在過去，我國農(nóng)業(yè)自動(dòng)化程度較低，與發(fā)達(dá)國家存在著較顯著的差距?，F(xiàn)如今，隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步，農(nóng)業(yè)自動(dòng)化水平日漸提高，越來越多的傳感器、顯示屏等電子設(shè)備被應(yīng)用在農(nóng)業(yè)中，隨時(shí)隨地監(jiān)測農(nóng)作物的生長，以便在環(huán)境不佳時(shí)進(jìn)行改善。

在這節(jié)課上，讓我們結(jié)合DFRobot Python學(xué)習(xí)利器-行空板，一起來設(shè)計(jì)一個(gè)智慧農(nóng)業(yè)可視化系統(tǒng)，模擬一下現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中對(duì)于莊稼生長環(huán)境的監(jiān)測與改善吧！

任務(wù)目標(biāo)

將通過土壤濕度傳感器檢測到的土壤濕度值顯示在屏幕上，同時(shí)，設(shè)置自動(dòng)和手動(dòng)兩個(gè)模式，在自動(dòng)模式下，當(dāng)檢測到的土壤濕度值過低時(shí)，通過外接繼電器和水泵自動(dòng)澆水，同時(shí)行空板屏幕上出現(xiàn)澆水的圖示；在手動(dòng)模式下，可通過點(diǎn)擊屏幕上按鈕的方式進(jìn)行澆水和關(guān)水。點(diǎn)擊“切換模式”按鈕可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)與自動(dòng)兩個(gè)模式的變換。

知識(shí)點(diǎn)

1、認(rèn)識(shí)土壤濕度傳感器、繼電器、水泵

2、學(xué)習(xí)使用unihiker庫顯示按鈕的方法

3、學(xué)習(xí)使用Pinpong庫使土壤濕度傳感器檢測數(shù)據(jù)的方法

4、學(xué)習(xí)使用Pinpong庫控制繼電器的方法

5、學(xué)習(xí)使用繼電器控制水泵澆水的方法

材料清單

硬件清單：

軟件使用：Mind+編程軟件x1

其他： 1、帶植物的花盆 x1

2、盛有水的燒杯 x1

3、十字/一字兩用螺絲刀 x1

知識(shí)儲(chǔ)備

1、土壤濕度傳感器

這是一個(gè)簡易的水分傳感器，可用于檢測土壤的水分。當(dāng)土壤缺水時(shí)，傳感器輸出值將減小，反之將增大。傳感器表面做了鍍金處理，可以延長它的使用壽命。

土壤濕度傳感器在使用時(shí)需要將兩金屬條充分插入土壤中，并等待數(shù)秒直至數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，通過顯示屏模塊或軟件可以讀取土壤濕度對(duì)應(yīng)的數(shù)值。

Tip1：不同土壤介質(zhì)的測量值會(huì)存在差異。土壤中的水分存在分布不均的情況，數(shù)據(jù)僅能代表局部濕度。Tip2：傳感器頂部的塑料部分不防水，請(qǐng)勿將傳感器整個(gè)埋入土中。

2、繼電器

繼電器是一種用小電流去控制大電流運(yùn)作的具有隔離功能的自動(dòng)開關(guān)元件。

雖然行空板的供電電壓5V大于水泵的最小工作電壓4.5V，但是實(shí)際驅(qū)動(dòng)起來運(yùn)行會(huì)很不穩(wěn)定。這里，我們借助繼電器模塊，外接電源來驅(qū)動(dòng)水泵工作。

3、水泵

水泵是輸送液體或使液體增壓的機(jī)械。可放置水中直接使用，4.5~12V寬電壓供電范圍。可用來為植物澆水，甚至為魚缸換水。

4、unihiker庫GUI類add_button()方法顯示按鈕

GUI類中的add_button()方法可以實(shí)現(xiàn)在行空板屏幕上顯示一個(gè)按鈕控件，在編程時(shí)，通過“對(duì)象.方法名()”的形式來實(shí)現(xiàn)功能，同時(shí)，此方法會(huì)返回一個(gè)控件對(duì)象，使用變量存儲(chǔ)起來方便后續(xù)進(jìn)行對(duì)象更新操作。

from unihiker import GUI # 導(dǎo)入unihiker庫GUI模塊

gui = GUI() # 實(shí)例化gui對(duì)象

# 定義按鈕被點(diǎn)擊后的功能

def click_A(): # 定義點(diǎn)擊按鈕A時(shí)的操作--切換圖片

img.config(w=240, h=320, image='img/澆水1.png')

button_A = gui.add_button(x=50, y=260, w=70, h=40, text="澆水", onclick=click_A ,state='disabled')

