《移动式面粉发酵监测容器的设计》

作品说明

一、背景分析与设计要求

摘要：本作品面向中学生物"微生物呼吸作用"实验，用行空板 M10 配合 SCI 采集模块，把 pH、二氧化碳、空气温湿度、酒精浓度五路参数集成进一个"笔盒大小"的抽拉式容器里，做到边发酵边监测、数据自动上云。容器内部用激光切割的木板与亚克力板拼成100×100×117mm 的方形发酵仓，顶部扣一块 3D 打印的绿色杯盖（104×104mm，厚 26mm，盖下凸台开 25 个通气孔），仓内埋设 pH 电极、MQ-3 酒精传感器与温湿度探头，盖面嵌行空板屏幕实时显示五路数值，并印出二维码供手机扫码进入 SIoT 平台看折线图。另一路 USB 摄像头把发酵画面转成 base64 数据流推到云平台，实现远程"看画面 + 看曲线"。整机材料清单中 6 项标价合计 1200 元。2025 年 2 月 12 日的一次 3 小时实测中，容器完整记录了酒精值 250→619、CO₂ 873→2333ppm、温度 17.06→21.01℃ 的发酵全过程，验证了"低成本、多参数、可远程"的设计目标。

关键词：面粉发酵监测　物联网（SIoT）　多传感器融合　激光切割　跨学科实践

1.1 作品背景

面粉发酵是食品工业里一道重要的生产环节，通常指小麦等谷物在缺氧条件下进行无氧呼吸的过程——酵母菌把糖类分解，产生二氧化碳和酒精。这个过程在初中生物"微生物的呼吸作用"、高中生物"细胞呼吸"里都是核心实验，学生往往要在课堂上亲自动手做一遍。

但在真实的课堂和家庭场景里，传统做法一直绕不开三个痛点：

• 数据采集粗放：判断发酵是否到位，主要靠肉眼观察面团体积膨胀、用鼻子闻酒精味，对温度、湿度、气体浓度这些关键参数没有量化记录，学生拿不到可以画图、可以比较的数字；
• 条件控制困难：自然环境里温湿度波动剧烈，实验过程中很难把条件稳定下来，同一个班不同小组的结果差异极大，很难做"控制变量"式的对照探究；
• 过程不可逆：发酵一旦开始就无法回退，靠手工定时记录容易漏掉关键节点，事后想回看"第 40 分钟发生了什么"，往往只能凭印象描述。

《义务教育生物学课程标准》明确要求培养学生"科学探究"与"跨学科实践"素养，其中就包括"能够使用简单的仪器设备采集数据、分析数据并得出结论"。本项目正是基于这一要求，把物联网技术和传感器技术引入课堂实验，让学生从"看面团"升级为"读数据"。

1.2 作品主体结构

作品整体分为两个功能部分，这也是方案迭代后的最终形态：

两个区域上下叠合、干湿分离：下面是装料与传感的"湿区"，上面是电路与显示的"干区"。这样既保证了电子部件的安全，又让加料、取料、观察变得简单——拎起盖子就能添面粉，扣上盖子就能继续跑数据。

1.3 设计要求

1.3.1 实现功能要求

1. 实时显示酸碱程度（pH 值）；
2. 获取空气情况（CO₂ 浓度）与温湿度；
3. 行空板对采集到的数据进行分析处理，并给出当天发酵状况的判断；
4. 获取酒精浓度。

1.3.2 工程结构要求

1. 结构合理，不影响正常使用与放置；
2. 结构牢固，不易脱落、损坏；
3. 结构便携，方便移动与使用。

设计目标：围绕上面两组要求，团队给自己定下了四条硬指标——① 体积控制在"笔盒"级别，单人可携带；② 一次能容纳足够量的面粉，不因容器太小而影响发酵效果；③ 五路参数同框显示，数据可以远程访问；④ 材料尽量用学校现有的激光切割机与 3D 打印机加工，控制成本。

二、设计思维导图

整个项目的推理链条可以拆成"需求—选型—结构—验证—落地"五条支线。下图把这条思路整理成一棵放射状的思维导图：外围四个方框是四个维度的思考，中间一列自左向右依次是"背景需求 → 方案选型 → 结构设计 → 应用落地"，纵向主干则是信号"输入 → 处理 → 输出 → 拓展"的完整通路。

背景需求温湿度波动难控肉眼判断不可量化方案选型五路参数 + 摄像头行空板 + SCI 采集结构设计激光切割 + 3D 打印笔盒大小·干湿分离应用落地家庭烘焙 / 食品工坊课堂分组探究实验面粉发酵监测容器104×104×143mm · 1200 元 · 5 路参数输入pH / CO₂ / 温湿度 / 酒精 4 类传感器经 SCI 采集处理行空板 M10 每轮读 5 个变量并刷新界面输出TFT 屏实时数值 + 二维码 + SIoT 折线图拓展摄像头远程看画面 / 预留称重模块接口

