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(共44张PPT)
第2单元 第3课
搭建鱼菜共生开源系统——把反馈引入控制系统
（清华大学版）五年级
上
1
核心素养目标
3
新知讲解
5
拓展延伸
7
板书设计
2
新知导入
4
课堂练习
6
课堂总结
课后作业
8
01
核心素养目标
信息意识
计算思维
数字化学习与创新
信息社会责任
在学习过程中，构建可持续鱼菜共生系统，促进绿色发展与社会责任。
明白能够利用系统中的反馈机制，搭建开源鱼菜共生系统，反馈优化控制，实现数字化创新。
能在鱼菜共生开源系统学习中，学会过程与控制，从而更好地理解实践检验。
意识到创新能够带来美好生活，理解其对自身的意义，从而能够顺利学习本节课内容。
02
新知导入
在开源文化的背景下，开源硬件成了创客手中便捷又实用的工具。创客利用开源硬件在“个人智造”“家庭智造”“社区智造”等方面制作了诸多作品，鱼菜共生智能控制的项目就是其中之一。在了解了开源硬件的相关知识后，本节课我们从搭建鱼菜共生开源系统项目入手，通过动手实践来成为真正的创客吧!
02
新知导入
快来做项目吧！
我们该如何做呢？
同学们，想一想，你们认为制作鱼菜共生开源系统项目需要哪些环节呢？快和组内的小伙伴们一起讨论交流一下吧！
思考
02
新知导入
在我看来，计算机计算机依靠传感器来接收外界的信息。就像我们的眼睛和耳朵一样，传感器可以感知光、声音、温度、压力等各种物理量，并将这些信息转化为电信号。例如，摄像头就是一种图像传感器，它可以将外界的图像转化为数字信号，让计算机能够处理和分析。编码就像是一个神秘的密码世界。它虽然看不见摸不着，却在计算机的世界里起着非常重要的作用。
小组一：
1.规划设计：确定系统规模和布局，设计水循环路径和过滤系统。
2. 材料准备：采购鱼缸、种植槽、水泵、管道等材料。
3. 搭建安装：组装鱼缸和种植槽，连接管道和水泵，设置过滤装置。
02
新知导入
在我看来，计算机计算机依靠传感器来接收外界的信息。就像我们的眼睛和耳朵一样，传感器可以感知光、声音、温度、压力等各种物理量，并将这些信息转化为电信号。例如，摄像头就是一种图像传感器，它可以将外界的图像转化为数字信号，让计算机能够处理和分析。编码就像是一个神秘的密码世界。它虽然看不见摸不着，却在计算机的世界里起着非常重要的作用。
小组二：1.研究学习：了解鱼菜共生原理和成功案例，制定适合的方案。2. 容器选择：挑选合适的容器作鱼和菜的生长空间。3.调试运行：放入鱼和菜苗，调试水循环和水质，确保系统稳定。
小组三：1.前期调研：考察场地条件和需求，确定系统类型。2. 部件制作：自制部分组件，如过滤箱等。3. 后期维护：定期监测水质和动植物生长情况，进行必要的调整和维护。
02
新知导入
03
新知讲解
一、过程与控制--系统中的反馈机制
事物在发展过程中广泛存在着“输入一处理一输出”的系统运行模式，外界输入经过计算处理后产生输出并作用于外界，使系统按预定的可控目标演进输出的过程中产生的中间变量又可作为反馈信息再次引入系统，形成闭环控制，如图 2.3.1 所示。
图 2.3.1 系统中的反馈机制
03
新知讲解
图 2.3.2 过程与控制系统
开源硬件组成的控制系统也需要遵循“过程与控制”的系统模式，包含“输入一控制一输出”三个环节:输入设备从外界获得输入信号，经过控制设备计算处理后产生一个命令，让输出设备来进行执行，如图 2.3.2所示。
03
新知讲解
图 2.3.3 听到“起立”时，站起来
这个过程就好比上课前,当耳朵听到“起立”时,大脑接收到这个信号并理解后,控制身体从座位上站起来，如图2.3.3所示。这个过程中，耳朵接收外界信息相当于输入,大脑进行理解处理相当于控制，身体执行大脑发送过来的命令相当于输出。
03
新知讲解
课堂活动
根据本节课所学内容，请同学们想一想你们要制作的鱼菜共生开源系统想要实现什么功能，并上网查找资料看看需要哪些输入模块和输出模块，把想法记录在表 2.3.1中。