其中，參數(shù)x和y分別表示按鈕的橫縱坐標(biāo)位置，w和h表示按鈕的寬度和高度，text指的是按鈕上顯示的文字，onclick表示按鈕被點(diǎn)擊后所觸發(fā)的功能，這里，我們需要先將功能以回調(diào)函數(shù)的形式設(shè)定好，state表示的是按鈕的狀態(tài)，按鈕有兩種狀態(tài)，normal表示正?？杀稽c(diǎn)擊的狀態(tài)，disabled表示不可被點(diǎn)擊狀態(tài)，此時(shí)按鈕顯示灰色。

5、Pinpong庫Pin類write_digital()方法實(shí)現(xiàn)數(shù)字輸出

Pinpong庫中Pin類的write_digital()方法可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字輸出，在使用前，我們需要先導(dǎo)入Pinpong庫，初始化行空板，實(shí)例化Pin類來創(chuàng)建一個(gè)引腳對(duì)象。

from pinpong.board import Board, Pin # 導(dǎo)入pinpong庫下的Board, Pin模塊

Board().begin() # 初始化，選擇板型和端口號(hào)，不輸入則進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別

relay = Pin(Pin.P23, Pin.OUT) # 初始化23引腳為數(shù)字輸出模式

relay.write_digital(1) # 控制繼電器引腳為高電平，打開繼電器

其中，Pin與Board 類似，都是pinpong.board包下的模塊。“Pin.P23”指的是板子上繼電器所在的23號(hào)引腳，“(Pin.P23, Pin.OUT)”是在定義P23引腳為數(shù)字輸出模式，之后將它傳入Pin類中進(jìn)行實(shí)例化，得到一個(gè)引腳對(duì)象并存入變量relay中。最后通過write_digital()方法給引腳輸出指定的電平，“1”為高電平，“0”為低電平。

6、Pinpong庫Pin類read_analog()方法讀取模擬量

Pinpong庫中Pin類中的read_analog()方法可以讀取模擬量。在使用前，我們需要先導(dǎo)入Pinpong庫，初始化行空板，實(shí)例化Pin類來創(chuàng)建一個(gè)引腳對(duì)象。

from pinpong.board import Board, Pin # 導(dǎo)入pinpong庫下的Board, Pin模塊

Board().begin() # 初始化，選擇板型和端口號(hào)，不輸入則進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別

adc0 = Pin(Pin.P21, Pin.ANALOG) # 初始化21引腳為模擬輸入模式

Soil_moisture_value = adc0.read_analog() # 讀取模擬值

其中，Pin與Board 類似，都是pinpong.board包下的模塊?！癙in.P21”指的是板子上土壤濕度傳感器所在的21號(hào)引腳，“(Pin.P21, Pin.ANALOG)”是在設(shè)置P21引腳為模擬輸入模式，之后將它傳入Pin類中進(jìn)行實(shí)例化，得到一個(gè)引腳對(duì)象并存入變量adc0中。最后通過read_analog()方法檢測讀取模擬值并將其存儲(chǔ)到變量Soil_moisture_value中。

Tips：行空板上的各個(gè)引腳并不是支持所有的模式，具體情況可參考下表。

動(dòng)手實(shí)踐

任務(wù)描述1：顯示固定濕度值

在屏幕上添加一張智慧農(nóng)業(yè)背景圖，并顯示一個(gè)設(shè)定的初始濕度值50，同時(shí)添加兩個(gè)按鈕，實(shí)現(xiàn)按下澆水按鈕后，切換澆水背景圖，按下關(guān)水按鈕后，切換回原始背景圖，來模擬真實(shí)的按鈕控制澆水的功能。

1、硬件搭建

通過USB連接線將行空板連接到計(jì)算機(jī)

2、程序編寫

STEP1：創(chuàng)建與保存項(xiàng)目文件

啟動(dòng)Mind+,另存項(xiàng)目并命名為“008、智慧農(nóng)業(yè)可視化系統(tǒng)”。

STEP2：創(chuàng)建與保存Python文件

創(chuàng)建一個(gè)Python程序文件“main1.py”，雙擊打開。

STEP3：導(dǎo)入圖片文件夾

在項(xiàng)目文件夾中導(dǎo)入背景圖文件夾。（圖片文件夾與程序文件同在項(xiàng)目文件夾中，下載鏈接見附錄1）

STEP4：程序編寫

(1) 導(dǎo)入所需功能庫

在這個(gè)任務(wù)中，我們需要使用unihiker庫中的GUI模塊來在屏幕上顯示文字，因此，我們首先需要導(dǎo)入它，同時(shí)，由于后續(xù)在程序運(yùn)行中時(shí)需要設(shè)置一定的延時(shí)，因此，我們還需導(dǎo)入time時(shí)間庫。

