(共42张PPT)
第二单元 第4课
跨学科活动：智能农植园
（清华大学版）八年级
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
小结与评价
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
在智能农植园中，对于数据的使用和共享要遵循道德规范。要确保数据的真实性和可靠性。
学习物联网技术在农业中的应用，了解如何选择和配置合适的传感器和设备。
能将复杂的实际问题转化为数学模型或计算模型的能力，是计算思维的核心之一。
能够了解意识到这些数据对于植物生长的重要性，从而及时调整种植策略。
02
新知导入
本课中你将体验:
如何在校园内搭建一个互联网平台
如何使用开源硬件实现智能农植园的远程浇灌系统
02
新知导入
学校农植园的植物在生长过程中需要大量的水和土壤营养，作为学生又无法时时刻刻在农植园里进行浇灌。请你组建一个小组，应用物联网系统和反馈控制的知识，搭建一个智能农植园，实现远程就能进行浇灌的功能，进一步思考用这些知识可以解决哪些问题。
02
新知导入
03
新知讲解
一、需求分析
“智能农植园”项目的设计，必须先完成目标分析，查找相关资料并思考智能农植园应该有哪些功能，确认项目计划，同时基于物联网知识搭建一个物联网平台，最终用接入物联网的开源硬件实现水泵的控制。请你结合前面课时的学习，完成项目需求设计，填入表2.4.1中。
02
新知导入
功能需求 功能描述 所需硬件/软件
环境监测与调控 传感器的部署、数据采集与传输、智能预警 监测与控制系统软件、自动化种植管理软件
生长检测与分析 图像采集、数据分析算法、病虫害识别 调控设备、中央控制系统
自动化种植管理 自动化播种设备、智能灌溉系统、施肥自动化 远程监控平台软件、传感器
远程监控管理 监控平台、远程控制功能、数据报表与分析 生长检测与分析软件、图像采集
表2.4.1 项目需求分析表
03
新知讲解
二、分工合作
为了更好地完成“智能农植园”这个项目任务，你的小组需要进行分工合作，小组成员的分工角色与合作职责，可以参照表2.4.2所示的范例，也可以另行设计，并添加到项目方案中。
姓名 角色 分工
张三 组长 负责项目统筹、监督与管理
李四 成员 进行项目规划的文档撰写
张红 成员 负责硬件的搭建和外观
王五 成员 负责硬件编程、实现功能
表2.4.2 项目小组分工合作表
03
新知讲解
三、规划实施
“智能农植园”项目的实施过程，可划分为方案设计、平台搭建、硬件连接、程序编写、调试优化等环节。
1.方案设计
“智能农植园”项目方案的设计，一般包括项目功能需求分析、项目需求硬件/软件分析、项目分工等。
请搜索并学习更多相关知识，结合表2.4.1中的内容来设计你们的项目方案。
03
新知讲解
项目方案
一、项目概述
利用自动化控制技术以及数据分析技术，实现农业种植的智能化管理，提高农作物的产量和质量，降低人工成本，实现资源的高效利用和环境保护。
二、项目目标
提高农作物产量和质量，通过精准的环境控制和科学的种植管理。
实现资源节约和环保，通过智能灌溉和精准施肥等措施，减少水资源和肥料的使用量，降低农业面源污染，提高资源利用效率。
降低人工成本，通过自动化控制系统和远程监控管理，减少人工劳动强度。
03
新知讲解
三、项目内容
智能灌溉系统：安装土壤湿度传感器、气象站等设备，实时监测土壤湿度、气温、降雨量等。根据农作物的需水规律和环境参数，自动控制灌溉设备的开启和关闭，实现精准灌溉。
