1、项目七了解物联网 了解智能花卉养护系统的工作原理了解智能花卉养护系统的工作原理 了解什么是物联网了解什么是物联网 了解什么是传感器、传感器有哪些种类了解什么是传感器、传感器有哪些种类 理理解智能花卉养护系统如何感知外部世界解智能花卉养护系统如何感知外部世界学习目标情景导入许多家庭都喜欢在家里种植一些花卉，以花化家庭环境、净化空气。但养好花卉却不是件容易的事。不同的花卉对于光照、温度和土壤的水分、酸碱度、肥力的要求不同，大多数人一般不能做到专业的养护，常导致种植过程中出现花卉焦叶、烂根、干枯及生虫等问题。有时主人需要外出一段时间，花卉会因长时间无人照料而枯萎。如果有一套智能花卉养护系统（如图），
2、实时监测每盆花卉生长所处的环境，并及时提示需要的养护操作或自动对花卉进行养护，则上述问题会迎刃而解。那么智能花卉养护系统是如何实现智能养护的呢？1.探索智能花卉养护系统的工作过程现有的智能花卉养护系统大多通过监测花卉的种植环境数据，依托物联网，将数据传至互联网的云端进行数据对比分析，在通过智能手机中的相应APP将花卉种植养护提示推送给用户，如图3-16所示。有些智能花卉养护系统还可实现自动浇水等功能。核心概念物联网（Internet of Things,IoT）,指物和物相连的互联网络。根据国际电信联盟的定义，物联网主要解决物品与物品、人与物品、人与人之间的互连。图3-16活动7.1调查目前市
3、场上已有的智能花卉养护系统，了解它们的工作过程、相关设备、网络通信方式及性价比等，填写表3-5品牌品牌工作过程工作过程相关设备相关设备网络通信方式网络通信方式性价比性价比表3-52.采集花卉种植环境数据要实现智能养护，首先需要监测花卉所处的实际环境，包括光照、温度和土壤水分、肥力等。因此，智能花卉养护系统需具有对环境数据 采集功能，这一功能的实现可以依赖传感器。不同类型的传感器可监测环境温度，如用光敏传感器监测光照条件，温度传感器监测环境温度，介质传感器监测土壤中的含水量、肥力等。现在已出现一些基于物联网技术的智能传感器，它们通常汇集多种传感器于一身，集成了储存、处理、通信等模块，可将监测到的
4、数据进行预处理后传输给其他设备（如物联网设备网关、智能手机、服务器等）。有些智能传感器甚至可以自组网，形成一个互联的传感器网络。例如，智能花草环境传感器由多种传感器组成，其下端为湿度、肥力传感器，插入土中后可以监测土壤中的环境；而上端为温度、光照传感器，可以监测土壤以上部分的环境。但是这种传感器并没有显示功能，要显示传感器采集的数据，还需要借助于APP。用户在智能手机中下载安装配套的APP，并在APP中将智能手机和传感器配对连接后，方可在智能手机上查看传感器监测到的环境数据，如图3-17所示。活动7.2 选择一盆花卉植物，将智能花草环境传感器插入花盆中，在手机端下载与之匹配的APP。将智能手机
5、与传感器配对相连，查看目前的环境数据。7.3 通过配套资源中的视频了解Arduino开源硬件的开发方法及相关教程。使用开源硬件Arduino模拟实现智能手机或计算机网页监控土壤湿度。方法参考如下：（1）准备链接以下模块，如图3-18所示。图3-18（2）分别完成Arduino和ESP的代码（代码参见配套资源）上传。（3）在Arduino集成开发环境中打开ESP的串口，记下IP地址，如图3-19所示。如果找不到IP地址，检查代码中SSID和密码是否正确。（4）在智能手机或计算机浏览器中输入ESP的IP地址，应看到如图3-20所示页面。该页面每5秒自动刷新一次。图3-19图3-20（5）优化改进。