三、硬件选用与连接

作品的硬件走的是"一块主控 + 一个采集中枢 + 四类探头"的路线。行空板 M10 负责运算、显示和联网；SCI 采集模块作为传感器中枢，把 pH 计、空气质量传感器、温湿度传感器统一挂在 I²C 总线上；酒精传感器因为是模拟量输出，直接接在行空板的模拟引脚上；摄像头走 USB。整套接线只有 I²C 四线 + 一根模拟线 + 一根 USB 线，这也是作品能做到"笔盒大小"的原因。

3.1 硬件清单

下表是作品申报材料中的完整硬件清单。需要说明的是：MQ-3 酒精传感器在原始清单里只列了名称与功能说明，未填写数量与单价；其余 6 项均已标价，合计 1200 元。

清单里第 5 项 pH 计标注接口为"—"，实际上 pH 计是通过 SCI 采集模块的模拟端口 ePort1 接入的（见 5.3 节的引脚实测），这里按源码实际连接方式标注。

3.2 硬件连接图

下图是作品的硬件连接示意。可以看到信号是"传感器 → SCI 采集模块 → 行空板"的汇流结构：pH 计、ENS160、SHT31 分别接在 SCI 采集模块的三路接口上，再由 SCI 采集模块用 I²C 总线把数据汇总给行空板；MQ-3 酒精传感器单独走一条模拟线到行空板；摄像头用 USB 直连。

图 3-1　硬件连接图：pH 计经转接板接入 SCI 采集模块，ENS160 与 SHT31 并联在采集模块上，采集模块再以 I²C 与行空板通信；酒精传感器走模拟口，摄像头走 USB

3.3 核心模块与参数

3.4 引脚分配

下面这张表是最终定稿的引脚分配，全部来自 Mind+ 图形化程序与导出的 Python 源码，两者互相印证后确认：

接线口诀可以记成一句话："pH 在一、CO₂ 在二、温湿度在三，酒精单独上 P22，画面走 USB"。

接线注意：SHT31 出厂默认 I²C 地址为 0x45，如果同一总线接了两颗同址传感器需要拨动板载开关切换地址；本作品 SHT31 与 ENS160 地址不冲突，因此保持默认。另外 MQ-3 是半导体气敏元件，上电后需要约 30 秒预热，所以程序里把首轮数据视作基线、不宜直接采信。

四、结构安装与制作过程

结构是这件作品最花功夫的地方。团队最初的设想是做成"一体化"——上方一个倒面粉的漏斗，下方是传感器与处理中心，行空板的屏幕朝上显示数据。但画完图纸、切出样件之后发现一体化的问题很多：加料必须整体掀开，面粉容易洒进电路区，防水和防尘都很难处理，取料也不方便。最终方案改成"上下分体、干湿分离"：下面是可以独立拿取的发酵仓，上面是集成了屏幕、电路与摄像头的盖体。

4.1 外观与结构设计

4.1.1 整体造型

最终定稿的造型是一个立方体：透明亚克力箱体保证学生能直接看到面团体积的变化，顶部一块绿色 3D 打印盖板把电路、屏幕与传感器接口全部收纳在里面，一根 pH 电极从盖面穿入、垂直悬在仓内，既不容易碰伤电极，也不影响加料。整个外形没有多余的装饰，一切以实用为本——这也是团队在"创新设计说明"里写下的原话。

图 4-1　透视效果图：透明箱体 + 绿色 3D 打印盖板，盖面嵌入行空板屏幕，pH 电极从盖面穿入仓内（图中屏幕数值为建模阶段的示意值）

4.1.2 主体尺寸

作品的正立面与侧立面尺寸完全一致，说明发酵仓是一个正方形截面的立方体。所有尺寸均按 SketchUp 设计图纸标注实测：

图 4-2　正立面尺寸图：箱体 100×117mm，盖板厚 26mm，整机高 143mm

图 4-3　侧立面尺寸图：与正立面尺寸一致，确认发酵仓为正方形截面

尺寸核对说明：项目论文在描述结构时写作"透明亚克力观察窗 10×10×15cm、厚度 5mm"，这是对整体外形的近似表述；本节的 100×100×117mm、143mm 等数值均取自SketchUp 设计图纸上的实测标注，以图纸为准。图纸未标注板厚，文中不作推测。

