資源簡介

(共20張PPT)
探究智能花卉養護系統
項目七
—了解物聯網
了解智能花卉養護系統的工作原理
了解什么是物聯網
了解什么是傳感器、傳感器有哪些種類
理解智能花卉養護系統如何感知外部世界
學習目標
情景導入
許多家庭都喜歡在家里種植一些花卉，以花化家庭環境、凈化空氣。但養好花卉卻不是件容易的事。不同的花卉對于光照、溫度和土壤的水分、酸堿度、肥力的要求不同，大多數人一般不能做到專業的養護，常導致種植過程中出現花卉焦葉、爛根、干枯及生蟲等問題。有時主人需要外出一段時間，花卉會因長時間無人照料而枯萎。如果有一套智能花卉養護系統（如圖），實時監測每盆花卉生長所處的環境，并及時提示需要的養護操作或自動對花卉進行養護，則上述問題會迎刃而解。那么智能花卉養護系統是如何實現智能養護的呢？
1.探索智能花卉養護系統的工作過程
現有的智能花卉養護系統大多通過監測花卉的種植環境數據，依托物聯網，將數據傳至互聯網的云端進行數據對比分析，在通過智能手機中的相應APP將花卉種植養護提示推送給用戶，如圖3-16所示。有些智能花卉養護系統還可實現自動澆水等功能。
核心概念
物聯網（Internet of Things,IoT）,指物和物相連的互聯網絡。根據國際電信聯盟的定義，物聯網主要解決物品與物品、人與物品、人與人之間的互連。
圖3-16
活動
7.1調查目前市場上已有的智能花卉養護系統，了解它們的工作過程、相關設備、網絡通信方式及性價比等，填寫表3-5
品牌 工作過程 相關設備 網絡通信方式 性價比
表3-5
2.采集花卉種植環境數據
要實現智能養護，首先需要監測花卉所處的實際環境，包括光照、溫度和土壤水分、肥力等。因此，智能花卉養護系統需具有對環境數據 采集功能，這一功能的實現可以依賴傳感器。不同類型的傳感器可監測環境溫度，如用光敏傳感器監測光照條件，溫度傳感器監測環境溫度，介質傳感器監測土壤中的含水量、肥力等。
現在已出現一些基于物聯網技術的智能傳感器，它們通常匯集多種傳感器于一身，集成了儲存、處理、通信等模塊，可將監測到的數據進行預處理后傳輸給其他設備（如物聯網設備網關、智能手機、服務器等）。有些智能傳感器甚至可以自組網，形成一個互聯的傳感器網絡。例如，智能花草環境傳感器由多種傳感器組成，其下端為濕度、肥力傳感器，插入土中后可以監測土壤中的環境；而上端為溫度、光照傳感器，可以監測土壤以上部分的環境。但是這種傳感器并沒有顯示功能，要顯示傳感器采集的數據，還需要借助于APP。用戶在智能手機中下載安裝配套的APP，并在APP中將智能手機和傳感器配對連接后，方可在智能手機上查看傳感器監測到的環境數據，如圖3-17所示。
活動
7.2 選擇一盆花卉植物，將智能花草環境傳感器插入花盆中，在手機端下載與之匹配的APP。將智能手機與傳感器配對相連，查看目前的環境數據。
7.3 通過配套資源中的視頻了解Arduino開源硬件的開發方法及相關教程。使用開源硬件Arduino模擬實現智能手機或計算機網頁監控土壤濕度。方法參考如下：
（1）準備鏈接以下模塊，如圖3-18所示。
圖3-18
（2）分別完成Arduino和ESP的代碼（代碼參見配套資源）上傳。
（3）在Arduino集成開發環境中打開ESP的串口，記下IP地址，如圖3-19所示。
如果找不到IP地址，檢查代碼中SSID和密碼是否正確。
（4）在智能手機或計算機瀏覽器中輸入ESP的IP地址，應看到如圖3-20所示頁面。
該頁面每5秒自動刷新一次。
圖3-19
圖3-20
（5）優化改進。
如果需同事進行多盆植物的土壤檢查，那么可以搭建一個網站，讓多個傳感器將數據發送
至網站，以便用戶通過網站查看所有數據。
如果要遠程監測土壤濕度，則可通過路由器端口映射實現從互聯網訪問局域網HTTP服務器。
3.了解種植環境數據的處理與反饋
