資源簡介

(共44張PPT)
第2單元 第3課
搭建魚菜共生開源系統——把反饋引入控制系統
（清華大學版）五年級
上
1
核心素養目標
3
新知講解
5
拓展延伸
7
板書設計
2
新知導入
4
課堂練習
6
課堂總結
課后作業
8
01
核心素養目標
信息意識
計算思維
數字化學習與創新
信息社會責任
在學習過程中，構建可持續魚菜共生系統，促進綠色發展與社會責任。
明白能夠利用系統中的反饋機制，搭建開源魚菜共生系統，反饋優化控制，實現數字化創新。
能在魚菜共生開源系統學習中，學會過程與控制，從而更好地理解實踐檢驗。
意識到創新能夠帶來美好生活，理解其對自身的意義，從而能夠順利學習本節課內容。
02
新知導入
在開源文化的背景下，開源硬件成了創客手中便捷又實用的工具。創客利用開源硬件在“個人智造”“家庭智造”“社區智造”等方面制作了諸多作品，魚菜共生智能控制的項目就是其中之一。在了解了開源硬件的相關知識后，本節課我們從搭建魚菜共生開源系統項目入手，通過動手實踐來成為真正的創客吧!
02
新知導入
快來做項目吧！
我們該如何做呢？
同學們，想一想，你們認為制作魚菜共生開源系統項目需要哪些環節呢？快和組內的小伙伴們一起討論交流一下吧！
思考
02
新知導入
在我看來，計算機計算機依靠傳感器來接收外界的信息。就像我們的眼睛和耳朵一樣，傳感器可以感知光、聲音、溫度、壓力等各種物理量，并將這些信息轉化為電信號。例如，攝像頭就是一種圖像傳感器，它可以將外界的圖像轉化為數字信號，讓計算機能夠處理和分析。編碼就像是一個神秘的密碼世界。它雖然看不見摸不著，卻在計算機的世界里起著非常重要的作用。
小組一：
1.規劃設計：確定系統規模和布局，設計水循環路徑和過濾系統。
2. 材料準備：采購魚缸、種植槽、水泵、管道等材料。
3. 搭建安裝：組裝魚缸和種植槽，連接管道和水泵，設置過濾裝置。
02
新知導入
在我看來，計算機計算機依靠傳感器來接收外界的信息。就像我們的眼睛和耳朵一樣，傳感器可以感知光、聲音、溫度、壓力等各種物理量，并將這些信息轉化為電信號。例如，攝像頭就是一種圖像傳感器，它可以將外界的圖像轉化為數字信號，讓計算機能夠處理和分析。編碼就像是一個神秘的密碼世界。它雖然看不見摸不著，卻在計算機的世界里起著非常重要的作用。
小組二：1.研究學習：了解魚菜共生原理和成功案例，制定適合的方案。2. 容器選擇：挑選合適的容器作魚和菜的生長空間。3.調試運行：放入魚和菜苗，調試水循環和水質，確保系統穩定。
小組三：1.前期調研：考察場地條件和需求，確定系統類型。2. 部件制作：自制部分組件，如過濾箱等。3. 后期維護：定期監測水質和動植物生長情況，進行必要的調整和維護。
02
新知導入
03
新知講解
一、過程與控制--系統中的反饋機制
事物在發展過程中廣泛存在著“輸入一處理一輸出”的系統運行模式，外界輸入經過計算處理后產生輸出并作用于外界，使系統按預定的可控目標演進輸出的過程中產生的中間變量又可作為反饋信息再次引入系統，形成閉環控制，如圖 2.3.1 所示。
圖 2.3.1 系統中的反饋機制
03
新知講解
圖 2.3.2 過程與控制系統
開源硬件組成的控制系統也需要遵循“過程與控制”的系統模式，包含“輸入一控制一輸出”三個環節:輸入設備從外界獲得輸入信號，經過控制設備計算處理后產生一個命令，讓輸出設備來進行執行，如圖 2.3.2所示。
03
新知講解
圖 2.3.3 聽到“起立”時，站起來
這個過程就好比上課前,當耳朵聽到“起立”時,大腦接收到這個信號并理解后,控制身體從座位上站起來，如圖2.3.3所示。這個過程中，耳朵接收外界信息相當于輸入,大腦進行理解處理相當于控制，身體執行大腦發送過來的命令相當于輸出。
03
新知講解
課堂活動
根據本節課所學內容，請同學們想一想你們要制作的魚菜共生開源系統想要實現什么功能，并上網查找資料看看需要哪些輸入模塊和輸出模塊，把想法記錄在表 2.3.1中。