表 2.3.1 想法记录表
功能描述 输入模块 输出模块
水循环功能，将鱼缸的水输送到种植区 水泵抽活水 净水润菜苗
高效生产功能 优质苗种入 高产鱼菜出
环境友好功能 绿色理念进 零污环境优
03
新知讲解
在正式开始制作项目前，首先需要对项目实现的功能进行梳理，并选择合适的硬件编程环境工具，做好项目制作的准备工作。
二、项目准备--用流程图表示控制实现的过程
绘制逻辑流程图
项目作品的每个功能都有输入、输出、完整的逻辑线，而流程图能够让我们清晰地了解作品的功能和逻辑。例如，鱼菜共生开源系统项目中给农作物浇水的功能就可以用逻辑流程图来描述，如图 2.3.4 所示。
03
新知讲解
图 2.3.4 鱼菜共生开源系统给农作物浇水功能的逻辑流程图
我使用了检测土壤湿度的传感器进行实时监测，当农作物缺水时，打开水泵;当农作物不缺水时，关闭水泵。
03
新知讲解
了解硬件编程环境
编程环境包括硬件环境和软件环境两大部分。在制作项目中需要的硬件环境有主控板、各类传感器与执行器、硬件连接计算机的驱动程序和端口号;在制作项目中需要的软件环境有编程语言环境、在主控板上运行的程序。我们使用的软件编程语言环境要与硬件的编程语言环境相同，这样写的程序才能够输入硬件设备中，从而控制设备运行。开源硬件主控板的硬件环境大多由多种编程语言组成，寻找对应的软件编程环境极其重要。我们可以使用Python 这种“胶水语言”的软件编程环境，将各个不同的编程语言环境连接在一起，以便控制不同类型的硬件设备。鱼菜共生开源系统的编程环境如图 2.3.5 所示。
03
新知讲解
温馨小贴士
主控板初次使用时需要刷入一个新的固件，以便程序正常运行，操作方法:打开软件一选择“设置”按钮一单击“烧录固件”一选择“乐动掌控官方固件进行烧录。
图2.3.5 鱼菜共生开源系统的编程环境
端口连接成功
还是你懂我！
硬件环境
软件环境
驱动连接成功
03
新知讲解
三、项目制作--实现控制逻辑
厘清了项目实现功能的逻辑流程图，了解了硬件编程环境后，进入项目制作的环节。
制作内容:鱼菜共生开源系统。
制作准备:硬件、软件、其他物品(见图2.3.6)。
图2.3.6 项目制作准备
制作过程:程序设计、硬件设备系统的搭建、项目测试和结构设计。
传感器、执行器
编程平台
鱼缸、花盆等物品
03
新知讲解
程序设计
根据项目要实现的功能和绘制的逻辑流程图，将作品的程序编写出来
图 2.3.7所示是鱼菜共生开源系统项目中农作物自动浇灌的程序设计。
图2.3.7 鱼菜共生开源系统中农作物自动浇灌的程序设计
03
新知讲解
硬件设备系统的搭建
项目作品的实现还需要根据作品功能搭建一个完整的硬件系统，这个过程包括输入一控制一输出系统的组成和硬件引脚的连接。
“输入一控制-输出”系统
“输入一控制一输出”系统是制作项目时根据实现的功能搭建出的一个完整的硬件设备系统，它包括能够输入信息的多个传感器、存储和处理信息的开源硬件主控板，以及执行控制命令的各个执行器。这个系统除了能够对主控板的外部连接设备进行控制，还能控制输入、输出设备和主控板之间的数据交换。它的功能主要是发送设备控制命令、检测外部设备状态和控制数据的输入、输出，如图 2.3.8所示。
03
新知讲解
图2.3.8 鱼菜共生开源系统农作物自动浇灌中的“输入-控制-输出”系统
土壤湿度
乐动掌控
水泵
输入
控制
输出
03
新知讲解
硬件引脚连接
要实现项目的“输入一控制一输出”硬件系统的搭建，还需要将各个输入的传感器、输出的执行器与主控板连接起来。在开源硬件项目中，主控板与传感器和执行器的连接主要通过输入、输出引脚实现。一些主控板内有已定义好的引脚，这些引脚与主芯片连接，传感器和执行器一旦通过输入、输出引脚与主控板连接，就能实现数据传输。
03
新知讲解
一般的数据传输时由三条线进行控制，分别是接地的地线(G)，数据传输线(AO、AI、DO、DI)和电源线(V)，如图 2.3.9所示。