环境监测系统：部署空气温湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器等设备，实时监测；通过无线传输技术，将环境数据上传至云平台，实现远程实时监控。
精准施肥系统：安装土壤养分传感器，实时监测土壤肥力状况。根据农作物的生长需求和土壤肥力数据，制定精准施肥方案。
03
新知讲解
病虫害防治系统：安装病虫害监测设备，如虫情测报灯、诱捕器等，实时监测病虫害发生情况。通过图像识别技术和数据分析，对病虫害进行早期预警和诊断。
智能控制系统：建立中央控制系统，集成智能灌溉、环境监测、精准施肥、病虫害防治等各个子系统，实现统一管理和控制。开发手机 APP 和电脑端管理平台，方便管理人员随时随地进行远程监控和管理操作。
03
新知讲解
四、项目实施步骤
（一）需求调研和方案设计（第 1 - 2 个月）：
对农植园的现状进行调研，了解农作物品种、种植面积、土壤条件、水源情况等基本信息。
（二）设备采购和安装调试（第 3 - 4 个月）：
根据设备选型结果，进行设备采购和定制。组织专业技术人员进行设备安装和调试，确保设备正常运行。建立数据传输网络和云平台，实现设备之间的互联互通和数据的远程传输。
03
新知讲解
（三）系统集成和软件开发（第 5 - 6 个月）:
对智能灌溉、环境监测、精准施肥、病虫害防治等各个子系统进行集成，实现统一管理和控制。
（四）人员培训和试运行（第 7 - 8 个月）:
组织农植园管理人员和技术人员进行系统操作和维护培训，使其熟悉系统的功能和操作流程。
（五）项目验收和推广应用（第 9 - 10 个月）：
组织项目验收，对项目的建设成果进行评估和验收。
03
新知讲解
2.平台搭建
智能农植园远程浇灌功能的实现离不开物联网平台的搭建。物联网平台有很多，SIoT就是一款开源物联网平台，用SIoT为智能农植园搭建一个物联网平台。
请在过程中完成表 2.4.3的物联网服务器参数记录表。
图2.4.3 物联网服务参数记录表
序号 内容 描述
1 服务器IP地址 实现设备之间通信和数据传输的关键标识。
2 “智能农植园”项目远程浇灌主题 基于物联网技术实现对农作物精准、自动化灌溉的重要模块。
03
新知讲解
3.硬件连接
根据功能需求分析，完成硬件器材的收集后，开始连接开源硬件和控制模块等。将开源硬件的连接引脚记录到表2.4.4中。
图2.4.4 开源硬件引脚连接记录表
序号 开源硬件引脚编号 控制模块
1 GPIO - 通用输入输出引脚，用于连接数字传感器（如按钮） 在控制模板中设置为输入模式，触发中断时执行相应的按钮事件处理函数。
2 SPI - 串行外设接口引脚，用于连接 SPI 设备（如显示屏） 据显示屏的通信协议和控制要求，在控制模板中配置 SPI 通信参数，实现数据的发送和接收。
03
新知讲解
4.程序编写
请参照学习过的物联网的相关知识，利用编程软件和SloT物联网平台实现智能农植园的远程浇灌功能：开源硬件A发送信号给物联网平台，开源硬件 B从物联网平台订阅指令完成水泵的控制实现远程浇灌。
5.调试优化
完成智能农植园的功能编程后，还要经历调试优化环节。调试时，可直接寻找校园内不同位置进行测试，看看是否都能实现远程浇灌，同时评估智能农植园的远程浇灌功能。优化应包括网络连接和智能农植园功能优化，可从场景应用等方面进行思考。
03
新知讲解
请你对自己小组开发的“智能农植园”项目进行调试优化，并根据调试中发现的问题或不足思考相应的解决思路，记录在表2.4.5中。
图2.4.5 调试情况与解决思路
序号 发现问题或不足 解决思路
1 传感器数据不准确 校准传感器、优化传感器安装位置
2 通信连接不稳定 增强无线信号覆盖、优化网络架构