4.1.3 杯盖结构

杯盖是整个作品的结构核心，它同时承担四件事：固定行空板、固定传感器、留出气体交换通道、封闭电路区。盖板用 PLA 材料 3D 打印（切片软件 Bambu Studio），设计上分两层：上层是 104×104mm、厚 26mm 的盖板本体；下层是 60×60mm、高 54mm 的凸台，凸台正好卡进 100×100mm 的箱口完成定位。

凸台面上呈 5 行 × 5 列排布了 25 个通气孔——这是解决"密封与透气矛盾"的关键设计：孔开在下方的凸台上，既能保证仓内气体与传感器充分接触，又因为孔朝向仓内、上方还有盖板遮挡，粉尘不易直接落到电路上。

图 4-4　杯盖正立面尺寸图：盖板宽 104mm、厚 26mm；下方凸台宽 60mm、高 54mm，台面开设 25 个通气孔

4.1.4 盖面布局

盖面布局要同时满足"看得清"和"够得着"两个要求。行空板屏幕居中偏右嵌装，留出的 52×71mm 窗口正好对应 2.8 寸屏的可视区；pH 电极的过孔安排在盖面一角，避开屏幕与按键；屏幕界面下方还印有"观察折线图请登录 SIoT"与二维码，手机一扫就能进数据看板。

图 4-5　杯盖顶视尺寸图：盖板 104×104mm，一角设 ⌀20mm 过孔

图 4-6　顶视布局图：屏幕窗口 52×71mm，界面显示"发酵监测分析"标题与五路参数，并给出 SIoT 访问二维码（图中数值为建模阶段示意值）

4.2 制作过程

4.2.1 方案讨论与结构定型

制作从"怎么装"开始。团队先拿纸笔与建模软件反复推演了两个方案：一体化漏斗式与上下分体式。讨论中大家发现，一体化方案在"加面粉"这一步就已经很不方便——必须掀开整块盖板，而盖板上连着屏幕和所有传感器线，动作稍大就可能扯断杜邦线。这个结论促成了最终的分体方案。

4.2.2 程序设计与调试

结构确定后，程序与结构是并行推进的。程序主体在 Mind+ 里用图形化积木搭建，再导出为 Python 代码烧进行空板。这样做的好处是：积木层级把"初始化 → 采集 → 显示 → 上传"的流程摆得清清楚楚，出了问题能一眼看出卡在哪一块积木上。

4.2.3 切割与组装

外壳的加工走的是"激光切割 + 热熔胶拼装"路线：先绘制激光切割图纸，用激光切割机把木板与亚克力板切成指定外形，再把切好的材料用热熔胶组合拼装成箱体；3D 打印的杯盖单独加工完成后与箱体扣合。传感器与行空板的位置在拼装过程中反复调整——这部分的难点不是切割精度，而是"哪里能固定、哪里够得着"。

4.2.4 联调与排错

通电联调时最常碰到的是接触不良与读数异常。团队的做法是逐路排查：先单独验证 SCI 采集模块能否正常初始化（程序中有一个"重复执行直到初始化成功"的等待循环，如果传感器没接好，程序就会一直卡在这里），再逐路确认 pH、CO₂、温湿度、酒精四类数据是否都能读到合理值，最后才打开联网与上传功能。

4.3 迭代改进

从第一版样机到最终成品，结构上做了三轮明确的改进，每一轮都是被真实问题逼出来的：

4.4 成品与实测

最终成品体积接近一个笔盒，单人拎起即可搬动。实验时把配好的面团放入仓内，用毛巾包住箱体保温，扣上盖子即可开始记录。

图 4-11　成品正面：绿色盖板扣在透明箱体上，盖面可见行空板屏幕

图 4-12　发酵仓内部：白色面团置于透明仓体底部，周边留有气体交换空间

图 4-13　发酵前的状态：面团放入仓内，设备尚未加盖

图 4-14　用毛巾包裹箱体保温：发酵需要相对稳定的温度环境

图 4-15　包裹就位后的设备：屏幕上数据持续刷新，箱体保持保温状态

实验配方与注意事项：160 克面粉 + 100 克温水 + 3 克酵母 + 5 克糖，可根据实际情况等比例调整。本次实验中 pH 电极没有浸入面团内部，而是留在仓内空气中，因此 pH 读数不能代表面团的真实酸碱度（详见 5.8 节说明）。

五、编程流程分析

程序采用 Python 编写（运行在行空板内置的 Debian 系统上），主体结构是"一次初始化 + 双循环并行"：主循环负责采集、显示与上传，另一个线程专门负责刷新屏幕上的日期与时间。这样的分工让时间显示始终是秒级的，不会因为采集周期而卡顿。

