实验题目：Arduino 创意设计——智能植物培育体

1. 课程简要信息

课程名称：电工电子开放实验
课程学时： 32 学时
项目学时：（课内 8学时、课外24 学时）
适用专业：机械、能动等非电类工科专业
学生年级：大二、大三年级

2. 实验内容与任务（限 500 字，可与“实验过程及要求”合并）

实验内容：基于多种传感器技术，以单片机为核心，结合自主创意思维设计可以实现植物生长环境实时监测与自动调控的智能培育体系统。

1）学习科学家精神，在实验中勇于探索，用知识改变未来，以科技富强祖国；

2）根据植物生长环境及应用背景，融合专业技术背景设计系统整体功能框架；

3） 选择合适的传感器、单片机及其他元器件进行参数的检测、系统的控制与其他功能实现；

4） 初级任务：

a.根据所选传感器设计硬件电路，结合软件编程实现对植物生长环境的监测与自动调控b.对植物的生长环境参数与生长状态进行合理的显示与说明；

5）进阶任务：a.物联网技术的应用，实现系统的远程智能化监测与调控；

6）通过软、硬件设计及调试后，设计合理的外壳封装结构；

7）撰写项目设计报告并进行答辩、点评。

3. 实验过程及要求（限 300 字）

1）初步构思：基于实验题目查阅资料，了解植物生长环境及应用背景，初步构思系统基本功能
并设计方案框架；
2） 方案确定：根据初步设计的系统方案框架进行讨论交流确定最终方案及后续规划；
3） 编程训练：熟悉 Arduino 及 Arduino IDE 开发环境，进行程序编写应用训练；
4） 器件选型：复习数字、模拟电路设计知识，根据系统功能自主选择实验元器件；
5） 电路设计：设计硬件电路并通过仿真、搭建与调试实现植物生长环境检测功能和给水功能；
6） 程序设计：通过检测电路建立数据库，数学建模与软件编程配合实现对于植物生长环境的预
判与控制，结合物联网技术设计 APP 实现系统的远程应用；
7） 系统联调：软、硬件结合整体调试，通过数据测试与总结，对系统的性能进行评估分析；
8） 外观设计与封装；
9） 总结、答辩与验收。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

1）知识储备及实践技能

学生需要具有数字电路和模拟电路的设计基础、基础编程能力、数学建模概念、智能传感器系统设计基础以及物联网概念，具备焊接电路板的基础技能和装配控制装置的工程技能，能

够熟练使用各种检测仪表。

2） 背景

以“生活应用”、“节能减排”及“绿色环保”为背景，融合实验设计知识、生活应用问题、工程实际问题与多学科专业技术于一体。

5. 实验环境条件

1）单片机最小系统板及软件开发平台；

2） 多种传感器、舵机、电阻、电容、面包板、显示屏、杜邦线等元器件；

3）直流稳压电源、函数信号发生器、万用表等测试测量仪器及焊接设备；

4） Multisim、MATLAB 仿真软件，Inventor Autodesk 三维机械设计软件；

5） Blinker 物联网平台、ESP8266 及智能手机；

6）3D打印或激光切割装配。

6. 教学目标与目的（限 150 字）

1）知识技能目标

了解现代测量技术、传感器技术及物联网技术；
学会软、硬件结合自主设计、调试、分析、总结、改进系统；
能够统筹考虑系统功能与外观结构并完成封装；
掌握设计报告撰写技能及答辩技能。

2）素质目标

学以致用，多学科交叉融合解决生活应用与工程实际问题；
系统训练，全方位建立工程思维与项目设计意识；
自主学习，多角度激发学生创意创新拓展与个性化发展；
层层递进，多层次推动实践教学从实验走向设计，从设计走向比赛。

3）思政目标

寓教于学、寓学于用，树立学生科技强国意识；
坚持不懈、努力奋斗，培养学生勇于探索的科研精神。

7. 教学设计与实施进程

实验的过程是完整的工程实践过程，需要经历资料查阅、方案论证、系统设计、仿真测试、器件采购、算法设计、系统联调、性能测试、焊接组装、总结答辩等全过程。以学生为主体，教师为引导，重点关注学生工程设计意识、创意创新思维、学科交叉理念、分析与解决问题能力的培养。

教学设计可分为教学引导、交流讨论、总结与答辩展示四个部分：

1）教学引导：渗透工程设计概念于实验教学过程，引导学生形成坚持不懈、积极探索的科研精神和科技强国的意识。将生活实际、工程应用、专业背景与实验设计知识相结合进行创意设计，课堂教学与线上平台结合进行设计资源、方法的共享与学习。

2）交流讨论：实验过程分为开题、中期、终期三个阶段，每个阶段进行有计划的小组讨论、组外交流及师生研讨，培养学生分析解决问题的能力和团队协作能力；

3）总结：指导学生对实验过程的记录与总结分析，形成可具借鉴性的毕业论文形式的设计报告；

4）答辩展示：制作 PPT 进行答辩与展示，开展自评与互评，培养学生自主表达能力及客观评判分析能力。根据教学设计进行的具体实施进程如表1所示。

表 1 教学实施进程

8. 实验原理及方案

（1）基本原理

选择 Arduino 作为主要控制芯片，结合多种传感器技术对植物生长环境参数进行采集与处理，建立数据库并通过数学建模得出湿度变化规律的函数关系，配合软件编程实现对植物生长环境的监测和预判。

