信息科技物联网案例-八年级 花婆婆的护花助手

项目来源
在信息科技教育不断发展，以及物联网技术广泛应用的大背景下，结合八年级信息科技第一单元 “从感知到物联” 第 5 课 “物联功能趣体验” 的教学内容，旨在让学生通过实践操作深入理解物联网概念与原理。同时，受到《花婆婆》绘本中传递的对植物的热爱与呵护精神的启发，决定设计一款智能植物灌溉系统，使学生不仅能掌握信息科技知识，还能培养对植物的关爱，提升生活实践能力。

项目简介
本项目围绕《花婆婆》绘本主题展开，利用行空板 K10 以及多种传感器，构建一个智能植物灌溉系统。该系统能够实时监测土壤湿度、环境温湿度等数据，并依据预设条件自动控制水泵进行灌溉。学生通过参与项目的各个环节，从硬件搭建、软件编程到系统调试，全面了解物联网技术在实际生活中的应用，提高动手实践与创新思维能力，感受科技对生活的积极影响。

项目目标：

• 了解物联网基本概念，认识行空板K10及其功能。
• 学习土壤湿度传感器、水泵和继电器的工作原理及使用方法。
• 掌握编程知识，实现传感器数据采集与处理。
• 培养学生动手能力、创新思维和团队协作精神。
  

项目知识点：
1物联网基础概念：理解物联网的定义、特征以及其三层架构（感知层、网络层、应用层）的基本概念。
2传感器应用：掌握土壤湿度传感器工作原理与使用方法，学会获取并解读传感器采集的数据。
3数据处理与传输：了解数据从传感器采集后，通过连接线传输至行空板 K10，以及行空板 K10 对数据进行处理、分析的过程，包括数据的转换、存储与逻辑判断。
4编程控制：学会对行空板 K10 进行编程，实现对传感器数据的读取、分析以及对水泵等执行设备的控制逻辑编写。
5电路连接：掌握基本的电路连接知识，能够正确连接行空板 K10、传感器、继电器模块、水泵以及电源模块，确保电路稳定运行。

项目原理
1数据采集原理
土壤湿度传感器：采用电阻式测量原理，两个金属探针插入土壤后，土壤的电阻值会随其含水量变化而改变。当土壤湿度增加，土壤颗粒间的水分增多，导电性增强，电阻值降低；反之，电阻值升高。传感器通过测量电阻值的变化，将其转换为对应的电信号输出，进而得到土壤湿度值。

2数据传输原理
传感器采集到的数据通过连接线以电信号的形式传输至行空板 K10。行空板 K10 具备强大的数据处理能力，其内置的 Wi-Fi 模块可实现数据的无线传输。若需要远程监控和控制，数据可通过无线网络上传至云端服务器，用户可通过手机、电脑等终端设备访问云端数据，实现远程查看和操作。若仅在本地进行控制，行空板 K10 可直接对接收的数据进行处理和分析。
3控制原理
行空板 K10 预先设置了土壤湿度的上下限阈值。当接收到土壤湿度传感器传来的数据后，行空板 K10 将其与预设阈值进行比较。若土壤湿度低于下限值，表明土壤缺水，行空板 K10 通过向继电器模块发送高电平信号，使继电器的常开触点闭合，接通水泵电源，水泵开始工作进行灌溉；当土壤湿度达到或超过上限值时，行空板 K10 发送低电平信号，继电器常开触点断开，切断水泵电源，停止灌溉。