5.1 程序总体流程

下面这张流程图是作品在项目材料中给出的真实流程，把程序的执行顺序完整画了出来：程序启动后先导入库、初始化 GUI 与板子、连接 SIoT 服务器并启动网络循环；随后在屏幕上绘制初始文本；接着进入传感器初始化环节，这里有一个"初始化成功？"的判断——失败就打印错误信息并等待 1 秒后重试，成功才继续往下走进主循环。

5.2 界面设计

行空板的 2.8 寸屏幕被划分成固定的几行区域，所有显示对象在程序启动时一次性创建，之后每轮只更新文本内容。这种"一次创建、多次刷新"的做法比每轮重建对象要省资源得多。

图 5-2　界面设计积木：11 个显示对象在启动阶段一次性创建，包含标题、日期时间、五路参数、二维码入口与提示文字

下表是按积木参数整理的界面对象清单，坐标与字号均取自程序中真实设定：

源码细节：Humi 对象的初始文本在程序中误写成了"温度："，但每轮刷新时会用"湿度："覆盖，所以实际显示是正确的；IP 对象用于在屏幕底部提示联网信息，其中包含网络凭据，本文在展示时已隐去具体内容。

5.3 数据采集

每个采集周期里，程序会把四类传感器的读数分别存进五个变量，再把这些变量拼接进界面文本。这一段的积木非常直观地体现了"引脚 → 变量"的对应关系：

图 5-3　数据采集积木：pH 取自 SCI 采集模块 Port1，CO₂ 取自 Port2，温度与湿度取自 Port3；酒精走行空板 P22 模拟口

可以看出温度与湿度来自同一路 Port3——SHT31 本身就把两个参数量放在一颗芯片里，所以一次读取就能拿到两组数据。而酒精传感器输出的是连续电压，程序读取的是 0—4095 的原始 ADC 值，这也是实验记录里酒精数值是 250、619 这类整数而非物理量的原因。

5.4 摄像头初始化与画面推流

摄像头是作品的"眼睛"，程序在初始化阶段就要确认它被正确识别：先创建 VideoCapture 对象并打开设备，再用一个"重复执行直到初始化完成"的等待循环防止摄像头还没就绪就开始取帧。

图 5-4　摄像头初始化积木：创建 VideoCapture 对象、打开设备，并等待直到初始化完成才继续

取到画面之后，程序并不直接上传原始图像，而是先压缩再编码：先用 OpenCV 把 BGR 转成 RGB，再用 PIL 存成 JPEG 字节流，最后用 base64 编码成一个纯文本字符串，加上 data:image/png;base64, 前缀后发布到 siot/摄像头 主题。这样做的意义在于：MQTT 是文本协议，只有把二进制图像转成文本，才能借用同一条数据通道把"数值 + 画面"一起送上去。

5.5 MQTT 通信设计

作品使用 SIoT 平台作为数据中转。程序启动时会订阅一批主题，每个采集周期再向对应主题发布数据——订阅是为了能收到平台下发的控制指令，发布则是把本地数据送上去。

图 5-5　MQTT 订阅积木：程序启动时一次性订阅 8 个主题，覆盖五路参数、两条组合数据与摄像头画面

图 5-6　数据发布积木：每轮把五路参数逐个发布，同时额外发布"CO₂+酒精"与"温度+湿度"两条组合数据

主题设计如下，其中带"组合"字样的两条是为折线图对比分析准备的：把两个相关的参量拼成一条 数值,数值 格式的消息，在 SIoT 的折线图里就能同图对比两条曲线。

本文展示的程序与截图中，SIoT 服务器的地址、账号与密码一律以占位符形式呈现。SIoT 是开源物联网平台，学校部署在内网环境中使用，实际部署时请把地址、账号、密码换成自己服务器的配置。

5.6 时间刷新线程

屏幕上的日期与时间需要每秒都走，但如果放在主循环里做，采集与上传就会被迫拖慢。团队的做法是把它单独放到一个线程里：线程一旦启动就进入无限循环，每秒拼接一次"年-月-日"和"时:分:秒"，刷新两个文本对象后休眠 1 秒。

图 5-7　时间线程积木：线程启动后每秒刷新日期与时间，与主循环并行运行

这是本程序里唯一一处"多线程"设计，也是程序结构上最值得学习的一点——把"对时间精度要求高"的任务和"对时间精度要求低"的任务分开，互不干扰。

5.7 主程序结构

把各个模块按执行顺序串起来，就得到主程序的完整骨架。下图把"启动一次、并行两路"的结构画了出来——初始化段只执行一次，随后主循环与时间线程并行运行，两条线都把自己的数据送到 SIoT 平台：