6、如果需同事进行多盆植物的土壤检查，那么可以搭建一个网站，让多个传感器将数据发送至网站，以便用户通过网站查看所有数据。如果要远程监测土壤湿度，则可通过路由器端口映射实现从互联网访问局域网HTTP服务器。3.了解种植环境数据的处理与反馈虽然传感器可监测土壤、光照和温度等环境数据，但是不同的花卉需要的水分、肥力、光照和温度不尽相同。用户还需要一定的花卉养护专业知识，才能有效地利用传感器监测到的环境数据。因此，非花卉养护专业用户可以在APP中设置传感器所感知的花卉种类，通过智能手机所连接的家庭局域网或移动通信网络将花卉种类和环境数据传送到互联网中的云端。将传感器感知的环境数据与云端存储的该种类花卉生长
7、所需的理想环境数据进行对比，并将比对结果和养护提示反馈给APP。这样用户无需专业知识，根据养护提示即可完成花卉养护，如图3-21所示。图3-21思考讨论智能花卉养护信息系统如何与花卉植物链接在一起？活动7.4 选择两盆不同种类、环境要求差异性较大的植物，如一盆多肉类植物、一盆绿萝。在两个花盆中分别设置同型号智能花草环境传感器，并在APP中设置传感器对应的植物种类。参考APP中反馈的养护提示，将两盆植物的环境数据调整到最适宜生长的状态，并比较两种不同植物生长所需要的环境数据的差异。4.了解智能花盆的自动控制智能花卉养护系统在传感器的支持下可以实现监测并反馈植物生长状态，是花卉养护更便捷。但养护过
8、程中仍需要人工干预，比如人工浇水、施肥等。怎样让花卉养护变得不依赖人工，真正实现自动化、智能化？这就需要为智能花卉养护系统增加总控制功能。要实现自动控制功能，除了使用各类开源硬件套材设计制作控制系统外，还可以直接采用集成了传感器和自动灌溉控制系统的智能花盆。智能花盆的外层是一个储水箱，水箱底部有个水泵，可自动泵水到花盆边缘的喷水口为花卉浇水。根据传感器检测的环境数据来设定的花卉种类，当土壤湿度达到适宜该植物生长的水平后，水泵会自动关闭；当土壤湿度过低时，水泵自动开启进行浇灌，如图3-22所示。图3-22思考讨论1.智能花卉养护系统还可实现哪些自动控制功能？2.如果要实现用户在配套APP中控制浇
9、花，该如何设计？活动7.5 随着物联网技术的发展，结合了传感器、物联网等技术的各种智能产品不断涌现，如智能花盆、智能水杯、智能手环等。它们逐渐融入家庭生活、交通运输、工业生产、农业种植等多个领域，让人们的生活、生产变得更智能、更便捷。请在网上查阅相关资料，为自己的家庭设计物联网智能家居系统。总结其中配置的智能家电，并了解其工作原理，填写表3-6。智能家电智能家电功能功能传感器类型传感器类型控制方法控制方法表3-6 物联网智能家居系统配置表活动7.6 在创新实验室中，模拟搭建家庭远程监控系统，并画出系统的工作过程示意图。实验器材：智能手机；摄像头（也可采用智能手机替代监控摄像头）。实验环境：接入
10、互联网的小型局域网环境。实验要求：（1）将摄像头连入局域网。（2）在智能手机上安装客户端软件，并与监控端摄像头建立连接。（3）通过智能手机观看实时监控画面，并完成视频截图、语音对话、录像等。知识链接物联网及其应用顾名思义，物联网指物和物相连的互联网络。物联网时新一代信息技术的重要组成部分。目前，物联网的应用越来越广泛，常见的有：智能交通、智能小区、数字博物馆、数字家庭、现代物流管理、食品安全管理、数字医疗等。物联网的组成架构物联网通常可以分为四层架构：感知层-传输层-数据处理层-应用服务层。感知层实现对现实世界的智能感知识别，主要包括各类型的传感器、基础硬件以及各类技术规范等。传输层主要实现信
11、息的传输，包括各种通信介质、设备和技术标准等。其中应用最为广泛的通信技术应是蜂窝移动网络（2G、3G、4G，甚至是5G）、Wi-Fi、蓝牙（BlueTooth）等。如RFID、ZigBee、Z-Wave、NB-IoT、LoRa、PLC等。数据处理层实现对数据的处理，包括各种服务器、存储器、云计算平台、数据挖掘和分析技术等。应用服务层主要实现物联网的各种应用。针对不同的应用环境，各种智能硬件和服务软件等不断被开发出来。知识链接传感器传感器主要由敏感元件和转换元件组成。转换元件可将敏感元件感应到物理量（如温度、湿度、照度等）或化学量（如酸碱度、浓度等）等转变成电信号（模拟信号）。传感器输出电信号通