表 2.3.1 想法記錄表
功能描述 輸入模塊 輸出模塊
水循環功能，將魚缸的水輸送到種植區 水泵抽活水 凈水潤菜苗
高效生產功能 優質苗種入 高產魚菜出
環境友好功能 綠色理念進 零污環境優
03
新知講解
在正式開始制作項目前，首先需要對項目實現的功能進行梳理，并選擇合適的硬件編程環境工具，做好項目制作的準備工作。
二、項目準備--用流程圖表示控制實現的過程
繪制邏輯流程圖
項目作品的每個功能都有輸入、輸出、完整的邏輯線，而流程圖能夠讓我們清晰地了解作品的功能和邏輯。例如，魚菜共生開源系統項目中給農作物澆水的功能就可以用邏輯流程圖來描述，如圖 2.3.4 所示。
03
新知講解
圖 2.3.4 魚菜共生開源系統給農作物澆水功能的邏輯流程圖
我使用了檢測土壤濕度的傳感器進行實時監測，當農作物缺水時，打開水泵;當農作物不缺水時，關閉水泵。
03
新知講解
了解硬件編程環境
編程環境包括硬件環境和軟件環境兩大部分。在制作項目中需要的硬件環境有主控板、各類傳感器與執行器、硬件連接計算機的驅動程序和端口號;在制作項目中需要的軟件環境有編程語言環境、在主控板上運行的程序。我們使用的軟件編程語言環境要與硬件的編程語言環境相同，這樣寫的程序才能夠輸入硬件設備中，從而控制設備運行。開源硬件主控板的硬件環境大多由多種編程語言組成，尋找對應的軟件編程環境極其重要。我們可以使用Python 這種“膠水語言”的軟件編程環境，將各個不同的編程語言環境連接在一起，以便控制不同類型的硬件設備。魚菜共生開源系統的編程環境如圖 2.3.5 所示。
03
新知講解
溫馨小貼士
主控板初次使用時需要刷入一個新的固件，以便程序正常運行，操作方法:打開軟件一選擇“設置”按鈕一單擊“燒錄固件”一選擇“樂動掌控官方固件進行燒錄。
圖2.3.5 魚菜共生開源系統的編程環境
端口連接成功
還是你懂我！
硬件環境
軟件環境
驅動連接成功
03
新知講解
三、項目制作--實現控制邏輯
厘清了項目實現功能的邏輯流程圖，了解了硬件編程環境后，進入項目制作的環節。
制作內容:魚菜共生開源系統。
制作準備:硬件、軟件、其他物品(見圖2.3.6)。
圖2.3.6 項目制作準備
制作過程:程序設計、硬件設備系統的搭建、項目測試和結構設計。
傳感器、執行器
編程平臺
魚缸、花盆等物品
03
新知講解
程序設計
根據項目要實現的功能和繪制的邏輯流程圖，將作品的程序編寫出來
圖 2.3.7所示是魚菜共生開源系統項目中農作物自動澆灌的程序設計。
圖2.3.7 魚菜共生開源系統中農作物自動澆灌的程序設計
03
新知講解
硬件設備系統的搭建
項目作品的實現還需要根據作品功能搭建一個完整的硬件系統，這個過程包括輸入一控制一輸出系統的組成和硬件引腳的連接。
“輸入一控制-輸出”系統
“輸入一控制一輸出”系統是制作項目時根據實現的功能搭建出的一個完整的硬件設備系統，它包括能夠輸入信息的多個傳感器、存儲和處理信息的開源硬件主控板，以及執行控制命令的各個執行器。這個系統除了能夠對主控板的外部連接設備進行控制，還能控制輸入、輸出設備和主控板之間的數據交換。它的功能主要是發送設備控制命令、檢測外部設備狀態和控制數據的輸入、輸出，如圖 2.3.8所示。
03
新知講解
圖2.3.8 魚菜共生開源系統農作物自動澆灌中的“輸入-控制-輸出”系統
土壤濕度
樂動掌控
水泵
輸入
控制
輸出
03
新知講解
硬件引腳連接
要實現項目的“輸入一控制一輸出”硬件系統的搭建，還需要將各個輸入的傳感器、輸出的執行器與主控板連接起來。在開源硬件項目中，主控板與傳感器和執行器的連接主要通過輸入、輸出引腳實現。一些主控板內有已定義好的引腳，這些引腳與主芯片連接，傳感器和執行器一旦通過輸入、輸出引腳與主控板連接，就能實現數據傳輸。
03
新知講解
一般的數據傳輸時由三條線進行控制，分別是接地的地線(G)，數據傳輸線(AO、AI、DO、DI)和電源線(V)，如圖 2.3.9所示。