雖然傳感器可監測土壤、光照和溫度等環境數據，但是不同的花卉需要的水分、肥力、光照和溫度不盡相同。用戶還需要一定的花卉養護專業知識，才能有效地利用傳感器監測到的環境數據。
因此，非花卉養護專業用戶可以在APP中設置傳感器所感知的花卉種類，通過智能手機所連接的家庭局域網或移動通信網絡將花卉種類和環境數據傳送到互聯網中的云端。將傳感器感知的環境數據與云端存儲的該種類花卉生長所需的理想環境數據進行對比，并將比對結果和養護提示反饋給APP。這樣用戶無需專業知識，根據養護提示即可完成花卉養護，如圖3-21所示。
圖3-21
思考討論
智能花卉養護信息系統如何與花卉植物鏈接在一起？
活動
7.4 選擇兩盆不同種類、環境要求差異性較大的植物，如一盆多肉類植物、一盆綠蘿。在兩個花盆中分別設置同型號智能花草環境傳感器，并在APP中設置傳感器對應的植物種類。參考APP中反饋的養護提示，將兩盆植物的環境數據調整到最適宜生長的狀態，并比較兩種不同植物生長所需要的環境數據的差異。
4.了解智能花盆的自動控制
智能花卉養護系統在傳感器的支持下可以實現監測并反饋植物生長狀態，是花卉養護更便捷。但養護過程中仍需要人工干預，比如人工澆水、施肥等。怎樣讓花卉養護變得不依賴人工，真正實現自動化、智能化？這就需要為智能花卉養護系統增加總控制功能。
要實現自動控制功能，除了使用各類開源硬件套材設計制作控制系統外，還可以直接采用集成了傳感器和自動灌溉控制系統的智能花盆。智能花盆的外層是一個儲水箱，水箱底部有個水泵，可自動泵水到花盆邊緣的噴水口為花卉澆水。根據傳感器檢測的環境數據來設定的花卉種類，當土壤濕度達到適宜該植物生長的水平后，水泵會自動關閉；當土壤濕度過低時，水泵自動開啟進行澆灌，如圖3-22所示。
圖3-22
思考討論
1.智能花卉養護系統還可實現哪些自動控制功能？
2.如果要實現用戶在配套APP中控制澆花，該如何設計？
活動
7.5 隨著物聯網技術的發展，結合了傳感器、物聯網等技術的各種智能產品不斷涌現，如智能花盆、智能水杯、智能手環等。它們逐漸融入家庭生活、交通運輸、工業生產、農業種植等多個領域，讓人們的生活、生產變得更智能、更便捷。
請在網上查閱相關資料，為自己的家庭設計物聯網智能家居系統。總結其中配置的智能家電，并了解其工作原理，填寫表3-6。
智能家電 功能 傳感器類型 控制方法
表3-6 物聯網智能家居系統配置表
活動
7.6 在創新實驗室中，模擬搭建家庭遠程監控系統，并畫出系統的工作過程示意圖。
實驗器材：智能手機；攝像頭（也可采用智能手機替代監控攝像頭）。
實驗環境：接入互聯網的小型局域網環境。
實驗要求：
（1）將攝像頭連入局域網。
（2）在智能手機上安裝客戶端軟件，并與監控端攝像頭建立連接。
（3）通過智能手機觀看實時監控畫面，并完成視頻截圖、語音對話、錄像等。
知識鏈接
物聯網及其應用
顧名思義，物聯網指物和物相連的互聯網絡。物聯網時新一代信息技術的重要組成部分。目前，物聯網的應用越來越廣泛，常見的有：智能交通、智能小區、數字博物館、數字家庭、現代物流管理、食品安全管理、數字醫療等。
物聯網的組成架構
物聯網通常可以分為四層架構：感知層---傳輸層---數據處理層---應用服務層。
感知層實現對現實世界的智能感知識別，主要包括各類型的傳感器、基礎硬件以及各類技術規范等。
傳輸層主要實現信息的傳輸，包括各種通信介質、設備和技術標準等。其中應用最為廣泛的通信技術應是蜂窩移動網絡（2G、3G、4G，甚至是5G）、Wi-Fi、藍牙（BlueTooth）等。如RFID、ZigBee、Z-Wave、NB-IoT、LoRa、PLC等。
數據處理層實現對數據的處理，包括各種服務器、存儲器、云計算平臺、數據挖掘和分析技術等。
應用服務層主要實現物聯網的各種應用。針對不同的應用環境，各種智能硬件和服務軟件等不斷被開發出來。