G接G,V接V，引脚传输看程序
图2.3.9 鱼菜共生开源系统农作物自动浇灌中的引脚连接
03
新知讲解
温馨小贴士
1.引脚中的标识如下。
A:模拟(Analog)型，表示连续变化的数值，如光线、声音，D:数字(Digital)型，表示开关两种状态，一般用0和1表示，如按键红外探测等。
A1:表示模拟输入(Analog Input )AO:表示模拟输出(Analog Output )。DO :表示数字输出(Digital Output )。Dl:表示数字输入(Digital Input )
2.一些特殊的引脚需要两条线做数据传输，如超声波用 SCL 和 SDA 做数据传输。
03
新知讲解
课堂活动
请同学们完成鱼菜共生开源系统项目的程序编写，并搭建鱼菜共生开源系统项目的硬件设备系统，连接主控板与计算机，并单击软件中的刷入，将程序刷在主控板中，运行并查看程序效果。
1. 连接硬件：
将水泵与主控板通过继电器模块连接。
将各类传感器连接到主控板的对应引脚上。
确保电源接入稳定，并注意安全。
2. 组装结构：根据设计图纸，将鱼缸与植物槽合理布置，确保水流能够有效循环。
03
新知讲解
项目测试
完成基本的制作环节后，我们还要对编写完成的程序和搭建好的硬件进行测试，不断调整，使程序能够正常运行，硬件电路能够正常工作，从而实现作品的功能。例如，鱼菜共生开源系统中，将土壤湿度传感器插到干燥的土壤中，测试水泵是否开始工作进行抽水等，如图 2.3.10所示。
图2.3.10 鱼菜共生开源系统的项目测试
别着急，我们挨个测试，看看是程序问题还是硬件问题，使用打印“1，2，3…的方式可以帮助我们检测出来!
问题出在程序2中。
程序报错了怎么办
03
新知讲解
温馨小贴士
测试时，如果功能无法实现，一般从以下几个方面进行判断。
(1)程序是否报错，如果是，那么调整程序。
(2)检查硬件引脚是否连接正确。
(3)查看主控板是否电量不足，如果是，那么连接外部电源供电。
03
新知讲解
最后，还要结合外观结构才能制作出作品的原型。在开源硬件的项目中，会采用几种工艺来进行外观的制作，包括3D 打印、激光切割和其他数字化加工工具等。在鱼菜共生开源系统项目中，可以利用身边的一些物体和工具，辅助一种或几种工艺手段来完成作品，图2.3.11所示为鱼菜共生开源系统项目中采用激光切割制作的菜盆支架。
图2.3.11 利用激光切割制作鱼菜共生开源系统中的菜盆支架
结构设计
04
课堂练习
实践
1.请同学们对项目作品进行测试与调整，并将问题与解决办法记录在表 2.3.2中。
表 2.3.2 项目测试的问题与描述
出现的问题 水质不稳定，影响鱼和植物的生长。 植物未能正常生长或出现病害。 鱼类易感染疾病，导致死亡率上升。
我的解决办法 定期监测水质，包括pH值、氨氮、硝酸盐等指标。 提供充足的光照，可以使用LED生长灯补光。 可引入健康的同伴鱼，以增强生态平衡。
04
课堂练习
实践
2.请同学们自己选择制作外观结构的材料，完成鱼菜共生开源系统的项目原型。
1. 项目规划：确定目标，制定时间表，列出每个阶段的任务，并设定截止日期。
2.系统设计水循环系统：设计水泵、过滤器和管道布局。植物床与鱼缸，确定植物床的位置与大小，鱼缸应考虑容量不形状。
3. 材料选择：根据功能和美观性选择合适材料。
4.原型制作：搭建结构，根据设计图纸搭建鱼缸及植物床，安装水循环系统并确保密封性。
05
拓展延伸
主控板的特殊引脚
我注意到主控板上有 SCL和 SDA引脚，这是什么
SCL/SDA 为c(Inter-Integrated Circuit)接口的两个引脚，C主要用于连接主控设备及其外围设备。SCL/SDA是IC的信号线，其中 SDA 是数据线，用于数据传输SCL是时钟线，传递由主控设备发出的时钟信号，控制数据的传输。数据通过这两条线在主控设备和外围设备(如温湿度传感器、数字光线传感器等)之间进行传输。
05
拓展延伸
主控板的特殊引脚
还有一些传感器上写着 TXD 和 RXD，这又是什么