(2) 實(shí)例化GUI類并顯示初始背景圖

在使用unihiker庫中的GUI模塊前，我們需要先實(shí)例化GUI類，來創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象，以便使用該類中的各種方法。

之后，我們?cè)谄聊簧巷@示一張初始的背景圖。

(3) 定義按鈕被點(diǎn)擊后的功能

由于后續(xù)我們將在屏幕上添加兩個(gè)按鈕，通過點(diǎn)擊來觸發(fā)澆水和關(guān)水的功能，因此，在這里，我們先定義兩個(gè)函數(shù)，在“click_A()”中設(shè)定切換澆水圖的功能，在“click_B()”中設(shè)定切換關(guān)水圖的功能，以便在后續(xù)調(diào)用。

(4) 定義按鈕顯示參數(shù)

接著，我們可以在行空板的屏幕上顯示兩個(gè)表示“澆水”和“關(guān)水”的按鈕，并設(shè)置按鈕被點(diǎn)擊后觸發(fā)的功能。

(5) 顯示土壤濕度值

之后，我們?cè)谄聊簧侠L制兩個(gè)填充矩形并顯示文字“濕度值”以及給定的土壤濕度值“50”。

(6) 顯示表情

最后，為了能夠保持屏幕內(nèi)容的長久顯示，我們使程序處于運(yùn)行狀態(tài)。

Tips：完整示例程序如下：

3、程序運(yùn)行

STEP1：遠(yuǎn)程連接行空板并運(yùn)行

STEP2：觀察效果

觀察行空板，可以看到在智慧農(nóng)業(yè)的背景圖上，顯示著固定的土壤濕度值50，同時(shí)下方有兩個(gè)按鈕。點(diǎn)擊澆水按鈕后，會(huì)有一個(gè)灑水無人機(jī)出現(xiàn)，模擬實(shí)際的澆水場景，點(diǎn)擊關(guān)水按鈕后，無人機(jī)消失，停止?jié)菜?/p>

任務(wù)描述2：實(shí)時(shí)檢測濕度值并添加模式切換

通過外接土壤濕度傳感器來實(shí)時(shí)檢測濕度值并顯示，同時(shí)，設(shè)置自動(dòng)和手動(dòng)兩個(gè)模式，在自動(dòng)模式下，當(dāng)檢測到的土壤濕度值過低時(shí)，通過外接繼電器和水泵來自動(dòng)澆水；在手動(dòng)模式下，可通過點(diǎn)擊屏幕上按鈕的方式進(jìn)行澆水；模式之間也可手動(dòng)切換。

1、硬件搭建

STEP1：將土壤濕度傳感器接入行空板的P21引腳，繼電器接入行空板的P23引腳

STEP2：利用螺絲刀將水泵正負(fù)線與轉(zhuǎn)接頭連接起來，步驟與成型圖如下，

（1）松掉轉(zhuǎn)接頭螺絲

（2）將線插入，注意正負(fù)（棕/紅—正；藍(lán)/黑—負(fù)）

（3）擰緊螺絲

STEP3：利用繼電器將12V電源開關(guān)與水泵的轉(zhuǎn)接頭連接起來

STEP4：將繼電器開關(guān)撥至NO端

Tips：繼電器上有一個(gè)開關(guān)，NO 為斷開，表示默認(rèn)繼電器狀態(tài)為斷開，需要程序?qū)懭胍粋€(gè)高電平，控制其閉合；NC 為閉合，表示默認(rèn)繼電器狀態(tài)為閉合，需要程序?qū)懭胍粋€(gè)低電平，控制其斷開。這里，我們?cè)O(shè)定默認(rèn)狀態(tài)為斷開。

