探究智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)-了解物聯(lián)網(wǎng) 初識信息系統(tǒng)-高中信息技術(shù) （滬科版2019必修2）

探究智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)項目七—了解物聯(lián)網(wǎng)了解智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的工作原理了解什么是物聯(lián)網(wǎng)了解什么是傳感器、傳感器有哪些種類理解智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)如何感知外部世界學(xué)習(xí)目標(biāo)情景導(dǎo)入許多家庭都喜歡在家里種植一些花卉，以花化家庭環(huán)境、凈化空氣。但養(yǎng)好花卉卻不是件容易的事。不同的花卉對于光照、溫度和土壤的水分、酸堿度、肥力的要求不同，大多數(shù)人一般不能做到專業(yè)的養(yǎng)護(hù)，常導(dǎo)致種植過程中出現(xiàn)花卉焦葉、爛根、干枯及生蟲等問題。有時主人需要外出一段時間，花卉會因長時間無人照料而枯萎。如果有一套智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)（如圖），實時監(jiān)測每盆花卉生長所處的環(huán)境，并及時提示需要的養(yǎng)護(hù)操作或自動對花卉進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，則上述問題會迎刃而解。那么智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)是如何實現(xiàn)智能養(yǎng)護(hù)的呢？1.探索智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的工作過程現(xiàn)有的智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)大多通過監(jiān)測花卉的種植環(huán)境數(shù)據(jù)，依托物聯(lián)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳至互聯(lián)網(wǎng)的云端進(jìn)行數(shù)據(jù)對比分析，在通過智能手機中的相應(yīng)APP將花卉種植養(yǎng)護(hù)提示推送給用戶，如圖3-16所示。有些智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)還可實現(xiàn)自動澆水等功能。核心概念物聯(lián)網(wǎng)（InternetofThings,IoT）,指物和物相連的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)國際電信聯(lián)盟的定義，物聯(lián)網(wǎng)主要解決物品與物品、人與物品、人與人之間的互連。圖3-16活動7.1調(diào)查目前市場上已有的智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，了解它們的工作過程、相關(guān)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信方式及性價比等，填寫表3-5品牌工作過程相關(guān)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信方式性價比表3-52.采集花卉種植環(huán)境數(shù)據(jù)要實現(xiàn)智能養(yǎng)護(hù)，首先需要監(jiān)測花卉所處的實際環(huán)境，包括光照、溫度和土壤水分、肥力等。因此，智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)需具有對環(huán)境數(shù)據(jù)采集功能，這一功能的實現(xiàn)可以依賴傳感器。不同類型的傳感器可監(jiān)測環(huán)境溫度，如用光敏傳感器監(jiān)測光照條件，溫度傳感器監(jiān)測環(huán)境溫度，介質(zhì)傳感器監(jiān)測土壤中的含水量、肥力等?，F(xiàn)在已出現(xiàn)一些基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能傳感器，它們通常匯集多種傳感器于一身，集成了儲存、處理、通信等模塊，可將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后傳輸給其他設(shè)備（如物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備網(wǎng)關(guān)、智能手機、服務(wù)器等）。有些智能傳感器甚至可以自組網(wǎng)，形成一個互聯(lián)的傳感器網(wǎng)絡(luò)。例如，智能花草環(huán)境傳感器由多種傳感器組成，其下端為濕度、肥力傳感器，插入土中后可以監(jiān)測土壤中的環(huán)境；而上端為溫度、光照傳感器，可以監(jiān)測土壤以上部分的環(huán)境。但是這種傳感器并沒有顯示功能，要顯示傳感器采集的數(shù)據(jù)，還需要借助于APP。用戶在智能手機中下載安裝配套的APP，并在APP中將智能手機和傳感器配對連接后，方可在智能手機上查看傳感器監(jiān)測到的環(huán)境數(shù)據(jù)，如圖3-17所示?；顒?.2選擇一盆花卉植物，將智能花草環(huán)境傳感器插入花盆中，在手機端下載與之匹配的APP。將智能手機與傳感器配對相連，查看目前的環(huán)境數(shù)據(jù)。7.3通過配套資源中的視頻了解Arduino開源硬件的開發(fā)方法及相關(guān)教程。使用開源硬件Arduino模擬實現(xiàn)智能手機或計算機網(wǎng)頁監(jiān)控土壤濕度。方法參考如下：（1）準(zhǔn)備鏈接以下模塊，如圖3-18所示。圖3-18（2）分別完成Arduino和ESP的代碼（代碼參見配套資源）上傳。（3）在Arduino集成開發(fā)環(huán)境中打開ESP的串口，記下IP地址，如圖3-19所示。