这个引脚有时也会简写成 TX 和 RX，其中TX(Transport)指发送信号,RX(Receive)指接收信号，主要用于实现两个模块之间的数据交换。
05
拓展延伸
主控板的特殊引脚有哪些类型
复位引脚：
用于将主控芯片恢复到初始状态。当该引脚接收到特定的复位信号时，芯片内部的寄存器、逻辑电路等都会被初始化。
时钟引脚
为芯片的内部操作提供时钟信号，以同步芯片内各个模块的工作。时钟信号的频率决定了芯片运行的速度。
05
拓展延伸
主控板的特殊引脚有哪些类型
中断引脚
当外部设备有紧急事件需要通知主控芯片时，就会通过中断引脚向芯片发送中断信号。
电源引脚：
力主控芯片以及整个主控板上的其他元件提供工作所需的电能。
05
拓展延伸
主控板特殊引脚检测的方法。
信号注入法
可以使用信号发生器向复位引脚注入特定的复位脉冲信号。然后观察主控板是否能正常复位重启，以此来判断复位引脚及相关电路是否正常工作。
频率检测法
使用频率计测量时钟引脚的频率。对于有外部晶振的主控板，将频率计的探头连接到时钟引脚，检测其输出频率是否与晶振标称频率相符。
05
拓展延伸
主控板特殊引脚检测的方法。
频率检测法
使用频率计测量时钟引脚的频率。对于有外部晶振的主控板，将频率计的探头连接到时钟引脚，检测其输出频率是否与晶振标称频率相符。
脉冲触发检测
对于脉冲触发的中断引脚，使用信号发生器产生符合要求的脉冲信号，输入到中断引脚，检查主控板是否按照预期进入中断处理流程。
05
拓展延伸
如何解决主控板的特殊引脚故障？
首先检查复位电路中的元件，如复位电容、电阻等。如果电容漏电可能导致复位电平异常。对于低电平复位电路，一般复位电容与电阻串联接地。可以使用万用表检测电容的容值是否在正常范围内，电阻的阻值是否正常。
检查复位按钮是否正常工作。按下复位按钮时，应能可靠地将复位引脚拉到正确的电平（低电平复位时拉低，高电平复位时拉高）。如果按钮接触不良，可以更换按钮。
05
拓展延伸
主控板的特殊引脚应用于哪些领域
在当今科技飞速发展的时代，主控板的特殊引脚正逐渐成为我们生活中不可或缺的一部分，以下领域正被广泛运用。
智能手机和平板电脑：在设备出现死机或软件故障时，复位引脚可用于重启系统。
智能电视：在智能电视的启动过程中，如果出现故障无法正常开机，可以帮助恢复初始状态，重新尝试启动。
自动化生产线：在工业控制器（如PLC）中，复位引脚可用于在系统初始化或者出现故障后重新启动设备。
06
活动日志
活动日志 班级：XX 姓名：XX
活动名称 搭建鱼菜共生开源系统——把反馈引入控制系统
活动环节 1口 2口 3口 4口（在对应环节画V）
活动完成内容 过程与控制--系统中的反馈机制、项目准备--用流程图表示控制实现的过程
活动完成度 口口口口口口口口口(100%)
活动小结 问题与反思：拓展与优化的过程中缺乏创新性。
改进的方法：强化学习等先进创新技术。
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课堂总结
1
引入新知内容
搭建鱼菜共生开源系统——把反馈引入控制系统
2
学习过程与控制—系统中的反馈机制
3
学习项目准备—用流程图表示控制实的过程
4
完成课题练习
5
进行相关知识拓展
1
2
3
4
5
08
板书设计
搭建鱼菜共生开源系统——把反馈引入控制系统
1.进行新知引入
2.学习过程与控制—系统中的反馈机制
3. 学习项目准备——用流程图表示控制实现的过程
4.完成课堂练习
5.进行知识拓展
09
课后作业
01
1、分析一个成功的搭建鱼菜共生开源系统案例，说明该作品是如何通过实践检验不断拓展和优化的。
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课后作业
02
2、学完本节课，总结实践检验的重要性和方法。
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