资源简介

(共19张PPT)
第四课：制作智能盆栽浇水器
智能盆栽浇水器的设计与实现
本演示将介绍如何设计和实现一个智能盆栽浇水系统，利用反馈控制原理实现自动化浇水。
学习目标
1
知识目标
理解土壤湿度传感器原理及数据传输方式；掌握反馈控制在自动浇水系统中的核心作用。
2
能力目标
能自主搭建自动浇水系统，包括硬件连接和程序编写；学会利用物联网平台上传和分析湿度数据。
3
素养目标
培养科学探究、动手实践和数据分析能力，认识智能农业及其对社会和环境的积极影响。
导入：
1
数据采集功能
学习如何采集智能浇水器的数据
2
反馈控制功能
了解如何实现自动控制和反馈控制
3
物联网传输
将土壤湿度数据传输至物联网平台进行分析
4
远程指令
学习如何远程发送指令对系统进行干预
探索：
做一做：
判断下图哪种家 用电器具有反馈控制功 能，能实现自动控制。 在你认为有此功能的图 下面的括号中画“√”。
能量加油站：
1
与环境交互
能够感知土壤湿度值并响应土壤湿度的变化。
2
自主运行
可以自主调控土壤湿度值。
3
通信
可以通过网络与物联网平台传输数据。
写一写：
理解了智能浇水器的特点，结合前面学习的知识，我们一起来设计一款 智能浇水器。请将下面的具体方案补充完整。
(1)与环境交互：智能浇水器通过_________感知土壤湿度值。
(2)自主运行：智能浇水器的_______通过比较人们设定的湿度阈值与_______,并做出判断，决定是否启动水泵。
(3)通信：智能浇水器采集的数据通过_________的通信方式传输到网络端。人们可以在网络端设置智能浇水器的湿度阈值，实现远程控制。
写一写：
理解了智能浇水器的特点，结合前面学习的知识，我们一起来设计一款 智能浇水器。请将下面的具体方案补充完整。
(1)与环境交互：智能浇水器通过土壤湿度传感器感知土壤湿度值。
(2)自主运行：智能浇水器的主控板通过比较人们设定的湿度阈值与测定的湿度阈值,并做出判断，决定是否启动水泵。
(3)通信：智能浇水器采集的数据通过无线网络的通信方式传输到网络端。人们可以在网络端设置智能浇水器的湿度阈值，实现远程控制。
设计：
智能浇水器是一个闭环控制系统，请分组讨论、分析它的组成部分，补全下面的框图。
设定的土壤湿度值
比较器
控制量
土壤湿度值
电磁继电器
主控板
水泵
土壤湿度传感器
根据上面的讨论结果，与小组成员一起讨论智能浇水器的工作流程，补全下面的智能盆栽浇水器工作流程图。
开始
初始化：设定土壤湿度值、
显示界面、配置网络
采集土壤湿度值
物联网平台
土壤湿度是否低于设定值？
电磁继电器吸合，启动水泵
电磁继电器断开、关闭水泵
结束
核心概念
土壤湿度传感器
电阻/电容式测量，输出模拟或数字信号
主控板（控制器）
接收传感器信号，进行数据处理和逻辑判断
反馈控制原理
闭环控制流程：检测湿度 → 比较阈值 → 控制水泵 → 再次检测
系统组成
土壤湿度传感器
输入模块，检测土壤湿度
主控板
计算模块，处理数据并控制系统
电磁继电器 + 水泵
执行模块，根据指令浇水
物联网平台
数据存储与分析模块
软件逻辑与流程
初始化
设定湿度阈值，显示界面配置
1
采样与比较
周期性读取湿度值，与设定值比较
2
执行控制
低于阈值 → 开启水泵；达到阈值 → 关闭水泵
3
数据上传
将湿度数据和水泵状态上传物联网平台
4
实践制作
1
准备器材
主控板、电池盒、土壤湿度传感器、电磁继电器、水泵、导线
2
硬件搭建
连接传感器、继电器和水泵到主控板
3
程序编写
初始化、设置采样时间、主程序逻辑编写
4
调试与运行
检查传感器值稳定性，调整采样间隔，观察数据上传
2.连接硬件：
3.编写程序：
(1)初始化。
初始化程序需要完成设定变量、设置主控板液晶屏显示界面，此次程序中 设定的界面如下图所示。
3.编写程序：
（2）配置网络程序，如右图所示。
(3 )设置30秒和60秒两个采样时间选择按钮，如下图所示。
3.编写程序：
(4)设置主程序。
实时采集土壤湿度值，并发送到网络端， 程序如右图所示。