G接G,V接V，引腳傳輸看程序
圖2.3.9 魚菜共生開源系統農作物自動澆灌中的引腳連接
03
新知講解
溫馨小貼士
1.引腳中的標識如下。
A:模擬(Analog)型，表示連續變化的數值，如光線、聲音，D:數字(Digital)型，表示開關兩種狀態，一般用0和1表示，如按鍵紅外探測等。
A1:表示模擬輸入(Analog Input )AO:表示模擬輸出(Analog Output )。DO :表示數字輸出(Digital Output )。Dl:表示數字輸入(Digital Input )
2.一些特殊的引腳需要兩條線做數據傳輸，如超聲波用 SCL 和 SDA 做數據傳輸。
03
新知講解
課堂活動
請同學們完成魚菜共生開源系統項目的程序編寫，并搭建魚菜共生開源系統項目的硬件設備系統，連接主控板與計算機，并單擊軟件中的刷入，將程序刷在主控板中，運行并查看程序效果。
1. 連接硬件：
將水泵與主控板通過繼電器模塊連接。
將各類傳感器連接到主控板的對應引腳上。
確保電源接入穩定，并注意安全。
2. 組裝結構：根據設計圖紙，將魚缸與植物槽合理布置，確保水流能夠有效循環。
03
新知講解
項目測試
完成基本的制作環節后，我們還要對編寫完成的程序和搭建好的硬件進行測試，不斷調整，使程序能夠正常運行，硬件電路能夠正常工作，從而實現作品的功能。例如，魚菜共生開源系統中，將土壤濕度傳感器插到干燥的土壤中，測試水泵是否開始工作進行抽水等，如圖 2.3.10所示。
圖2.3.10 魚菜共生開源系統的項目測試
別著急，我們挨個測試，看看是程序問題還是硬件問題，使用打印“1，2，3…的方式可以幫助我們檢測出來!
問題出在程序2中。
程序報錯了怎么辦
03
新知講解
溫馨小貼士
測試時，如果功能無法實現，一般從以下幾個方面進行判斷。
(1)程序是否報錯，如果是，那么調整程序。
(2)檢查硬件引腳是否連接正確。
(3)查看主控板是否電量不足，如果是，那么連接外部電源供電。
03
新知講解
最后，還要結合外觀結構才能制作出作品的原型。在開源硬件的項目中，會采用幾種工藝來進行外觀的制作，包括3D 打印、激光切割和其他數字化加工工具等。在魚菜共生開源系統項目中，可以利用身邊的一些物體和工具，輔助一種或幾種工藝手段來完成作品，圖2.3.11所示為魚菜共生開源系統項目中采用激光切割制作的菜盆支架。
圖2.3.11 利用激光切割制作魚菜共生開源系統中的菜盆支架
結構設計
04
課堂練習
實踐
1.請同學們對項目作品進行測試與調整，并將問題與解決辦法記錄在表 2.3.2中。
表 2.3.2 項目測試的問題與描述
出現的問題 水質不穩定，影響魚和植物的生長。 植物未能正常生長或出現病害。 魚類易感染疾病，導致死亡率上升。
我的解決辦法 定期監測水質，包括pH值、氨氮、硝酸鹽等指標。 提供充足的光照，可以使用LED生長燈補光。 可引入健康的同伴魚，以增強生態平衡。
04
課堂練習
實踐
2.請同學們自己選擇制作外觀結構的材料，完成魚菜共生開源系統的項目原型。
1. 項目規劃：確定目標，制定時間表，列出每個階段的任務，并設定截止日期。
2.系統設計水循環系統：設計水泵、過濾器和管道布局。植物床與魚缸，確定植物床的位置與大小，魚缸應考慮容量不形狀。
3. 材料選擇：根據功能和美觀性選擇合適材料。
4.原型制作：搭建結構，根據設計圖紙搭建魚缸及植物床，安裝水循環系統并確保密封性。
05
拓展延伸
主控板的特殊引腳
我注意到主控板上有 SCL和 SDA引腳，這是什么
SCL/SDA 為c(Inter-Integrated Circuit)接口的兩個引腳，C主要用于連接主控設備及其外圍設備。SCL/SDA是IC的信號線，其中 SDA 是數據線，用于數據傳輸SCL是時鐘線，傳遞由主控設備發出的時鐘信號，控制數據的傳輸。數據通過這兩條線在主控設備和外圍設備(如溫濕度傳感器、數字光線傳感器等)之間進行傳輸。
