桌面植物景观实验观察装置

陈杰

教学背景

水培植物是怎么生长的？不同色光对植物生长有什么影响？为了帮助学校生物科技社团智能化观察水培植物的生长，我们利用激光切割、传感器等软硬件技术，创意设计了一款桌面植物景观实验观察装置。它既具备植物水培的功能，又能作为植物景观摆放在桌面上，微型又智能，为学生实验观察带来了便利。

教学重点与难点

教学重点 用哈士奇视觉传感器感知植物生长的创新应用;使用LaserMaker绘制结构图，利用多种材料为系统制作结构件。

教学难点 哈士奇视觉传感器感知植物生长的创新应用。

教学准备

1.软件平台

Mind+软件（编程）、 LaserMaker软件（建模）、Photoshop软件（绘图）。

2.硬件材料

Arduino UNO板、IO传感器扩展板V7.1、DHT11温湿度传感器、哈士奇视觉传感器、模拟角度传感器、RGB LED灯带、130直流电机风扇、蠕动泵、7.4V锂电池及充电器各1个，3mm椴木板、亚克力板（300×200）各6个，铜柱20个，M3螺丝、螺母各10个。

教学过程

一、情境导入

教师讲解任务情境：学校生物科技社团需要对水培植物的生长进行观察实验，请你帮忙为其设计一个实验观察装置，该装置同时也可作为桌面景观，并满足以下需求。

智能水培：通过微环境控制系统，采用水培方式，模拟植物生长所需要的阳光、空气、水和养分等自然环境，使种植不受天气和环境的影响。

分类模式：该微控制系统可设定三种模式——加速模式、景观模式、休息模式。

智能感知：该系统带有生长感知功能，可以拍摄记录植物生长过程的照片。

学生分析项目需求，进行系统设计。

设计意图：学生通过对实际问题的需求分析，对系统进行设计。

二、头脑风暴

1.系统功能

教师组织学生以小组为单位，针对上述需求的功能设计开展讨论，从而得到一个较为完善的系统功能：智能水培、分类模式、空气流通、感知生长。

学生针对讨论结果记录下完整的设计内容，并形成文档。桌面植物景观系统有三种工作模式：加速模式、景观模式、休息模式。加速模式使用红光加速植物进行光合作用，促进植物生长，同时蠕动泵工作，加快营养液循环，防止植物烂根;景观模式使用彩灯达到一种点缀环境氛围的效果，可作为桌面摆件装饰环境;休息模式使用蓝光，促进植物根茎部发育，防止植物疯长、徒长。

2.所需硬件

师生、生生之间展开交流，针对需要实现的功能选取相关硬件。

3.结构设计

依据所选用硬件及植物尺寸，设计一个无底的盒体结构，合理布局，将相关开源硬件定位，并考虑今后植物生长的宽度和高度。

打开LaserMaker软件，首先以3mm厚的椴木板为原料，使用“快速造盒工具”，生成一个盒体。然后删除盒体底部，并在前后左右四面绘制出窗体，用于安装亚克力板，并绘制螺丝孔位。最后在盒体顶部，绘制主控及相关传感器安装孔位。具体设计如图1。

以3mm亚克力板为原料，绘制如图2所示的矩形（尺寸见模型文件），并定位螺丝孔，与图1的结构件能吻合安装。此部分需要切割两份。

4.电路连线

装置电路连接。两个迷你巡线模块分别接D7、D8口，人体红外传感器接D2口，RGB LED接D10口，继电器接D12口。

三、程序编写

师生讨论：本次程序编写的主要内容包括三种工作模式的调整以及对植物生长的感知，难点在于如何感知植物的生长。而哈士奇视觉传感器并没有能够直接识别植物生长的功能，怎么办呢？

教师启发引导学生可以创新应用哈士奇视觉传感器的物体追踪功能，通过识别方框的宽度和高度来判断植物是否生长。

主程序如图3，模拟角度传感器接A3口读取的数值，我们通过映射函数将变量M的值映射为0—125，然后定义变量M在各模式中所处的数值区间：休息模式0—40，景观模式40—80，加速模式80以上。与之相对应，在主程序中，我们定义了加速模式、景观模式、休息模式三个函数以及感知植物生长的感知函数。

在感知生长函数模块中，我们使用了哈士奇视觉传感器的物体追踪功能，先完成对植物的学习。而当植物生长叶片的宽度和高度超过我们设定的值时，屏幕出现“grow yes”提示，同时拍照记录植物生长过程。

四、组装设备

首先激光切割框架和窗体，如图4;然后拿出顶板，在主控板、哈士奇及模拟角度传感器的安装位置上固定铜柱;在顶板的背面粘贴灯带;拿出温湿度传感器DHT11安装在对应的铜柱上。

在顶板上安装Arduino UNO板、哈士奇及模拟角度传感器，如图5。注意安装主控部分时，先将主控板与对应的支撑铜柱对齐，用螺母固定后，再叠加拓展板。

拿出窗体与框架结构，按照对应的孔位用螺丝固定对应的亚克力板;拿出蠕动泵，按图6方式安装，注意将硅胶管放置在内部。

将框架和窗体结构件进行组装，如图7。本次使用的风扇模块本身无法合理地固定在顶板上。因此，我们使用激光切割加工出三片木板，叠加后与风扇模块固定。再将此部分与顶板内部用502胶水粘贴，从而完成风扇模块的安装。

五、系统测试

给系统通电对其进行测试，通过旋转模拟角度传感器，分别测试对应的加速模式mode：acce、景观模式mode：land、休息模式mode：rest。

当植物叶片长大，其宽度或高度超过我们设定的值时，会触发哈士奇拍照，并在哈士奇屏幕上出现提示信息，如图8。

教学反思

本课例综合运用了激光切割技术、传感器技术、通信技术等，结合生物、数学、信息技术等学科知识，创意设计了桌面植物景观实验观察装置，不仅提升了学生的创新能力，而且培养了学生的实践能力和综合运用学科知识的能力。但该实验装置系统仍存在一些问题亟待改进，比如设计时没有考慮数据线的布局，安装时走线显得凌乱;植物感知生长使用的是本地拍照记录，后续可考虑增加物联网的功能。

（本课件由DF创客社区推荐）