12、常为弱信号，需要放大电路将它放大，然后经过滤波电路过滤干扰信号等一些列信号调理后形成精度较高、信噪比（信号与噪声的比例）较大的电信号，再通过采样和模数转换，调理后的模拟信号被转换成数字信号以方便计算机等设备的处理，最后经过量程计算，数据（如当前的温度、湿度等）通过显示设备或其他输出设备输出，如图3-23所示。传感器的分类方法很多，若安用途分，可分为位置传感器、接近和运动传感器、惯性传感器、压力敏和力敏传感器、光敏传感器、介质传感器、温度传感器等。通联网通信技术物联网的网通技术繁多，包括蜂窝移动通信系统（如4G、5G）、近距离无线通信技术（如Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、Z-Wave、RFID
13、、NFC）等。不同的通信技术具有各自的特点。图3-23 传感器输出信号的转换过程（模拟-数字）（1）蓝牙是一种无线技术标准，可实现两个设备之间的无线短距离数据交换。随着信息技术的发展，各种依托蓝牙与计算机进行短距离无线通信的设备运输而生，如蓝牙鼠标、蓝牙音响（图3-24）等。使用蓝牙时需要对互联的设备进行配对设置，这样才能在两个设备间建立持续的无线连接。（2）ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。ZigBee可以嵌入各种设备中，用于实现自动控制和远程控制，如图3-25所示。例如，在灯中嵌入ZigB
14、ee，则可实现无线遥控开关灯。（3）Z-Wave是一种基于射频的、低成本、低功耗、高可靠、适用于网络的短距离无线通信技术。Z-Wave技术可将独立的设备转换为智能网络设备，实现控制和无线监测，如图3-26所示。Z-Wave技术目前主要应用于智能家居领域，如用于实现家电控制。（4）射频识别（RFID）是一种无线通信技术，可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而无需在识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。RFID的应用很广，如物流管理、门禁控制、视频溯源等，如图3-27所示。（5）近场通信（NFC）是一种短距离的高频无线通信技术。它由RFID演变而来，在单一芯片上结合了感应式读卡器、感应
15、式卡片，可实现电子设备之间的非接触式点对点数据传送。目前主要用于交通一卡通、支付卡、门禁卡等，如图3-28所示。图3-24 蓝牙音箱图3-25 ZigBee技术的应用图3-26 Z-Wave无线监控图3-27 RFID在物流中的应用图3-28 使用手机NFC功能乘坐地铁信息系统与外部现实世界的连接方式信息系统通过输入设备，如传感器等与外部现实世界连接。如今常用的智能设备（如智能手机、平板电脑）都安装了传感器。例如，陀螺仪、摄像头、指纹识别器等。传感器对于信息系统 作用，如同人类的感觉器官对于大脑的作用，通过感知外部现实世界获取信息。除此之外，信息系统还通过输出和控制与外部现实世界进行连接，实现一系列操作功能，如操控机器人手臂完成工业制造等。如图3-29所示为物联网系统与外部现实世界的连接方式，它实现了从现实世界到数字世界再到现实世界的信息流转。图3-29 物联网系统与外部现实世界的连接方式感谢观看T h a n k s f o r Wa t c h i n g
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