设计磁力控制的“电—水—土”分离式渗透给水结构，基于舵机进行给水控制电路的设计，以 Arduino 作为主控平台结合预判算法控制舵机旋转角度实现植物生长环境自主调控。应用物联网技术结合 Blinker 平台与 ESP8266 完成数据的远程传输，设计用户端 APP 实现系统远程智能调控。

（2）实现方案

系统实现方案主要包括数据采集与处理、算法设计、系统控制和远程智能设计四个模块。

1） 数据采集与处理

综合比较选用了 Arduino Moisture Sensor 电容感应式土壤湿度传感器和 DHT11 温湿度传感器，具体的电路设计原理图如图 1所示，将土壤湿度及室内温湿度信号转换成电信号并通过 A/D转换后供Arduino 进行算法设计及控制应用。

图 1 数据采集电路设计原理

2） 算法设计

利用前端传感器通过多次采样建立植物生长环境数据库，利用 MATLAB 软件进行数据拟合，得到湿度与植物生长环境的函数关系曲线，将湿度值与生长环境变化一一对应。通过建模获取的土壤湿度函数关系式为：

$$ \begin{array} { r } { s = ( 1 - \frac { g - 3 1 0 } { 7 5 0 - 3 1 0 } ) \times 1 0 0 } \end{array} $$

根据建模得出的函数关系设计阈值实现对植物生长环境的预判。不同类型植物对湿度有不同的要求，依据表2设计多种阈值类型，为不同类型的植物提供“定制化”的浇水养护服务。

表 2 阈值调整类型设计表

设计程序结合算法预判进一步完成系统的控制功能，具体的程序流程如图 2所示。

3） 系统控制

系统采用渗透式给水原理设计了“水-电-土”分离的给水结构，如图 3 所示，采用 InventorAutodesk 软件进行了机械结构设计，创新性地用磁与机械结构结合的方式淘汰了传统水泵，通过对舵机的控制带动弹簧控制磁铁使阀体上下移动实现给水控制，舵机旋转45 度，松开尼龙细线带动弹簧控制磁铁使，开始给水；舵机回转45度，停止给水。

图 2 程序设计流程
图 3 “水-电-土”分离的给水结构

舵机的控制信号为 PWM 波信号，由 Arduino 根据信号的变化调制产生，通过程序设计完成PWM波脉宽的调制，实现对舵机转动角度的控制，其对应关系如图 4所示。

图 4 舵机输出转角与PWM 波脉宽的关系

4） 远程智能设计

应用物联网技术，基于 Blinker 平台和 ESP8266 完成数据的远程传输并设计用户端 APP 实现植物状态监测、参数反馈调整和工作模式设置等远程智能应用，用户端APP界面如图5所示。

图 5 用户端手机 APP 面

（3）系统测试与分析

系统测试主要体现在植物生长环境调节性能与系统能耗两个方面。使用约 $5 0 0 \mathrm { g }$ 普通土壤对系统的植物生长环境调节性能进行数据测试，以5s为采样间隔，监测普通系统与实验设计系统的生长环境，测试曲线图如图 6所示，实验设计的系统可以实现更加优质的智能植物培养。

图 6 植物生长环境调节性能测试曲线

系统能耗测试数据如表 3 所示，在休眠模式下系统待机天数长达 129.5 天，具有低能耗、长待机的优点。

表 3 系统能耗测试数据

9. 实验报告要求

实验报告要求按照论文格式提交，并符合以下要求：

1） 摘要凝练全文内容，将研究内容、结果以精炼、清晰、逻辑性强且具有吸引力的语句呈现；
2） 绪论充分的前期调研确定项目设计的背景及意义并对项目设计内容做出安排；
3） 设计方案设计方案中包括总体设计思路、硬件设计、软件设计、系统调试和外观设计等小节，由整体到局部地详细介绍设计过程，在每个小节中需要添加相应的设计框图、电路原理图、软件设计流程图、测试数据与分析及外观设计实物图。
4） 总结报告的总结部分包括项目总结和设计感受两部分。项目总结中包括系统性能总结与改进计划、项目成本核算、问题归纳与总结；设计感受需要对整个设计过程中所有成员的成长、进步以及感悟等做出总结陈述。
5） 附录在报告的最后需要附上完整的程序代码、设计图纸等内容，以供读者参考学习
6）参考文献

10.考核要求与方法（限 300 字）

考核分为平时成绩、作品性能、总结答辩三个部分。

平时成绩：

1）分数比例：占比 $30 %$
2） 考核节点：整个实验过程
3）考核标准及方法：课内出勤、各阶段报告提交、各阶段交流情况、方案执行进度
作品性能：

1）分数比例：占比 $40 %$

2）考核节点：方案提交和实验验收时

3） 考核标准及方法：

方案考核指标点：根据方案的完整性、可行性、创意性及与学科背景的交叉融合性；实验验收指标点：系统的基础功能、拓展功能、外观设计、应用性及创新性；考核标准：实现基本功能得 30分，融合团队创意得35分，结合学科背景兼具应用与创新得40 分