STEP5：將水泵固定在滿水的燒杯中

Tips：水泵不能空轉(zhuǎn)，必須將黑色水泵頭沉入水中，否則可能會(huì)燒毀硬件。

STEP6：將水管和土壤濕度傳感器插入花盆中

2、程序編寫

STEP1：創(chuàng)建與保存項(xiàng)目文件

新建一個(gè)Python程序文件“main2.py”，雙擊打開。

Step2：程序編寫

（1）導(dǎo)入Pinpong庫并初始化板子和引腳

這里，我們需要使用外接的土壤濕度傳感器和繼電器，因此，我們需要補(bǔ)充導(dǎo)入Pinpong庫中的Board、Pin兩個(gè)模塊，并初始化行空板和引腳。

（2）更新按鈕點(diǎn)擊后的功能

接下來，我們?cè)诙x的按鈕A、B的回調(diào)函數(shù)中，補(bǔ)充繼電器的輸出，以便在澆水按鈕被點(diǎn)擊后，繼電器輸出高電平實(shí)現(xiàn)澆水，而關(guān)水按鈕被點(diǎn)擊后，繼電器輸出低電平停止?jié)菜?/p>

（3）定義模式切換按鈕功能

由于我們將在屏幕上添加一個(gè)按鈕以進(jìn)行模式的切換，因此，我們先定義一個(gè)該按鈕的回調(diào)函數(shù)。

這里，我們先定義一個(gè)自動(dòng)模式的標(biāo)志位，并用1和0表示其開關(guān)。之后，在回調(diào)函數(shù)中，我們對(duì)原來的模式進(jìn)行判別，如果原來為手動(dòng)模式，那么“切換模式”按鈕被點(diǎn)擊后模式就更新為自動(dòng)，此時(shí)A、B按鈕的狀態(tài)更新為不可被點(diǎn)擊，標(biāo)志位變?yōu)?。反正，原來為自動(dòng)模式，點(diǎn)擊“切換模式”按鈕后，模式更新為手動(dòng)，A、B按鈕恢復(fù)正常，標(biāo)志位變?yōu)?。

（4）顯示填充矩形和文字

接著，我們?cè)谄聊簧显亠@示兩個(gè)填充矩形和文字，用以表示當(dāng)前的模式。

（5）定義按鈕顯示參數(shù)

之后，我們?cè)O(shè)定初始時(shí)為自動(dòng)模式，因此我們需要調(diào)整A、B按鈕處于不可被點(diǎn)擊的狀態(tài)，同時(shí)，我們?cè)僭谄聊簧咸砑右粋€(gè)“切換模式”按鈕用于進(jìn)行自動(dòng)和手動(dòng)兩個(gè)模式的切換。

（6）定義自動(dòng)澆水功能函數(shù)

在自動(dòng)模式下，我們需要設(shè)置自動(dòng)澆水的功能，因此在這里，我們定義一個(gè)函數(shù)，在其中設(shè)定一個(gè)閾值并對(duì)土壤濕度值進(jìn)行判別，當(dāng)濕度值小于設(shè)定的閾值時(shí)，澆水3秒。

（7）使用傳感器檢測土壤濕度

最后，我們?cè)O(shè)定每隔一秒通過土壤濕度傳感器檢測數(shù)據(jù)，并且在自動(dòng)模式下進(jìn)行自動(dòng)澆水。

Tips：完整示例程序如下：

3、程序運(yùn)行

STEP1：將12V電源開關(guān)插上220V電源插座

STEP2：遠(yuǎn)程連接行空板并運(yùn)行程序觀察效果

點(diǎn)擊運(yùn)行后，觀察行空板，可以看到初始時(shí)模式為自動(dòng)，此時(shí)澆水和關(guān)水兩個(gè)按鈕為灰色，不可被點(diǎn)擊，檢測到的土壤濕度值為1967左右，小于我們?cè)O(shè)定的閾值2120，之后水泵開始自動(dòng)抽水至花盆中，很快濕度值升高，達(dá)到2123，此時(shí)水泵停止抽水。

點(diǎn)擊“切換模式”按鈕后，當(dāng)前的模式變?yōu)槭謩?dòng)，按鈕變回正常狀態(tài)，此時(shí)，點(diǎn)擊“澆水”按鈕，水泵同樣開始工作，點(diǎn)擊“關(guān)水”按鈕后，水泵就停了下來。

Tips：程序中的閾值“2120”是我們依據(jù)實(shí)驗(yàn)情況設(shè)定的植物缺水時(shí)的臨界值，不同的植物對(duì)水的需求量耐熱度不同。水量不足時(shí)需在燒杯中補(bǔ)水。

挑戰(zhàn)自我

想一想，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)，你覺得還有什么需要進(jìn)一步優(yōu)化的嗎，自己試一試吧！或者給我們留言！

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審核編輯：符乾江