根据土壤湿度值，判断是否开启水 泵，同时改变主控板界面上的水泵显示 状态，程序如左图所示。
设置湿度阈值，并显示在主控板界面上，程序如右图所示。
4.运行调试。
运行上述程序，并观察、分析结果。遇到问题时，尝试调试解决。
5.导出、分析数据。
将在物联网平台上收集的数据表导出，并用作图法、列表法分析数据。
拓展与思考
结合天气预报
如何利用天气数据优化浇水策略？
多传感器融合
温度、光照、pH值等数据如何综合应用？
智能农业发展
大数据分析和远程控制在农业中的应用前景？
总结与作业
1
课程回顾
土壤湿度传感器原理、反馈控制闭环、系统硬件连接与程序编写
2
实践心得
关注数据稳定性与合理阈值设置的重要性
3
课后作业
撰写短文：如何优化自动浇水策略；修改程序参数并记录系统效果变化教学教案设计
总第 04 课时
课 题 名 称 制作智能盆栽浇水器
学习目标 （包含学科核心素养） 知识：理解智能设备三大特点（交互、自主、通信）及反馈控制原理。 技能：能搭建浇水器硬件、编程实现远程控制，调试并分析数据。 情感：体会物联网技术在农业节水与环保中的应用价值。 素养：培养信息意识与计算思维，理解智能农业的可持续发展意义。
问 题 类 型 学生问题 土壤湿度传感器是如何将土壤水分含量转换为电信号的？ 自动浇水器的反馈控制系统如何通过比较实际湿度与设定阈值来决定是否启动水泵？ 采集到的土壤湿度数据是如何通过物联网平台进行传输和分析的？
学科问题 1. 土壤湿度传感器的工作原理是什么？请详细说明传感器如何将土壤中的水分含量转换为电信号，并讨论这种信号在自动浇水系统中的传输和处理过程。 2. 闭环反馈控制在自动浇水系统中起到了怎样的作用？ 3. 在智能浇水系统中，数据采集后的分析对优化浇水策略有何意义？
教师问题 1. 在自动浇水系统中，反馈控制如何实现精准灌溉？请解释系统如何利用土壤湿度数据与预设阈值进行比对，从而自动控制水泵的启停。 2. 在硬件连接和程序设计过程中，哪些关键环节最影响数据传输的准确性和系统响应速度？如何通过优化这些环节来提升系统整体性能？
问题系统 （星号标出核心问题） 1. 土壤湿度传感器的工作原理是什么？请详细说明传感器如何将土壤中的水分含量转换为电信号，并讨论这种信号在自动浇水系统中的传输和处理过程。 2. 闭环反馈控制在自动浇水系统中起到了怎样的作用？ 3. 在智能浇水系统中，数据采集后的分析对优化浇水策略有何意义？
问题探究流程 导（问题引导）、学（自主探究）、探（合作探究）、测（课堂检测）、拓（知识拓展）
导（问题引导）： 情境创设： 播放一段智能灌溉系统的视频，展示盆栽在干旱时自动浇水、湿润后停止浇水的过程。 展示土壤湿度传感器、主控板和水泵等设备的图片。 引导问题 “土壤湿度传感器是如何检测土壤湿度的？它如何将水分含量转化为电信号？” 答案：传感器通过电极检测土壤中的水分，利用电阻或电容的变化输出模拟或数字信号。 “自动浇水系统如何利用反馈控制实现智能浇水？反馈控制在系统中起到了什么作用？” 答案：系统将采集的土壤湿度与设定的湿度阈值比较，当湿度低于阈值时，反馈控制触发水泵启动；湿度恢复后，停止水泵，从而实现闭环自动控制。 “在整个自动浇水系统中，哪些硬件设备和软件模块共同协作完成浇水任务？” 答案：主要包括土壤湿度传感器（输入）、主控板（计算）、继电器控制水泵（输出）。 教师总结知识点 反馈控制的基本概念和闭环系统工作流程：采集数据 → 处理数据 → 输出控制指令自动浇水系统组成：传感器、主控板、继电器/水泵及物联网平台（数据存储与分析）。 学（自主探究）： 自主探究任务 查阅教材和网络资源，学习土壤湿度传感器的工作原理和输出信号特性。 阅读教材中关于自动浇水器系统的数据传输和反馈控制部分，完成填空题，如“采集到的湿度数据将传输给______进行处理”。 独立绘制自动浇水系统的简易流程图，标注“输入、计算、输出”各模块及数据传输路径。 