3 灌溉系统执行效果不佳 调整灌溉布局和参数、加强设备维护
03
新知讲解
四、交流评价
项目成果交流，分为成果整理与交流两个环节。成果整理，其内容涉及项目需求分析、项目设计方案、平台搭建、硬件连接、程序编写和调试优化等方面，并为之制作汇报交流用的PPT。
项目成果评价，可基于表2.4.6的评价量规，来对自己与他人的项目成果进行客观的评价，并记录评价结果。
03
新知讲解
图2.4.6 项目成果评价量规
项目成果 评价标准 评价方式
优 良 一般 自评 他评
项目需求分析表 项目需求描述完整、正确且具体 项目需求描述完整、正确 其他 一般 良
项目设计方案 完全满足项目需求 基本满足项目需求 其他 良 优
项目平台搭建 完全正确 基本正确 其他 一般 一般
项目硬件连接 完全正确 基本正确 其他 良 一般
03
新知讲解
续表：
项目成果 评价标准 评价方式
优 良 一般 自评 他评
项目程序编写 完全合理、正确 基本合理、正确 其他 一般 良
项目调试优化记录 记录完整、解决思路合理、具体且正确而 记录较完整、解决思路较合理、基本正确 其他 优 一般
04
小结与评价
本单元你学习了：
物联网的通信协议和通信技术
物联网显示模块、声音模块和电动执行模块的控制
搭建物联网系统
04
小结与评价
知识梳理
物联网系统和反馈控制
物联网的互联通信
物联网的控制技术
物联网的系统搭建
跨学科活动：智能农植园
常见的物联网通信技术
常见的物联网通信协议
显示模块
声音模块
电动执行模块
物联网通信搭建流程
MQTT服务器搭建
MQTT客户端编程
04
小结与评价
学习检测
1、某公司要开发野外环境监测项目，设备常在移动信号较差的环境中运行。以下通信技术中适合用于该项目的是()。
A.4G B. NB-IoT C.Wi-Fi D.蓝牙
2、SIoT是常见的物联网服务器，下面关于SloT的描述不正确的是()。
A.使用的发布/订阅消息模式
B.支持数据导出
C.只能运行在局域网中
D.基于TCP/IP 协议
答案：B、C
04
小结与评价
3、以下常见的电子模块中，不属于输出模块的是()。
A.电动机
B.舵机
C.显示屏
D.按钮
4、在前面的实践活动中，每个小组都已经搭建了一个物联网应用模型并在局域网中正常运行。小清想在学校里也能访问家里的物联网系统，结果遇到了困难。请分析一下测试失败的原因，并给出一种可行的解决方案。
答案：D
04
小结与评价
一、测试失败原因分析
网络限制：家里的物联网系统最初是在局域网环境下搭建和运行的，局域网通常使用私有 IP 地址，这些地址在互联网上是不可路由的。
端口问题：即使家庭网络允许外部访问，物联网系统所使用的服务端口可能没有在路由器上进行正确的端口映射。
二、可行的解决方案
使用动态域名解析（DDNS）服务：注册一个动态域名，并在家庭路由器或物联网设备中配置 DDNS 客户端。
设置路由器端口映射：登录家庭路由器的管理界面，找到端口映射（或虚拟服务器）设置选项。
04
小结与评价
反思评价
在本单元的学习过程中，肯定少不了与他人进行互动交流、参与作品制作等活动。现在请就此进行总结与反思，以便更好地促进自身成长。
1.从同伴那里学到了什么
2.向同伴分享过哪些观点
3.工具、方法的使用是否得当
4.开发项目是否有值得推广的经验
04
小结与评价
1.从同伴那里学到了什么
技术知识与应用包含传感器技术的深入理解、物联网通信技术的实际应用、自动化控制设备的操作与编程；项目规划与进度管理、团队协作与沟通技巧；数据分析与决策，数据采集与整理方法、数据分析方法与应用。
2.向同伴分享过哪些观点