如果找不到IP地址，檢查代碼中SSID和密碼是否正確。（4）在智能手機或計算機瀏覽器中輸入ESP的IP地址，應(yīng)看到如圖3-20所示頁面。該頁面每5秒自動刷新一次。圖3-19圖3-20（5）優(yōu)化改進(jìn)。如果需同事進(jìn)行多盆植物的土壤檢查，那么可以搭建一個網(wǎng)站，讓多個傳感器將數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)站，以便用戶通過網(wǎng)站查看所有數(shù)據(jù)。如果要遠(yuǎn)程監(jiān)測土壤濕度，則可通過路由器端口映射實現(xiàn)從互聯(lián)網(wǎng)訪問局域網(wǎng)HTTP服務(wù)器。3.了解種植環(huán)境數(shù)據(jù)的處理與反饋雖然傳感器可監(jiān)測土壤、光照和溫度等環(huán)境數(shù)據(jù)，但是不同的花卉需要的水分、肥力、光照和溫度不盡相同。用戶還需要一定的花卉養(yǎng)護(hù)專業(yè)知識，才能有效地利用傳感器監(jiān)測到的環(huán)境數(shù)據(jù)。因此，非花卉養(yǎng)護(hù)專業(yè)用戶可以在APP中設(shè)置傳感器所感知的花卉種類，通過智能手機所連接的家庭局域網(wǎng)或移動通信網(wǎng)絡(luò)將花卉種類和環(huán)境數(shù)據(jù)傳送到互聯(lián)網(wǎng)中的云端。將傳感器感知的環(huán)境數(shù)據(jù)與云端存儲的該種類花卉生長所需的理想環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，并將比對結(jié)果和養(yǎng)護(hù)提示反饋給APP。這樣用戶無需專業(yè)知識，根據(jù)養(yǎng)護(hù)提示即可完成花卉養(yǎng)護(hù)，如圖3-21所示。圖3-21思考討論智能花卉養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)如何與花卉植物鏈接在一起？活動7.4選擇兩盆不同種類、環(huán)境要求差異性較大的植物，如一盆多肉類植物、一盆綠蘿。在兩個花盆中分別設(shè)置同型號智能花草環(huán)境傳感器，并在APP中設(shè)置傳感器對應(yīng)的植物種類。參考APP中反饋的養(yǎng)護(hù)提示，將兩盆植物的環(huán)境數(shù)據(jù)調(diào)整到最適宜生長的狀態(tài)，并比較兩種不同植物生長所需要的環(huán)境數(shù)據(jù)的差異。4.了解智能花盆的自動控制智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)在傳感器的支持下可以實現(xiàn)監(jiān)測并反饋植物生長狀態(tài)，是花卉養(yǎng)護(hù)更便捷。但養(yǎng)護(hù)過程中仍需要人工干預(yù)，比如人工澆水、施肥等。怎樣讓花卉養(yǎng)護(hù)變得不依賴人工，真正實現(xiàn)自動化、智能化？這就需要為智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)增加總控制功能。要實現(xiàn)自動控制功能，除了使用各類開源硬件套材設(shè)計制作控制系統(tǒng)外，還可以直接采用集成了傳感器和自動灌溉控制系統(tǒng)的智能花盆。智能花盆的外層是一個儲水箱，水箱底部有個水泵，可自動泵水到花盆邊緣的噴水口為花卉澆水。根據(jù)傳感器檢測的環(huán)境數(shù)據(jù)來設(shè)定的花卉種類，當(dāng)土壤濕度達(dá)到適宜該植物生長的水平后，水泵會自動關(guān)閉；當(dāng)土壤濕度過低時，水泵自動開啟進(jìn)行澆灌，如圖3-22所示。圖3-22思考討論1.智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)還可實現(xiàn)哪些自動控制功能？2.如果要實現(xiàn)用戶在配套APP中控制澆花，該如何設(shè)計？活動7.5隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合了傳感器、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的各種智能產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，如智能花盆、智能水杯、智能手環(huán)等。它們逐漸融入家庭生活、交通運輸、工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)種植等多個領(lǐng)域，讓人們的生活、生產(chǎn)變得更智能、更便捷。請在網(wǎng)上查閱相關(guān)資料，為自己的家庭設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)。總結(jié)其中配置的智能家電，并了解其工作原理，填寫表3-6。智能家電功能傳感器類型控制方法表3-6物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)配置表活動7.6在創(chuàng)新實驗室中，模擬搭建家庭遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，并畫出系統(tǒng)的工作過程示意圖。實驗器材：智能手機；攝像頭（也可采用智能手機替代監(jiān)控攝像頭）。實驗環(huán)境：接入互聯(lián)網(wǎng)的小型局域網(wǎng)環(huán)境。實驗要求：（1）將攝像頭連入局域網(wǎng)。（2）在智能手機上安裝客戶端軟件，并與監(jiān)控端攝像頭建立連接。（3）通過智能手機觀看實時監(jiān)控畫面，并完成視頻截圖、語音對話、錄像等。知識鏈接物聯(lián)網(wǎng)及其應(yīng)用顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)指物和物相連的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)時新一代信息技術(shù)的重要組成部分。