網平臺，感受萬物互聯。

教學目標

1.了解智慧農業溫室系統中的傳感器系統，構建簡易傳感物聯系統。2.學習在物聯網平臺發送數據，遠程控制澆水和開啟遮陽棚。3.學習在物聯網平臺接收土壤濕度、土壤溫度數據，讀取數據并用折線圖呈現數據。4.掌握物聯系統中的反饋控制。

教學重點與難點

教學重點：根據物聯網架構設計出智慧農業溫室系統。

教學難點：行空板的配置搭建；理解物聯網架構；采集和獲取物聯網系統數據。

教學過程

一、明確學習目標

教師在教學“智慧農業溫室系統”前，告知學生教學目標以及最終的作品效果，即學生需要將土壤濕度傳感器、防水溫度傳感器進行設置和搭建，獲取農業環境數據；搭建“種子萌發環境系統”，并將數據同步到物聯網云平臺中，通過數據分析得出最適合種子萌發的土壤濕度；搭建“溫室設備自動控制系統”，實現設備的控制與反饋，如自動澆水、自動開關遮陽棚。

系統中的主控器為兩塊行空板，一塊行空板為“服務器端”和“智能終端”，連接傳感器、執行器，作用是放在溫室環境中采集農業數據；一塊行空板為“移動終端”，作用是放在中控室，遠程讀取農業數據和控制溫室設備。

二、認識硬件并進行接線

“智慧農業溫室系統”中需要使用主控器結合多種傳感器、執行器和其他模塊，實現項目功能。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。防水溫度傳感器：用于測量溫度，銀色檢測頭具有防水效果，溫度測量范圍為-10°C～85°C。舵機：可轉動到指定角度，用于控制機械臂或開關門等機械裝置。水泵：直接放置水中使用，實現抽水效果。繼電器：一種開關控制器件，可以用小電流驅動大電流設備。電源適配器：用于提供電源。

教師介紹項目需要的硬件后，展示智慧農業溫室系統的硬件接線原理圖，如圖1所示。

學生以小組為單位，領取配件后開始搭建。

三、編寫流程圖

教師在學生編寫程序前，幫助學生梳理項目流程圖，以便學生更好地編寫和理解程序。在“智慧農業溫室系統”項目中，“服務器端/智能終端”行空板的功能流程圖如圖2。

四、程序功能細化

學生在編寫程序過程中，需要和教師一起討論將項目功能進一步細化。本項目可分解為下面四個功能。

功能一：設計可視化界面

任務描述：在行空板上設計可視化界面，能夠顯示各個傳感器數據，控制各個執行器。

功能二：溫室設備遠程控制

任務描述1：認識水泵模塊，控制水泵啟動或關閉。任務描述2：搭建水泵控制物聯系統，在物聯網平臺發送數據，遠程遙控水泵開啟或關閉。任務描述3：在水泵控制物聯系統原型的基礎上，增加對舵機的遠程控制。

功能三：溫室環境數據監測

任務描述1：認識土壤濕度傳感器、土壤溫度傳感器，利用傳感器采集溫室環境數據。任務描述2：在物聯網平臺接收土壤濕度傳感器、防水溫度傳感器的數據，并遠程讀取數據。

功能四：搭建智慧農業溫室系統

任務描述：實現遠程遙控開關功能、溫室數據顯示功能、遠程控制功能，以及根據環境數據自動控制溫室設備的反饋控制功能。

學生根據流程圖和項目功能細化來編寫程序，逐步實現上面功能。兩塊行空板運行的界面如圖3所示，最后打開SIoT服務器，可以訪問物聯網數據。

五、外觀結構設計和網絡連接

為了美化智慧農業溫室系統，教師準備了一些已經切割好的外觀材料，學生可以根據示例結構圖搭建，最終效果如圖4所示。智慧農業溫室整體結構模擬溫室場景，右側內裝有多種農業環境傳感器和行空板屏幕，左側為“校園教室”，其中教室窗戶通過舵機控制開合。

智慧農業溫室系統在實施過程中，通過路由器構建局域網，在局域網中，使用第一塊行空板構建服務器，同時作為智能終端，連接多種傳感器與執行器。使用第二塊行空板作為移動終端，也接入局域網中，實現服務器終端、智能終端與移動終端的數據交換。通過USB線將作為服務器終端的行空板連接到電腦上，可訪問服務器數據庫。

當然也可以使用行空板自帶的熱點功能，組建小型局域網（不需要額外使用路由器）。此時，有兩種實現方法。第一種方法就是在第一塊行空板上，開啟熱點，同時構建服務器，并作為智能終端連接多種傳感器與執行器。第二塊行空板作為移動終端，連接熱點，接入局域網中，實現服務器終端、智能終端與移動終端的數據交換。通過USB線，電腦作為移動終端，訪問服務器數據庫。第二種方法是在第一塊行空板上開啟熱點，同時構建服務器。第二塊行空板作為智能終端，連接多種傳感器與執行器，并連接熱點，接入局域網中。

教學總結

本節課是經典的物聯網教學項目，以“智慧農業溫室系統”項目為例，通過將溫室系統中的傳感器和執行器接入物聯網平臺，帶領學生感受萬物互聯，了解物聯網的架構，最終設計并實現具有簡單物聯功能的數字系統。

教學拓展

本項目還可以利用物聯網平臺進行數據采集和分析。學生需要完成拓展任務：溫室環境數據分析——探究最適合種子萌發的土壤濕度。

任務描述1：用傳感器采集溫室的環境數據，包括土壤濕度、土壤溫度，上傳到物聯網平臺，再從物聯網平臺上導出數據表格。班級分組，每組學生設置不同濕度環境的種子萌發溫室，跟蹤記錄土壤濕度值和種子發芽率，得出適宜種子萌發的濕度。

任務描述2：對數據進行預處理，如刪除多余數據和錯誤數據，再通過可視化圖表分析數據，評估出最適合種子萌發的土壤溫度。