初始化（启动阶段只执行一次）GUI → Board → SIoT 连接 → P22 模拟口 → 摄像头就绪 → 11 个界面对象 → SCI 自检（0x21）→ 订阅 8 个主题① 主循环　采集 + 上传 + 推流抓取一帧画面 → 转成 base64 文本发布到 siot/摄像头调用 mqtt_msg()：读 5 路参数刷新屏幕 5 个文本对象发布 5 路 + 2 条组合数据 → 等待 1 秒② 时间线程 thread1　每秒刷新读取 年 / 月 / 日 并拼成日期读取 时 : 分 : 秒刷新 Date / Time 两个对象等待 1 秒与主循环并行运行，互不阻塞SIoT 物联网平台五路参数曲线 + 两条组合对比曲线 + 摄像头画面手机扫码或电脑端均可查看

这一步的设计要点在于"分工"：主循环负责周期性采集与上传，时间线程负责每秒刷新时钟。如果把刷新时钟也塞进主循环，采集周期就会被拖慢；反过来，如果让主循环去等时钟，数据上传就会出现长时间空档。两条线并行，各管一摊，程序才稳。下图是初始化段的积木：

图 5-8　初始化段积木：SCI 采集模块初始化（直到成功）→ pinpong 板型自动识别 → MQTT 初始化 → 启动时间线程 → 进入主循环

图 5-9　程序积木全图：可看到界面设计、初始化、MQTT 订阅与发布、时间线程各段的位置关系

需要特别说明的是：主循环里除了采集数据，还有一段"抓帧并发布画面"的逻辑——如果摄像头有下一帧就抓取并转码上传，没有则打印提示。这意味着画面推流与数据上传是同一个循环里交替进行的。

程序参数差异提示：导出的 Python 代码中主循环的等待时间为 1 秒，而 Mind+ 图形化积木里该处设置的是 5 秒。两者是不同版本程序的参数，本文按图形化积木版本说明程序结构，实际运行以板上烧录版本为准。

5.8 程序运行效果与发酵数据

程序跑通之后，团队做了一次完整的发酵实测：2025 年 2 月 12 日上午 9 时 49 分装入面团，用毛巾包裹保温，连续监测到中午 13 时，历时约 3 小时 10 分钟。下面六张图是不同时刻的行空板屏幕实拍，可以看到五路参数随着发酵推进的变化：

图 5-10　09:49:07　实验起始：酒精 250、CO₂ 873ppm、温度 17.06℃、湿度 72.47%RH

图 5-11　09:59:44　酵母启动：温度升到 19.07℃，CO₂ 升至 1337ppm

图 5-12　10:50:20　发酵旺盛：CO₂ 1815ppm，湿度升至 81.95%RH

图 5-13　11:23:00　持续产气：CO₂ 1944ppm，酒精 424

图 5-14　11:51:22　酒精峰值：达到 619，为本次实验的最高值

图 5-15　12:59:24　趋于平稳：CO₂ 2322ppm，温度稳定在 20.94℃

把各时间点的记录整理成表，发酵过程的全貌就清楚了：

这些数据同步上传到 SIoT 平台后，可以导出成折线图做趋势分析：

图 5-16　酒精（ALC）折线图：从 250 起步，11:51 达到峰值 619 后回落并趋稳

图 5-17　二氧化碳折线图：全程单调上升，873ppm → 2333ppm，是本次实验中最典型的发酵信号

图 5-18　温度折线图：起始 17.06℃，前 20 分钟内快速升至 20.77℃，之后稳定在 20.9—21.0℃

图 5-19　湿度折线图：从 72.47%RH 升至 88.48%RH，与面团产气产水的过程相吻合

从数据里能读出三个明确的结论：

1. 酒精与二氧化碳同向上升，印证了无氧呼吸。CO₂ 从 873ppm 增长到 2333ppm，酒精值从 250 涨到峰值 619，两条曲线虽然量纲不同，但上升段高度重合——这正是酵母菌无氧呼吸"生成酒精和二氧化碳"的直接证据，比课本上的一句话描述要有说服力得多；
2. 温度稳定说明保温措施有效。整个 3 小时里，温度只在前 20 分钟从 17.06℃ 跃升到 20.77℃，之后就一直稳定在 20.9—21.0℃ 的窄区间内，说明毛巾包裹确实起到了保温作用，也为"控制变量"提供了条件；
3. 发酵存在明显的阶段特征。11:51 前后酒精值出现峰值后回落（619→595→601→593），而 CO₂ 仍在缓慢上升，说明此时产气仍在继续、但酒精积累已接近上限。如果能结合称重数据推断面团失重率，就能进一步判断发酵终点。

关于 pH 数据：本次实验中 pH 读数在 14.29—14.48 之间小幅波动，明显超出 0—14 的常规 pH 量程，属于无效数据。项目材料中对此有明确说明——实验时 pH 电极没有浸入面团，而是留在仓内空气中，因此这个读数不能代表面团的真实酸碱度。pH 通道在硬件与程序上均已打通，后续实验中只需把电极插入面团即可获得有效读数。