目前，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用越來越廣泛，常見的有：智能交通、智能小區(qū)、數(shù)字博物館、數(shù)字家庭、現(xiàn)代物流管理、食品安全管理、數(shù)字醫(yī)療等。物聯(lián)網(wǎng)的組成架構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)通?？梢苑譃樗膶蛹軜?gòu)：感知層---傳輸層---數(shù)據(jù)處理層---應(yīng)用服務(wù)層。感知層實現(xiàn)對現(xiàn)實世界的智能感知識別，主要包括各類型的傳感器、基礎(chǔ)硬件以及各類技術(shù)規(guī)范等。傳輸層主要實現(xiàn)信息的傳輸，包括各種通信介質(zhì)、設(shè)備和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等。其中應(yīng)用最為廣泛的通信技術(shù)應(yīng)是蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)（2G、3G、4G，甚至是5G）、Wi-Fi、藍(lán)牙（BlueTooth）等。如RFID、ZigBee、Z-Wave、NB-IoT、LoRa、PLC等。數(shù)據(jù)處理層實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理，包括各種服務(wù)器、存儲器、云計算平臺、數(shù)據(jù)挖掘和分析技術(shù)等。應(yīng)用服務(wù)層主要實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的各種應(yīng)用。針對不同的應(yīng)用環(huán)境，各種智能硬件和服務(wù)軟件等不斷被開發(fā)出來。知識鏈接傳感器傳感器主要由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。轉(zhuǎn)換元件可將敏感元件感應(yīng)到物理量（如溫度、濕度、照度等）或化學(xué)量（如酸堿度、濃度等）等轉(zhuǎn)變成電信號（模擬信號）。傳感器輸出電信號通常為弱信號，需要放大電路將它放大，然后經(jīng)過濾波電路過濾干擾信號等一些列信號調(diào)理后形成精度較高、信噪比（信號與噪聲的比例）較大的電信號，再通過采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換，調(diào)理后的模擬信號被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號以方便計算機等設(shè)備的處理，最后經(jīng)過量程計算，數(shù)據(jù)（如當(dāng)前的溫度、濕度等）通過顯示設(shè)備或其他輸出設(shè)備輸出，如圖3-23所示。傳感器的分類方法很多，若安用途分，可分為位置傳感器、接近和運動傳感器、慣性傳感器、壓力敏和力敏傳感器、光敏傳感器、介質(zhì)傳感器、溫度傳感器等。通聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)通技術(shù)繁多，包括蜂窩移動通信系統(tǒng)（如4G、5G）、近距離無線通信技術(shù)（如Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee、Z-Wave、RFID、NFC）等。不同的通信技術(shù)具有各自的特點。圖3-23傳感器輸出信號的轉(zhuǎn)換過程（模擬-數(shù)字）（1）藍(lán)牙是一種無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可實現(xiàn)兩個設(shè)備之間的無線短距離數(shù)據(jù)交換。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，各種依托藍(lán)牙與計算機進(jìn)行短距離無線通信的設(shè)備運輸而生，如藍(lán)牙鼠標(biāo)、藍(lán)牙音響（圖3-24）等。使用藍(lán)牙時需要對互聯(lián)的設(shè)備進(jìn)行配對設(shè)置，這樣才能在兩個設(shè)備間建立持續(xù)的無線連接。（2）ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。ZigBee可以嵌入各種設(shè)備中，用于實現(xiàn)自動控制和遠(yuǎn)程控制，如圖3-25所示。例如，在燈中嵌入ZigBee，則可實現(xiàn)無線遙控開關(guān)燈。（3）Z-Wave是一種基于射頻的、低成本、低功耗、高可靠、適用于網(wǎng)絡(luò)的短距離無線通信技術(shù)。Z-Wave技術(shù)可將獨立的設(shè)備轉(zhuǎn)換為智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，實現(xiàn)控制和無線監(jiān)測，如圖3-26所示。Z-Wave技術(shù)目前主要應(yīng)用于智能家居領(lǐng)域，如用于實現(xiàn)家電控制。（4）射頻識別（RFID）是一種無線通信技術(shù)，可通過無線電信號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需在識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機械或光學(xué)接觸。RFID的應(yīng)用很廣，如物流管理、門禁控制、視頻溯源等，如圖3-27所示。（5）近場通信（NFC）是一種短距離的高頻無線通信技術(shù)。它由RFID演變而來，在單一芯片上結(jié)合了感應(yīng)式讀卡器、感應(yīng)式卡片，可實現(xiàn)電子設(shè)備之間的非接觸式點對點數(shù)據(jù)傳送。目前主要用于交通一卡通、支付卡、門禁卡等，如圖3-28所示。圖3-24藍(lán)牙音箱圖3-25ZigBee技術(shù)的應(yīng)用圖3-26Z-Wave無線監(jiān)控圖3-27RFID在物流中的應(yīng)用圖3-28使用手機NFC功能乘坐地鐵信息系統(tǒng)與外部現(xiàn)實世界的連接方式信息系統(tǒng)通過輸入設(shè)備，如傳感器等與外部現(xiàn)實世界連接。如今常用的智能設(shè)備（