05
拓展延伸
主控板的特殊引腳
還有一些傳感器上寫著 TXD 和 RXD，這又是什么
這個引腳有時也會簡寫成 TX 和 RX，其中TX(Transport)指發送信號,RX(Receive)指接收信號，主要用于實現兩個模塊之間的數據交換。
05
拓展延伸
主控板的特殊引腳有哪些類型
復位引腳：
用于將主控芯片恢復到初始狀態。當該引腳接收到特定的復位信號時，芯片內部的寄存器、邏輯電路等都會被初始化。
時鐘引腳
為芯片的內部操作提供時鐘信號，以同步芯片內各個模塊的工作。時鐘信號的頻率決定了芯片運行的速度。
05
拓展延伸
主控板的特殊引腳有哪些類型
中斷引腳
當外部設備有緊急事件需要通知主控芯片時，就會通過中斷引腳向芯片發送中斷信號。
電源引腳：
力主控芯片以及整個主控板上的其他元件提供工作所需的電能。
05
拓展延伸
主控板特殊引腳檢測的方法。
信號注入法
可以使用信號發生器向復位引腳注入特定的復位脈沖信號。然后觀察主控板是否能正常復位重啟，以此來判斷復位引腳及相關電路是否正常工作。
頻率檢測法
使用頻率計測量時鐘引腳的頻率。對于有外部晶振的主控板，將頻率計的探頭連接到時鐘引腳，檢測其輸出頻率是否與晶振標稱頻率相符。
05
拓展延伸
主控板特殊引腳檢測的方法。
頻率檢測法
使用頻率計測量時鐘引腳的頻率。對于有外部晶振的主控板，將頻率計的探頭連接到時鐘引腳，檢測其輸出頻率是否與晶振標稱頻率相符。
脈沖觸發檢測
對于脈沖觸發的中斷引腳，使用信號發生器產生符合要求的脈沖信號，輸入到中斷引腳，檢查主控板是否按照預期進入中斷處理流程。
05
拓展延伸
如何解決主控板的特殊引腳故障？
首先檢查復位電路中的元件，如復位電容、電阻等。如果電容漏電可能導致復位電平異常。對于低電平復位電路，一般復位電容與電阻串聯接地。可以使用萬用表檢測電容的容值是否在正常范圍內，電阻的阻值是否正常。
檢查復位按鈕是否正常工作。按下復位按鈕時，應能可靠地將復位引腳拉到正確的電平（低電平復位時拉低，高電平復位時拉高）。如果按鈕接觸不良，可以更換按鈕。
05
拓展延伸
主控板的特殊引腳應用于哪些領域
在當今科技飛速發展的時代，主控板的特殊引腳正逐漸成為我們生活中不可或缺的一部分，以下領域正被廣泛運用。
智能手機和平板電腦：在設備出現死機或軟件故障時，復位引腳可用于重啟系統。
智能電視：在智能電視的啟動過程中，如果出現故障無法正常開機，可以幫助恢復初始狀態，重新嘗試啟動。
自動化生產線：在工業控制器（如PLC）中，復位引腳可用于在系統初始化或者出現故障后重新啟動設備。
06
活動日志
活動日志 班級：XX 姓名：XX
活動名稱 搭建魚菜共生開源系統——把反饋引入控制系統
活動環節 1口 2口 3口 4口（在對應環節畫V）
活動完成內容 過程與控制--系統中的反饋機制、項目準備--用流程圖表示控制實現的過程
活動完成度 口口口口口口口口口(100%)
活動小結 問題與反思：拓展與優化的過程中缺乏創新性。
改進的方法：強化學習等先進創新技術。
07
課堂總結
1
引入新知內容
搭建魚菜共生開源系統——把反饋引入控制系統
2
學習過程與控制—系統中的反饋機制
3
學習項目準備—用流程圖表示控制實的過程
4
完成課題練習
5
進行相關知識拓展
1
2
3
4
5
08
板書設計
搭建魚菜共生開源系統——把反饋引入控制系統
1.進行新知引入
2.學習過程與控制—系統中的反饋機制
3. 學習項目準備——用流程圖表示控制實現的過程
4.完成課堂練習
5.進行知識拓展
09
課后作業
01
1、分析一個成功的搭建魚菜共生開源系統案例，說明該作品是如何通過實踐檢驗不斷拓展和優化的。
09
課后作業
02
2、學完本節課，總結實踐檢驗的重要性和方法。
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