資源簡介

(共19張PPT)
第四課：制作智能盆栽澆水器
智能盆栽澆水器的設計與實現
本演示將介紹如何設計和實現一個智能盆栽澆水系統，利用反饋控制原理實現自動化澆水。
學習目標
1
知識目標
理解土壤濕度傳感器原理及數據傳輸方式；掌握反饋控制在自動澆水系統中的核心作用。
2
能力目標
能自主搭建自動澆水系統，包括硬件連接和程序編寫；學會利用物聯網平臺上傳和分析濕度數據。
3
素養目標
培養科學探究、動手實踐和數據分析能力，認識智能農業及其對社會和環境的積極影響。
導入：
1
數據采集功能
學習如何采集智能澆水器的數據
2
反饋控制功能
了解如何實現自動控制和反饋控制
3
物聯網傳輸
將土壤濕度數據傳輸至物聯網平臺進行分析
4
遠程指令
學習如何遠程發送指令對系統進行干預
探索：
做一做：
判斷下圖哪種家 用電器具有反饋控制功 能，能實現自動控制。 在你認為有此功能的圖 下面的括號中畫“√”。
能量加油站：
1
與環境交互
能夠感知土壤濕度值并響應土壤濕度的變化。
2
自主運行
可以自主調控土壤濕度值。
3
通信
可以通過網絡與物聯網平臺傳輸數據。
寫一寫：
理解了智能澆水器的特點，結合前面學習的知識，我們一起來設計一款 智能澆水器。請將下面的具體方案補充完整。
(1)與環境交互：智能澆水器通過_________感知土壤濕度值。
(2)自主運行：智能澆水器的_______通過比較人們設定的濕度閾值與_______,并做出判斷，決定是否啟動水泵。
(3)通信：智能澆水器采集的數據通過_________的通信方式傳輸到網絡端。人們可以在網絡端設置智能澆水器的濕度閾值，實現遠程控制。
寫一寫：
理解了智能澆水器的特點，結合前面學習的知識，我們一起來設計一款 智能澆水器。請將下面的具體方案補充完整。
(1)與環境交互：智能澆水器通過土壤濕度傳感器感知土壤濕度值。
(2)自主運行：智能澆水器的主控板通過比較人們設定的濕度閾值與測定的濕度閾值,并做出判斷，決定是否啟動水泵。
(3)通信：智能澆水器采集的數據通過無線網絡的通信方式傳輸到網絡端。人們可以在網絡端設置智能澆水器的濕度閾值，實現遠程控制。
設計：
智能澆水器是一個閉環控制系統，請分組討論、分析它的組成部分，補全下面的框圖。
設定的土壤濕度值
比較器
控制量
土壤濕度值
電磁繼電器
主控板
水泵
土壤濕度傳感器
根據上面的討論結果，與小組成員一起討論智能澆水器的工作流程，補全下面的智能盆栽澆水器工作流程圖。
開始
初始化：設定土壤濕度值、
顯示界面、配置網絡
采集土壤濕度值
物聯網平臺
土壤濕度是否低于設定值？
電磁繼電器吸合，啟動水泵
電磁繼電器斷開、關閉水泵
結束
核心概念
土壤濕度傳感器
電阻/電容式測量，輸出模擬或數字信號
主控板（控制器）
接收傳感器信號，進行數據處理和邏輯判斷
反饋控制原理
閉環控制流程：檢測濕度 → 比較閾值 → 控制水泵 → 再次檢測
系統組成
土壤濕度傳感器
輸入模塊，檢測土壤濕度
主控板
計算模塊，處理數據并控制系統
電磁繼電器 + 水泵
執行模塊，根據指令澆水
物聯網平臺
數據存儲與分析模塊
軟件邏輯與流程
初始化
設定濕度閾值，顯示界面配置
1
采樣與比較
周期性讀取濕度值，與設定值比較
2
執行控制
低于閾值 → 開啟水泵；達到閾值 → 關閉水泵
3
數據上傳
將濕度數據和水泵狀態上傳物聯網平臺
4
實踐制作
1
準備器材
主控板、電池盒、土壤濕度傳感器、電磁繼電器、水泵、導線
2
硬件搭建
連接傳感器、繼電器和水泵到主控板
3
程序編寫
初始化、設置采樣時間、主程序邏輯編寫
4
調試與運行
檢查傳感器值穩定性，調整采樣間隔，觀察數據上傳
2.連接硬件：
3.編寫程序：
(1)初始化。
初始化程序需要完成設定變量、設置主控板液晶屏顯示界面，此次程序中 設定的界面如下圖所示。
3.編寫程序：
（2）配置網絡程序，如右圖所示。
(3 )設置30秒和60秒兩個采樣時間選擇按鈕，如下圖所示。
3.編寫程序：
(4)設置主程序。
實時采集土壤濕度值，并發送到網絡端， 程序如右圖所示。