为了验证远程访问功能，团队还在数据平台上查看了实时监控曲线。下面这组截图是 SIoT 平台的消息监控界面，横轴为真实时间戳，可以确认数据确实按周期上报到了平台：

图 5-20　SIoT 平台 [siot/Temp] 消息监控界面：横轴为真实时间戳，曲线持续上报

图 5-21　SIoT 平台 [siot/Humi] 消息监控界面

图 5-22　SIoT 平台 [siot/CO2] 消息监控界面

图 5-23　SIoT 平台 [siot/ALcohol] 消息监控界面

图 5-24　SIoT 平台 [siot/PH] 消息监控界面

截图批次说明：上面 5 张平台截图的时间戳为 2025-02-09，是设备联调阶段的记录，与 2 月 12 日的正式发酵实验不是同一批次，因此曲线上的数值区间与 5.8 节的数据表并不对应。这里保留它们是为了证明"数据能够稳定上报到平台"这一功能本身。

六、参考代码

下面是由 Mind+ 图形化程序导出的 Python 源码（运行环境 Python 3.6 + 行空板 Debian 系统），已逐行加上中文注释。需要特别说明的是：源码中的 SIoT 服务器地址、账号、密码、客户端 ID 以及屏幕底部提示的 Wi-Fi 名称与密码，在本文中一律以占位符形式呈现，实际部署时请替换为自己服务器的配置。

# -*- coding: UTF-8 -*-
# MindPlus
# Python
import cv2                                  # OpenCV：摄像头取帧
import time                                 # 时间模块：延时、时间格式化
import siot                                 # SIoT 物联网库：MQTT 通信
import datetime                             # 日期时间模块
from unihiker import GUI                    # 行空板屏幕 GUI 库
from pinpong.board import Board             # pinpong 板卡库
from pinpong.board import Board, Pin        # 引脚对象
from pinpong.extension.unihiker import *    # 行空板板载资源扩展
import base64                               # base64 编码：把图像转成文本
from io import BytesIO                      # 内存字节流：JPEG 编码中转
from PIL import Image                       # 图像处理
import sys
# 把 SCI 采集模块的第三方扩展库加进搜索路径
sys.path.append("/root/mindplus/.lib/thirdExtension/liliang-gravitysci-thirdex")
from dfrobot_rp2040_sci import *            # SCI 采集模块驱动

# ================= 配置区：部署时请改为自己的服务器参数 =================
SIOT_SERVER = "0.0.0.0"                     # SIoT 服务器地址（占位符）
SIOT_PORT   = 1883                          # MQTT 端口
SIOT_USER   = "****"                        # 平台账号（占位符）
SIOT_PWD    = "****"                        # 平台密码（占位符）
SIOT_CLIENT = "****"                        # 客户端 ID（占位符）
WIFI_SSID   = "****"                        # 屏幕底部提示的 Wi-Fi 名称（占位符）
WIFI_PWD    = "****"                        # 屏幕底部提示的 Wi-Fi 密码（占位符）


# 自定义函数
def MQTT():
    """启动阶段一次性订阅全部主题：五路参数 + 两条组合数据 + 摄像头画面"""
    siot.getsubscribe(topic="siot/PH")          # 订阅酸碱度
    siot.getsubscribe(topic="siot/ALcohol")     # 订阅酒精浓度
    siot.getsubscribe(topic="siot/CO2")         # 订阅二氧化碳
    siot.getsubscribe(topic="siot/Temp")        # 订阅温度
    siot.getsubscribe(topic="siot/Humi")        # 订阅湿度
    siot.getsubscribe(topic="siot/CO2ALC")      # 订阅"CO2+酒精"组合数据
    siot.getsubscribe(topic="siot/TempHUMI")    # 订阅"温度+湿度"组合数据
    siot.getsubscribe(topic="siot/摄像头")       # 订阅摄像头画面


def mqtt_msg():
    """单个采集周期：读 5 路传感器 → 刷新屏幕 → 发布到 SIoT"""
    # ---- 1. 采集：四类传感器共读 5 个参量 ----
    SuanJianDu = SCI1.get_value1(SCI1.ePort1, "PH_Water")   # pH 值，取自采集模块 Port1
    JiuJing = p_p22_analog.read_analog()                    # 酒精原始 ADC 值（0-4095），P22 模拟口
    co2 = SCI1.get_value1(SCI1.ePort2, "ECO2")              # 二氧化碳，取自 Port2
    WenDu = SCI1.get_value1(SCI1.ePort3, "Temp_Air")        # 空气温度，取自 Port3
    ShiDu = SCI1.get_value1(SCI1.ePort3, "Humi_Air")        # 空气湿度，同取 Port3