知識鏈接
傳感器
傳感器主要由敏感元件和轉換元件組成。轉換元件可將敏感元件感應到物理量（如溫度、濕度、照度等）或化學量（如酸堿度、濃度等）等轉變成電信號（模擬信號）。傳感器輸出電信號通常為弱信號，需要放大電路將它放大，然后經過濾波電路過濾干擾信號等一些列信號調理后形成精度較高、信噪比（信號與噪聲的比例）較大的電信號，再通過采樣和模數轉換，調理后的模擬信號被轉換成數字信號以方便計算機等設備的處理，最后經過量程計算，數據（如當前的溫度、濕度等）通過顯示設備或其他輸出設備輸出，如圖3-23所示。
傳感器的分類方法很多，若安用途分，可分為位置傳感器、接近和運動傳感器、慣性傳感器、壓力敏和力敏傳感器、光敏傳感器、介質傳感器、溫度傳感器等。
通聯網通信技術
物聯網的網通技術繁多，包括蜂窩移動通信系統（如4G、5G）、近距離無線通信技術（如Wi-Fi、藍牙、ZigBee、Z-Wave、RFID、NFC）等。不同的通信技術具有各自的特點。
圖3-23 傳感器輸出信號的轉換過程（模擬-數字）
（1）藍牙是一種無線技術標準，可實現兩個設備之間的無線短距離數據交換。隨著信息技術的發展，各種依托藍牙與計算機進行短距離無線通信的設備運輸而生，如藍牙鼠標、藍牙音響（圖3-24）等。使用藍牙時需要對互聯的設備進行配對設置，這樣才能在兩個設備間建立持續的無線連接。
（2）ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議。根據國際標準規定，ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。ZigBee可以嵌入各種設備中，用于實現自動控制和遠程控制，如圖3-25所示。例如，在燈中嵌入ZigBee，則可實現無線遙控開關燈。
（3）Z-Wave是一種基于射頻的、低成本、低功耗、高可靠、適用于網絡的短距離無線通信技術。Z-Wave技術可將獨立的設備轉換為智能網絡設備，實現控制和無線監測，如圖3-26所示。Z-Wave技術目前主要應用于智能家居領域，如用于實現家電控制。
（4）射頻識別（RFID）是一種無線通信技術，可通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關數據，而無需在識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸。RFID的應用很廣，如物流管理、門禁控制、視頻溯源等，如圖3-27所示。
（5）近場通信（NFC）是一種短距離的高頻無線通信技術。它由RFID演變而來，在單一芯片上結合了感應式讀卡器、感應式卡片，可實現電子設備之間的非接觸式點對點數據傳送。目前主要用于交通一卡通、支付卡、門禁卡等，如圖3-28所示。
圖3-24
藍牙音箱
圖3-25
ZigBee技術的應用
圖3-26
Z-Wave無線監控
圖3-27
RFID在物流中的應用
圖3-28
使用手機NFC功能乘坐地鐵
信息系統與外部現實世界的連接方式
信息系統通過輸入設備，如傳感器等與外部現實世界連接。如今常用的智能設備（如智能手機、平板電腦）都安裝了傳感器。例如，陀螺儀、攝像頭、指紋識別器等。傳感器對于信息系統 作用，如同人類的感覺器官對于大腦的作用，通過感知外部現實世界獲取信息。除此之外，信息系統還通過輸出和控制與外部現實世界進行連接，實現一系列操作功能，如操控機器人手臂完成工業制造等。如圖3-29所示為物聯網系統與外部現實世界的連接方式，它實現了從現實世界到數字世界再到現實世界的信息流轉。
圖3-29 物聯網系統與外部現實世界的連接方式
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