创新种植理念，可持续发展的种植模式强调了在智能农植园中引入可持续发展理念的重要性。利用有机废弃物进行堆肥，实现资源的循环利用，减少对化学肥料的依赖，既降低了成本，又有利于环境保护和土壤质量的提升。
04
小结与评价
3.工具、方法的使用是否得当
不得当，改进方法工具集成与自动化程度提升，考虑开发一些自定义的脚本或工具，实现数据从采集到分析再到决策的自动化流程。
4.开发项目是否有值得推广的经验
精准农业理念,智能农植园项目体现了精准农业的理念，根据作物的实际需求进行精细化管理。例如，通过对土壤肥力和作物生长阶段的监测，精确控制施肥量和施肥时间，这与传统的粗放式农业生产形成鲜明对比。这种精准农业的经验值得在整个农业领域推广，以提高农产品的产量和质量，同时减少对环境的负面影响。
05
拓展延伸
智能农植园中的传感器是如何工作的？
温度传感器：热电阻温度传感器利用金属（如铂、铜等）的电阻随温度变化而变化的特性。当温度升高时，金属电阻会增大。
光照传感器：光照传感器主要基于光电效应工作。其中，光敏电阻是一种常见的元件。当光照强度变化时，光敏电阻的阻值会发生改变。
05
拓展延伸
智能农植园中的传感器是如何工作的？
土壤湿度传感器：电容式土壤湿度传感器是比较常见的一种。它利用土壤的介电常数随含水量变化而变化的特性。
二氧化碳传感器：非色散红外（NDIR）二氧化碳传感器是常用的一种。它利用二氧化碳对特定波长的红外光有吸收特性。
05
拓展延伸
如何通过数据分析来优化农作物的种植管理？
数据收集与整理：在智能农植园里，首先要收集各类传感器的数据，包括土壤湿度、温度、光照强度、二氧化碳浓度等环境数据，还有农作物生长阶段的数据。
生长环境分析：通过分析温度和光照数据，可以确定农作物生长的最佳温度和光照区间。
生长阶段分析：播种到发芽阶段分析这个阶段的数据可以确定最适宜的播种深度、土壤温度和湿度。幼苗期到成熟期观察农作物在不同生长阶段对环境的不同需求。
05
拓展延伸
如何通过数据分析来优化农作物的种植管理？
病虫害预警与防治：通过分析环境数据和农作物生长数据，发现病虫害的早期迹象。例如，当温度和湿度长期处于适合某种病虫害滋生的范围，且农作物生长数据出现异常。
05
拓展延伸
与传统农业种植方式，农作物产量和质量上有哪些明显的优势？
产量方面的优势：精准环境控制，智能农植园能够精准控制温度，为农作物提供适宜的生长环境。利用光照传感器和补光设备，保证农作物有足够的光照时间和强度。通过湿度传感器和二氧化碳传感器，可以调节空气湿度和二氧化碳浓度。精准灌溉和施肥灌溉精准度采用智能灌溉系统，根据土壤湿度传感器的数据进行精准灌溉。
05
拓展延伸
与传统农业种植方式，农作物产量和质量上有哪些明显的优势？
质量方面的优势：外观品质由于智能农植园能够为农作物提供稳定、适宜的生长环境，果实大小和形状更加均匀。例如，智能温室里种植的樱桃番茄，每颗果实大小相近，色泽鲜艳，而传统种植可能会因为环境因素的波动导致果实大小参差不齐。内在品质智能农植园可以优化农作物生长环境，提高其营养成分含量。
06
课堂总结
1
引入新知内容
跨学科活动：智能农植园
2
学习需求分析
3
进行分工合作、规划实施
4
交流评价
5
进行相关知识拓展
1
2
3
4
5
6
完成小结与评价
07
板书设计
跨学科活动：智能农植园
1.进行新知引入
2.学习新知讲解
3.进行知识拓展
4.完成小结与评价
08
课后作业
01
设计一个家庭智能农植园的创意方案。
08
课后作业
02
讨论智能农植园对当地农业生态环境的影响。
https://www.21cnjy.com/recruitment/home/fine