    # ---- 2. 显示：把读数拼进界面文本并刷新 ----
    PH.config(text=(str("P H:   ") + str(SuanJianDu)))                     # 酸碱度
    ALcohol.config(text=(str("酒精：") + str(JiuJing)))                     # 酒精
    CO2.config(text=(str("CO2:  ") + str((str(co2) + str("  ppm")))))      # CO2，带 ppm 单位
    Temp.config(text=(str("温度：") + str((str(WenDu) + str("  ℃")))))      # 温度，带 ℃ 单位
    Humi.config(text=(str("湿度：") + str((str(ShiDu) + str("  %RH")))))    # 湿度，带 %RH 单位

    # ---- 3. 上传：逐个参数发布到对应主题 ----
    siot.publish_save(topic="siot/PH", data=SuanJianDu)         # 酸碱度
    siot.publish_save(topic="siot/Temp", data=WenDu)            # 温度
    siot.publish_save(topic="siot/Humi", data=ShiDu)            # 湿度
    siot.publish_save(topic="siot/CO2", data=co2)               # 二氧化碳
    siot.publish_save(topic="siot/ALcohol", data=JiuJing)       # 酒精
    # 组合数据：拼成"值1,值2"，便于在平台上同图对比两条曲线
    siot.publish_save(topic="siot/CO2ALC",
                      data=(str(co2) + str((str(",") + str(JiuJing)))))
    siot.publish_save(topic="siot/TempHUMI",
                      data=(str(WenDu) + str((str(",") + str(ShiDu)))))


# 事件回调函数
def u_thread1_function():
    """时间刷新线程：每秒更新一次屏幕上的日期与时间"""
    while True:
        # 拼接"年-月-日"（源码把三个 get_time 结果逐层嵌套，此处等效果表达）
        RiQi = (str(datetime.datetime.now().year) + str((str("-") + str((
            str(datetime.datetime.now().month) + str((str("-") + str(
                datetime.datetime.now().day))))))))
        ShiJian = time.strftime("%H:%M:%S")     # 取"时:分:秒"
        Date.config(text=RiQi)                  # 刷新日期文本
        Time.config(text=ShiJian)               # 刷新时间文本
        time.sleep(1)                           # 每秒一次


# ================= 主程序 =================
u_gui = GUI()                               # 创建 GUI 对象
Board().begin()                             # 板卡初始化（自动识别板型）
# 连接 SIoT 平台（地址/账号/密码/客户端 ID 见配置区占位符）
siot.init(client_id=SIOT_CLIENT, server=SIOT_SERVER, port=SIOT_PORT,
          user=SIOT_USER, password=SIOT_PWD)
siot.connect()                              # 建立 MQTT 连接
siot.loop()                                 # 启动网络循环（后台持续收发）
p_p22_analog = Pin(Pin.P22, Pin.ANALOG)     # 把 P22 设为模拟输入（酒精传感器）


def frame2base64(frame):
    """把一帧图像转成 base64 文本：BGR→RGB→JPEG→base64"""
    frame = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2RGB)   # OpenCV 默认 BGR，先转 RGB
    img = Image.fromarray(frame)                     # 转成 PIL 图像对象
    output_buffer = BytesIO()                        # 建一个内存缓冲区
    img.save(output_buffer, format='JPEG')           # 存成 JPEG 写入缓冲
    byte_data = output_buffer.getvalue()             # 取出字节数据
    base64_data = base64.b64encode(byte_data)        # 编码为 base64
    return base64_data                               # 返回 base64 文本


def base642base64(frame):
    """给 base64 文本补上 data URI 前缀，方便前端直接渲染"""
    data = str('data:image/png;base64,')             # 前缀
    base64data = str(frame2base64(frame))            # 取 base64 文本
    framedata = base64data[2:(len(base64data) - 1)]  # 去掉 b' 与结尾的 '
    base642base64_data = data + str(framedata)       # 拼接
    return base642base64_data


vd = cv2.VideoCapture()                     # 创建摄像头对象
vd.open(-1)                                 # 打开设备（-1 表示自动选择）
while not (vd.isOpened()):                  # 直到摄像头就绪才继续
    print("摄像头初始化中......")
print("摄像头初始化完成")