根據土壤濕度值，判斷是否開啟水 泵，同時改變主控板界面上的水泵顯示 狀態，程序如左圖所示。
設置濕度閾值，并顯示在主控板界面上，程序如右圖所示。
4.運行調試。
運行上述程序，并觀察、分析結果。遇到問題時，嘗試調試解決。
5.導出、分析數據。
將在物聯網平臺上收集的數據表導出，并用作圖法、列表法分析數據。
拓展與思考
結合天氣預報
如何利用天氣數據優化澆水策略？
多傳感器融合
溫度、光照、pH值等數據如何綜合應用？
智能農業發展
大數據分析和遠程控制在農業中的應用前景？
總結與作業
1
課程回顧
土壤濕度傳感器原理、反饋控制閉環、系統硬件連接與程序編寫
2
實踐心得
關注數據穩定性與合理閾值設置的重要性
3
課后作業
撰寫短文：如何優化自動澆水策略；修改程序參數并記錄系統效果變化教學教案設計
總第 04 課時
課 題 名 稱 制作智能盆栽澆水器
學習目標 （包含學科核心素養） 知識：理解智能設備三大特點（交互、自主、通信）及反饋控制原理。 技能：能搭建澆水器硬件、編程實現遠程控制，調試并分析數據。 情感：體會物聯網技術在農業節水與環保中的應用價值。 素養：培養信息意識與計算思維，理解智能農業的可持續發展意義。
問 題 類 型 學生問題 土壤濕度傳感器是如何將土壤水分含量轉換為電信號的？ 自動澆水器的反饋控制系統如何通過比較實際濕度與設定閾值來決定是否啟動水泵？ 采集到的土壤濕度數據是如何通過物聯網平臺進行傳輸和分析的？
學科問題 1. 土壤濕度傳感器的工作原理是什么？請詳細說明傳感器如何將土壤中的水分含量轉換為電信號，并討論這種信號在自動澆水系統中的傳輸和處理過程。 2. 閉環反饋控制在自動澆水系統中起到了怎樣的作用？ 3. 在智能澆水系統中，數據采集后的分析對優化澆水策略有何意義？
教師問題 1. 在自動澆水系統中，反饋控制如何實現精準灌溉？請解釋系統如何利用土壤濕度數據與預設閾值進行比對，從而自動控制水泵的啟停。 2. 在硬件連接和程序設計過程中，哪些關鍵環節最影響數據傳輸的準確性和系統響應速度？如何通過優化這些環節來提升系統整體性能？
問題系統 （星號標出核心問題） 1. 土壤濕度傳感器的工作原理是什么？請詳細說明傳感器如何將土壤中的水分含量轉換為電信號，并討論這種信號在自動澆水系統中的傳輸和處理過程。 2. 閉環反饋控制在自動澆水系統中起到了怎樣的作用？ 3. 在智能澆水系統中，數據采集后的分析對優化澆水策略有何意義？
問題探究流程 導（問題引導）、學（自主探究）、探（合作探究）、測（課堂檢測）、拓（知識拓展）
導（問題引導）： 情境創設： 播放一段智能灌溉系統的視頻，展示盆栽在干旱時自動澆水、濕潤后停止澆水的過程。 展示土壤濕度傳感器、主控板和水泵等設備的圖片。 引導問題 “土壤濕度傳感器是如何檢測土壤濕度的？它如何將水分含量轉化為電信號？” 答案：傳感器通過電極檢測土壤中的水分，利用電阻或電容的變化輸出模擬或數字信號。 “自動澆水系統如何利用反饋控制實現智能澆水？反饋控制在系統中起到了什么作用？” 答案：系統將采集的土壤濕度與設定的濕度閾值比較，當濕度低于閾值時，反饋控制觸發水泵啟動；濕度恢復后，停止水泵，從而實現閉環自動控制。 “在整個自動澆水系統中，哪些硬件設備和軟件模塊共同協作完成澆水任務？” 答案：主要包括土壤濕度傳感器（輸入）、主控板（計算）、繼電器控制水泵（輸出）。 教師總結知識點 反饋控制的基本概念和閉環系統工作流程：采集數據 → 處理數據 → 輸出控制指令自動澆水系統組成：傳感器、主控板、繼電器/水泵及物聯網平臺（數據存儲與分析）。 學（自主探究）： 自主探究任務 查閱教材和網絡資源，學習土壤濕度傳感器的工作原理和輸出信號特性。 閱讀教材中關于自動澆水器系統的數據傳輸和反饋控制部分，完成填空題，如“采集到的濕度數據將傳輸給______進行處理”。 獨立繪制自動澆水系統的簡易流程圖，標注“輸入、計算、輸出”各模塊及數據傳輸路徑。 