教师总结知识点 土壤湿度传感器将土壤水分含量转换为电信号； 主控板接收并处理信号，根据设定的湿度阈值判断是否启动继电器控制水泵； 数据传输和反馈控制确保系统自动调整，实现智能浇水。 三、探（合作探究）： 合作探究任务 小组讨论： 分组讨论自动浇水系统的闭环控制原理，讨论如何设置合理的湿度阈值和采样时间，避免水泵频繁启停。 分析反馈控制中各模块的功能及相互配合，如输入模块（传感器）、计算模块（主控板）与输出模块（继电器、水泵）的协同工作。 实践制作： 硬件组装：每个小组按照教材提供的硬件连接图，将主控板、电池盒、土壤湿度传感器、电磁继电器和水泵等设备进行连接。 程序烧录：各组根据教材提供的参考代码（包括初始化、采样时间设置、数据比较、输出控制）将程序烧录到主控板中。 调试运行：小组内进行系统调试，观察主控板液晶屏显示的湿度数据及水泵的启停情况，记录实验数据。 问题探讨 “在实际搭建中，如何确保传感器数据的稳定性？过长或过短的采样时间会带来哪些问题？” 答案：采样时间过短可能导致数据波动过大，频繁启停水泵；过长则响应不及时。 “如果系统出现误判，可能的原因有哪些？如何通过调整硬件或软件参数优化系统？” 答案：可能原因包括传感器精度不足、环境干扰、程序逻辑问题等，需通过校准传感器、合理设置阈值和采样时间来优化。 教师总结知识点 实践制作是反馈控制系统的核心，通过硬件连接和程序调试，学生能体验闭环控制的实际应用。 合理的系统参数设置对实现精准控制至关重要。 四（课堂检测）： 选择题 题目：土壤湿度传感器的输出信号主要反映的是： A. 温度变化 B. 湿度变化 C. 光线强度 D. 土壤酸碱度 答案：B 解析：传感器通过检测土壤中水分含量的变化，将其转化为电信号。 题目：在自动浇水系统中，反馈控制的作用是： A. 仅记录数据 B. 根据湿度数据自动决定是否启动水泵 C. 手动控制水泵 D. 提供数据存储 答案：B 解析：反馈控制通过比较实际湿度与设定阈值，自动调节水泵的启停。 判断题 题目：自动浇水系统中，主控板既负责数据采集也负责数据处理。 答案：错误 解析：主控板主要负责数据处理和决策，传感器负责数据采集。 题目：合理设置采样时间可以提高系统稳定性并防止水泵频繁启停。 答案：正确 解析：合适的采样时间能够平滑数据波动，保证系统响应合理。 题目：自动浇水系统的闭环控制实现完全依赖于土壤湿度传感器数据。 答案：错误 解析：闭环控制除了依赖传感器数据，还需要主控板的处理和继电器/水泵的执行配合。 题目：反馈控制系统可以提高自动浇水系统的响应速度和控制精度。 答案：正确 解析：反馈控制通过实时数据调整使系统具备抗干扰能力，提高精度。 题目：数据传输到物联网平台后，只用于存储，不参与浇水控制决策。 答案：错误 解析：数据上传后可用于远程监控和调整浇水策略，实现远程控制。 五、拓（知识拓展）： 拓展讨论与任务 讨论问题：“如何结合天气预报等外部数据，进一步优化自动浇水系统的决策过程？” 任务：各小组讨论并设计一个扩展方案，探索如何将温度、降雨等数据与土壤湿度数据结合，实现更加精准的灌溉策略。 展示与讨论：每组绘制扩展系统框架图，并说明新方案的优势和可能面临的挑战。 教师总结知识点 智能灌溉系统未来的发展方向在于多数据融合与智能决策； 结合外部数据可提升系统的响应性和节水效果。 课后作业 设计一个综合的智能灌溉系统方案，结合土壤湿度、天气和作物生长需求，撰写不少于200字的方案说明，阐述如何实现精准灌溉和节水目标。
板 书 设 计 制作智能盆栽浇水器
一、系统组成 传感器：检测土壤湿度，转换为电信号 主控板：接收数据，比较设定湿度阈值 执行器：继电器控制水泵，实现自动浇水 二、反馈控制原理 闭环控制：采集 → 传输 → 处理 → 输出 自动调节：湿度低 → 启动水泵；湿度高 → 停止浇水 三、系统优化 合理采样时间，稳定数据 数据分析方法：列表法、作图法 融合外部数据（天气等）实现远程控制
教 学 反 思
1

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