# ---- 创建界面对象（一次创建，后续只改文本）----
cc = u_gui.draw_text(text="面粉发酵监测", x=45, y=5, font_size=18, color="#000000")
Date = u_gui.draw_text(text="       ", x=25, y=35, font_size=14, color="#000000")
Time = u_gui.draw_text(text="        ", x=130, y=35, font_size=14, color="#000000")
PH = u_gui.draw_text(text="PH：", x=20, y=65, font_size=16, color="#0000FF")
ALcohol = u_gui.draw_text(text="酒精：", x=20, y=90, font_size=16, color="#0000FF")
CO2 = u_gui.draw_text(text="CO2:", x=20, y=115, font_size=16, color="#0000FF")
Temp = u_gui.draw_text(text="温度：", x=20, y=140, font_size=16, color="#000000")
Humi = u_gui.draw_text(text="湿度：", x=20, y=165, font_size=16, color="#000000")
# 二维码：扫码即可进入 SIoT 数据看板（地址见配置区占位符）
login = u_gui.draw_qr_code(text="http://" + SIOT_SERVER + ":8080", x=80, y=190, w=80)
soumin = u_gui.draw_text(text="观察折线图请登录SIOT", x=25, y=265, font_size=13, color="#0000FF")
# 屏幕底部联网提示行：原程序在此处显示 Wi-Fi 名称与密码，本文以占位符变量呈现
WIFI_HINT = "Wi-Fi：" + WIFI_SSID + "    密码：" + WIFI_PWD
IP = u_gui.draw_text(text=WIFI_HINT, x=15, y=285, font_size=10, color="#0000FF")

# ---- SCI 采集模块初始化：失败就重试 ----
SCI1 = DFRobot_RP2040_SCI_IIC(addr=0x21)    # I²C 地址 0x21
while SCI1.begin() != 0:                    # 返回非 0 表示初始化失败
    print("Initialization Sensor Universal Adapter Board failed.")
    time.sleep(1)                           # 等 1 秒后重试
print("Initialization Sensor Universal Adapter Board done.")

MQTT()                                      # 订阅全部主题
print("MQTT初始化完成")
thread1 = u_gui.start_thread(u_thread1_function)   # 启动时间刷新线程

# ---- 主循环：推流画面 + 采集上传 ----
while True:
    if vd.grab():                                       # 摄像头有下一帧
        ret, grab = vd.read()                           # 读出该帧
        siot.publish(topic="siot/摄像头",
                     data=base642base64(grab))          # 转 base64 后上传
    else:
        print("没有下一帧")                              # 没帧则提示
    mqtt_msg()                                          # 采集 5 路并上传
    time.sleep(1)                                       # 每轮间隔 1 秒（积木版为 5 秒）

代码阅读要点：① 五个变量名（酸碱度、酒精、co2、温度、湿度）对应五路数据；② siot.publish_save 与 siot.publish 的区别在于前者会把数据同时存入平台数据库（这也是能导出折线图的原因）；③ 摄像头取帧与数据采集在同一个循环里，靠 vd.grab() 的返回值判断是否有新帧。

七、作品创新点

1. 物联网功能：把作品采集并处理好的数据发送到 SIoT 服务器，可供远程访问与操作，便于后期对数据进行分析处理、得出结论。屏幕上的二维码让学生用手机扫一下就能看到折线图，不需要任何额外软件。
2. 简单便携：整个作品设计为"笔盒"大小（104×104×143mm），便于单人携带；数据由行空板程序自动分析处理，使用者无需进行过多操作，扣上盖子就开始记录，这在课堂分组实验场景中非常关键。
3. 立体化分析：如果只检测一个酒精浓度去判断面粉发酵情况，显然是比较片面的。作品在检测酒精浓度的同时增加了 pH 计、空气质量传感器与温湿度传感器，检测结果更加立体合理，便于学生进行分组探究分析。
4. 外观合理：没有使用过多的装饰性设计，完全以实用性为本——透明箱体保证能看见面团、绿色盖板把电路藏起来、盖下凸台开孔兼顾透气与防尘。
5. 视觉远程查看：使用 USB 摄像头对发酵过程进行拍摄，画面转成 base64 文本后借助同一条 MQTT 通道上传，便于远程查看发酵进度并进行管理。

值得单独一提的是第 5 条的设计巧思：MQTT 本身是文本协议，无法直接传图像。团队用"JPEG 压缩 + base64 编码"把图像变成字符串，复用了已有的数据通道，没有额外增加服务器或协议——这对中学生项目来说是一个相当务实的工程取舍。

八、项目应用拓展

这件作品的价值不限于一次演示实验。把它放到不同的场景里，还能延伸出多种用法：

团队在项目材料中也提到，后续会参考市面上的相似商品，在现有基础上增加远程遥控、蓝牙等功能。而 3D 打印模型文件采用 PLA 材料，学校可以自行加工容器外壳，这也意味着作品具备被复制和推广的基础——一套图纸、一份代码，其他学校就能做出自己的版本。