教師總結知識點 土壤濕度傳感器將土壤水分含量轉換為電信號； 主控板接收并處理信號，根據設定的濕度閾值判斷是否啟動繼電器控制水泵； 數據傳輸和反饋控制確保系統自動調整，實現智能澆水。 三、探（合作探究）： 合作探究任務 小組討論： 分組討論自動澆水系統的閉環控制原理，討論如何設置合理的濕度閾值和采樣時間，避免水泵頻繁啟停。 分析反饋控制中各模塊的功能及相互配合，如輸入模塊（傳感器）、計算模塊（主控板）與輸出模塊（繼電器、水泵）的協同工作。 實踐制作： 硬件組裝：每個小組按照教材提供的硬件連接圖，將主控板、電池盒、土壤濕度傳感器、電磁繼電器和水泵等設備進行連接。 程序燒錄：各組根據教材提供的參考代碼（包括初始化、采樣時間設置、數據比較、輸出控制）將程序燒錄到主控板中。 調試運行：小組內進行系統調試，觀察主控板液晶屏顯示的濕度數據及水泵的啟停情況，記錄實驗數據。 問題探討 “在實際搭建中，如何確保傳感器數據的穩定性？過長或過短的采樣時間會帶來哪些問題？” 答案：采樣時間過短可能導致數據波動過大，頻繁啟停水泵；過長則響應不及時。 “如果系統出現誤判，可能的原因有哪些？如何通過調整硬件或軟件參數優化系統？” 答案：可能原因包括傳感器精度不足、環境干擾、程序邏輯問題等，需通過校準傳感器、合理設置閾值和采樣時間來優化。 教師總結知識點 實踐制作是反饋控制系統的核心，通過硬件連接和程序調試，學生能體驗閉環控制的實際應用。 合理的系統參數設置對實現精準控制至關重要。 四（課堂檢測）： 選擇題 題目：土壤濕度傳感器的輸出信號主要反映的是： A. 溫度變化 B. 濕度變化 C. 光線強度 D. 土壤酸堿度 答案：B 解析：傳感器通過檢測土壤中水分含量的變化，將其轉化為電信號。 題目：在自動澆水系統中，反饋控制的作用是： A. 僅記錄數據 B. 根據濕度數據自動決定是否啟動水泵 C. 手動控制水泵 D. 提供數據存儲 答案：B 解析：反饋控制通過比較實際濕度與設定閾值，自動調節水泵的啟停。 判斷題 題目：自動澆水系統中，主控板既負責數據采集也負責數據處理。 答案：錯誤 解析：主控板主要負責數據處理和決策，傳感器負責數據采集。 題目：合理設置采樣時間可以提高系統穩定性并防止水泵頻繁啟停。 答案：正確 解析：合適的采樣時間能夠平滑數據波動，保證系統響應合理。 題目：自動澆水系統的閉環控制實現完全依賴于土壤濕度傳感器數據。 答案：錯誤 解析：閉環控制除了依賴傳感器數據，還需要主控板的處理和繼電器/水泵的執行配合。 題目：反饋控制系統可以提高自動澆水系統的響應速度和控制精度。 答案：正確 解析：反饋控制通過實時數據調整使系統具備抗干擾能力，提高精度。 題目：數據傳輸到物聯網平臺后，只用于存儲，不參與澆水控制決策。 答案：錯誤 解析：數據上傳后可用于遠程監控和調整澆水策略，實現遠程控制。 五、拓（知識拓展）： 拓展討論與任務 討論問題：“如何結合天氣預報等外部數據，進一步優化自動澆水系統的決策過程？” 任務：各小組討論并設計一個擴展方案，探索如何將溫度、降雨等數據與土壤濕度數據結合，實現更加精準的灌溉策略。 展示與討論：每組繪制擴展系統框架圖，并說明新方案的優勢和可能面臨的挑戰。 教師總結知識點 智能灌溉系統未來的發展方向在于多數據融合與智能決策； 結合外部數據可提升系統的響應性和節水效果。 課后作業 設計一個綜合的智能灌溉系統方案，結合土壤濕度、天氣和作物生長需求，撰寫不少于200字的方案說明，闡述如何實現精準灌溉和節水目標。
板 書 設 計 制作智能盆栽澆水器
一、系統組成 傳感器：檢測土壤濕度，轉換為電信號 主控板：接收數據，比較設定濕度閾值 執行器：繼電器控制水泵，實現自動澆水 二、反饋控制原理 閉環控制：采集 → 傳輸 → 處理 → 輸出 自動調節：濕度低 → 啟動水泵；濕度高 → 停止澆水 三、系統優化 合理采樣時間，穩定數據 數據分析方法：列表法、作圖法 融合外部數據（天氣等）實現遠程控制
教 學 反 思
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