硬件简介
1行空板 K10：这是一款专为教育设计的开源硬件，搭载高性能处理器，具备丰富的接口，如数字引脚、模拟引脚、SPI 接口、I2C 接口等，方便与各类传感器和执行器连接。它内置 Wi-Fi 模块，支持无线通信，可轻松实现数据的远程传输与控制，为整个智能灌溉系统提供核心的数据处理和指令控制能力。
2土壤湿度传感器：
能够精确测量土壤中的水分含量，具有响应速度快、测量精度高的特点。其金属探针采用耐腐蚀材料，可长期稳定地插入土壤中进行测量。传感器输出的信号与土壤湿度呈线性关系，便于行空板 K10 进行数据处理和分析。
3水泵：
选用小型直流潜水泵，具有体积小、扬程高、流量稳定的特点。它能够在接收到电源信号后，将水从水源处抽取并输送到植物根部，实现精准灌溉。水泵的工作电压与系统电源模块相匹配，确保稳定运行。
4继电器模块：
作为电路控制的关键部件，起到隔离和放大控制信号的作用。它能够将行空板 K10 输出的弱电信号转换为强电信号，控制水泵等大功率设备的电源通断。继电器模块具有响应速度快、可靠性高的特点，确保系统控制的及时性和稳定性。
5电源模块：
为整个系统提供稳定的电力供应。它能够将外部输入的电源转换为适合各硬件设备工作的电压，如为行空板 K10 提供 5V 或 3.3V 电压，为水泵提供合适的直流电压等。电源模块具有过压保护、过流保护等功能，保障系统的安全运行。
6连接线若干：
包括杜邦线、面包板跳线等，用于实现各硬件设备之间的电气连接。这些连接线具有良好的导电性和柔韧性，确保信号传输的稳定性和可靠性。
7 5V传感器扩展板（octopus:bit）：
ELECFREAKS Octopus:bit是一款扩展板。它扩展出了GPIO口、串口、IIC接口、SPI接口。它最大的特点是可对部分GPIO口的工作电压进行电平转换，能适配5V的传感器。

项目思路：

• 搭建硬件系统：将行空板K10、土壤湿度传感器、水泵等器材连接起来，构成智能植物灌溉系统。
• 编写程序：通过编程实现传感器数据采集、处理和灌溉控制功能。
• 测试与优化：对系统进行测试，根据实际情况调整参数，优化灌溉效果。
  

项目框图



项目实践过程：1硬件搭建
（1）准备材料：
行空板K10、土壤湿度传感器、水泵、继电器、拓展板、连接线、土壤等。
（2）连接传感器：
将行空板K10连接到拓展板。
将土壤湿度传感器的信号线连接到拓展板的模拟输入端口P1。
将水泵的电源线连接到拓展板的数字输出端口P8，并确保使用合适的继电器模块以承受水泵的电流。
将继电器的信号线连接到拓展板的模拟输出端口P0。


2软件准备
（1）安装开发环境：
在计算机上安装适用于行空板K10的编程环境，Mind+软件。
（2）配置开发环境：
在Mind+选择拓展行空板K10并在端口连接行空板K10。

3编写程序
（1）读取传感器数据：
编写代码读取土壤湿度传感器的数据。
对读取的数据进行校准和转换，以得到实际的土壤湿度值。

（2）设置网络连接：
使用电脑作为服务器搭建物联网，以后使用MQTT协议进行消息的订阅与发送。

查看Mind+的数据可视化面板
此时，输入框输入字符on，点击发送，则此文本就发送给了“siot/护花助手”这个topic，由于单行文本框绑定了“siot/护花助手”这个topic，因此也会收到数据并显示出来。
查看SIoT服务器网页上的数据详情，会发现数据库同时也收到了这条消息。

MQTT 连接成功后，我们在电脑浏览器访问 192.168.43.231:8080 网址，在打开的网页中，账号输入 SIoT，密码输入 dfrobot，即可进入 SIoT 物联网平台。
进入 SIoT 平台后，我们点击新建主题，新建“温度”、“湿度”、“环境光强度”、“土壤湿度”四个主题。

完整代码如下图：

（3）控制水泵：
我们需要先在 SIoT 平台添加水泵开关的主题，接着发送特定消息，智能终端如果订阅了这个主题，就能够收到消息，并做出相对应的动作。
相关程序指令如下图所示：

设置控制条件。我们用行空板 K10 上的按键 A，来控制水泵的开关，当按下按钮 A 时，水泵如果关闭，就切换为打开状态；如果打开，则切换为关闭状态，

（4）完整的程序示例：



3物联网数据可视化大屏设计
单击 Mind+左上方的“打开可视化面板”按钮，打开可视化面板。单击“新建项目”，输入名称，创建可视化面板项目。
最终完成物联网数据可视化大屏如下：


花婆婆的护花助手源程序代码：

花婆婆的护花助手程序代码.rar