总结答辩：

1） 分数比例：占比 $30 %$

2）考核节点：答辩环节

3）考核标准及方法：设计报告的规范完整度（10 分）、答辩表现（10分）、学生互评成绩（10分）综合形成

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

1）来源生活应用与工程实际，实验项目工程化项目从生活应用与工程实际背景出发，通过调研、设计、论证、制作、装配到成品应用的全过程，建立工程设计意识。
2） 综合基础知识与专业背景，学科交叉融合化项目从基础知识入手，鼓励学生融合自身专业背景知识于作品设计中，电子设计与机械结构设计交叉融合，碰撞出作品多层次设计的特色。
3）突出学生主体与自主创新，教学过程思政化项目实施过程以学生为主体，全面开发学生创新性思维，引导学生由机械学习转向自主探究，树立科技强国意识，走向独立科研、创新发展的道路。

12. 附件

1） 教学安排

2） 实验现场

3） 实验实物

4） 答辩现场

5） 设计报告节选

论文冠目：基于物联网技术的智能耍上花盆学科专业：信息技术
申请人：柴凯所邱卓高心如朱颜
导收师：原晓精、李瑞程

摘要

伴随着无块网络的普及和物联网技术的发展，智能家屠瑾念有了成为现实的可能；另一方面，随生活水平的提高，养花已经成为了现代上班澳和羊度变通节身心环节压力的主要方式之一，目前，市面上已经出现了一对花盆绪构的歌进和设计。然面，现有产品设有平衡好产品自动化種度与种乐理的关系，用户参与感不强：此外，由于能较离，产品普要插电工作，使用限性较大，本文设计了一款基于物联网的低功耗智能桌面花盆，从产品功耗、工作模式和无拉制三个方面解决目前场

首先，设计了基于础挖制的“电一水一土”分高式渗道始水结构并通过3D打印技术克成花盆的机结构设计及刺作，优化植物生长土环境的同时降低了自动水的；第二，根报用户的不间工作生活习惯设计两种工作模式一—托管模式与辅动模式两种工作模式可通过手机终增实现切换，平衡植物远服自动化培养与用户参与度的周时降低置耗能：第三，采用网络局虫技术实现花盆OLED屏基于快方式的成品示物状态、天气预报及联同对时，实现低功耗的智能小置辅助功轮。

对比市场上普通采用的水给水的方式，该花盆突用自主设计了一种基于控制的道式绘水纳构，单次给水能量以水源式给水的1/16：款件方面，们受用了延时休眼与肠拍唤的设计，将系统的平均运行功耗降低到原来的116；经计算，本产品在一次充电后，理论绩航为129.5天。

随5G时代的来临，智能家履产业链的日益完，智能家属的发展成为了大勇所，配有物联网功能的智能花盆通过利用云平会还可并入现有成熟的智能意系统，使人生活更加便续，具有相当可观的应用前景。

5.2设计感受

本学期创意电子训练我们组共有四名成员，在实践中我们的动手能力、独立思考的能力和解决实际问题的能力都得到了很大的锻炼。下面是我们的心得体会：

（1）团结就是力里。在这次开放训练中，所有的队员都为团队完成训练项目发挥了重要作用·大家都各司其职、各负其责，有的负责编写代码，有的学习并设计了物联网模块，有的负责调试、接线与实物组装，在这个过程中我们遇到了种种问题，有因为久久不能解决问题而心情崩溃，也有找不到错误原因抓耳換腮，最后是团队的集体智慧和团队的创造力帮助我们解决了问题·我们四个人在一次次讨论、调试、搭建系统的过程中渐渐形成了一种默契，是这种协作情神支持着我们坚忍不據、进行到底、做到最好。

(2）纸上得未终觉浅，绝知此事要躬行。自动浇花系统的原理本质上不难，但实际操作过程中会遥到很多意料之外的问题，像电源带不动电机、OLED屏幕乱码、串口识别错误、物联网服务器时好时坏、双机通信极易受干扰等等。

这次开放实验，不仅供我们对ARDUINO理论知识有了更加深入的理解，而且使我了解了实际操作与理论知识之间的差别。另外，我更广泛地了解到了实物搭建中可能出现的问题，对各种知识的应用背景有了新的认识。

（3）要孤住锻炼自己的机会，虚心学习·在完成项目的过程中，我们不仅巩固了理论知识，而且从同学身上学到了很多，像组内同学为了研究清楚物联网模块，在教室学了两整天的毅力：像调试过程中遇到难以解决的问题，但没人放弃的耐心：象最后一次小组讨论时，为了使系统功能实现达到最好，一直调试到凌晨的坚持..就象老师在最后结课普瓣时所说的一样，在还能有人讨论、指导、答疑时，抓住时机、积极参加这种锻炼能力的项目是十分有意义的。