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案例十六：智能土壤湿度装置

简介​

利用Jacdac土壤湿度传感器实时检测土壤含水量。通过Jacdac LED灯环的颜色和亮度直观表示土壤湿度状态：红灯高亮（100%）=土壤干燥急需浇水（湿度<20）；蓝灯中亮（80%）=土壤偏干（湿度20 ~ 50）；绿灯低亮（60%）=土壤湿润适宜（湿度50 ~ 70）；灯灭=土壤过湿（湿度>70）。一个简单的三色指示器，让浇水不再靠猜。

案例目的​

  1. 理解多阈值分级判断（if-elif-elif-else）——根据数值落入的不同区间执行不同动作。
  2. 学习LED颜色编码——用红/蓝/绿三色直观传递"干/中/湿"信息。
  3. 了解精准灌溉在现代农业中的节水意义。

所需材料​

项目图片数量
micro:bit V21
Jacdac扩展板1
Jacdac 25cm连接线2
Jacdac 土壤湿度传感器1
Jacdac LED灯环1
USB数据线1

传感器原理说明​

土壤湿度传感器​

Jacdac土壤湿度传感器通过测量土壤的介电常数来推算含水量。水分子是极性分子，含水量越高，土壤的介电常数越大。传感器将这一物理量转化为模拟数值输出。

湿度范围土壤状态LED指示建议
0~20%干燥红灯 亮度100%急需浇水！
20~50%偏干蓝灯 亮度80%可以适当浇水
50~70%湿润绿灯 亮度60%湿度适宜，无需浇水
70+%过湿灯灭停止浇水，防止烂根

大多数植物的根系适宜含水量在50%~70%之间。低于20%开始缺水胁迫，高于80%则根系缺氧、可能烂根。精确控制土壤湿度是农业灌溉中最关键的环节。

搭建步骤​

模型原理说明​

土壤湿度传感器——植物的"口渴计"​

传统种植中，人们用手指插入土壤判断干湿——粗糙且不精确。土壤湿度传感器相当于植物的"电子口渴计"：

传统方法传感器方法
手指试探，主观判断精确数值，客观量化
每天只能检查几次24小时持续监测
只能判断表层可测量根系深度湿度
无法记录历史可连接物联网长期追踪

本案例将传感器读数转化为三色LED直观显示——红灯停（缺水）、绿灯行（适宜）、蓝灯提醒（偏干需要关注）——就像交通信号灯一样简单易懂。

连接示意图​

如下图所示，将micro:bit主板插入Jacdac扩展板，用连接线将土壤湿度传感器和LED灯环连接在Jacdac扩展板金手指接口上。

连接示意图

编程软件​

微软 MakeCode

MakeCode 编程​

步骤1：如何添加 Jacdac 扩展​

  1. 进入微软 MakeCode，点击 "新建项目"。

    新建项目

  2. 在弹出窗口输入项目名称并点击 "创建"。

    创建项目

  3. 点击代码抽屉中的 "扩展"。

    扩展

  4. 在弹出界面输入 "Jacdac" 并点击搜索图标，选择 Jacdac 软件库，如图所示。

    搜索Jacdac

步骤2：连接硬件​

  1. 用数据线将micro:bit主板连接到计算机。

    注意： 若micro:bit主板初次运行Jacdac程序，请先预装一个空白Jacdac程序至主板，否则跳过此步骤。

    连接micro:bit

  2. 连接传感器，MakeCode自动识别并仿真呈现，在仿真区内传感器实时反馈传感器状态。

    传感器仿真

  3. 点击 "ADD BLOCKS" 传感器扩展模块。

    注意： 连接新的传感器，重复执行一次"点击'ADD BLOCKS'传感器扩展模块"操作流程。

    ADD BLOCKS

如图所示编写程序​

程序截图

参考程序链接​

https://makecode.microbit.org/_0JXiAC5rCeYd

你也可以通过以下网页直接下载程序，下载完成后即可开始运行程序。

结果​

将土壤湿度传感器的探头插入干燥土壤中，LED灯环亮红色（亮度100%）——"缺水！需要浇水"。缓慢向土壤中加水，湿度值逐渐上升，LED从红色变为蓝色（亮度80%）——"土壤正在吸水"。继续加水至适宜湿度，LED变为绿色（亮度60%）——"湿度正好"。如果加水过多，LED熄灭——"太湿了，停止浇水！"。整个过程不需要看任何数字，光凭LED颜色就能判断土壤状态。

思考​

  1. 除了LED灯环颜色，还可以用什么方式来表示土壤湿度？（提示：声音、micro:bit 5×5 LED矩阵显示表情）
  2. 如果要把这个装置变成真正的"自动浇水系统"，还需要增加什么执行器？

程序逻辑说明​

触发条件动作来源
土壤湿度 < 20（干燥）LED灯环亮红色，亮度100%——急需浇水警告Jacdac 土壤湿度传感器
土壤湿度 20~50（偏干）LED灯环亮蓝色，亮度80%——偏干，可适当浇水Jacdac 土壤湿度传感器
土壤湿度 50~70（适宜）LED灯环亮绿色，亮度60%——湿度适宜Jacdac 土壤湿度传感器
土壤湿度 > 70（过湿）LED灯环熄灭——过湿警告，停止浇水Jacdac 土壤湿度传感器

知识拓展：从"手摸"到"电子感知"——精准灌溉革命​

一、全球水危机与农业用水​

农业是全球最大的淡水消耗者，占人类淡水取用量的约70%。然而，传统灌溉方式中约有50%~60%的水因蒸发、渗漏和径流而浪费，从未真正到达植物根部。

灌溉方式水利用效率适用场景
大水漫灌30%~40%传统农业
喷灌60%~70%大面积农田
滴灌90%~95%温室、果园、高价值作物
传感器精准灌溉95%+智能温室、垂直农场

全球农业用水占淡水取用量的约70%，推广传感器精准灌溉每年可节水数百亿立方米。

二、if-elif-else——多级分类的编程范型​

本案例的四级湿度判断（if-elif-elif-else）是多级分类思维的编程体现：

if 湿度 < 20: 红灯 → 干燥
elif 湿度 < 50:  蓝灯 → 偏干
elif 湿度 < 70:  绿灯 → 适宜
else:  灭灯 → 过湿

这一结构在生活中有无数应用：

应用场景分类依据多级输出
成绩等级分数90+优秀/80+良好/60+及格/<60不及格
天气预报温度高温红色/橙色/黄色预警
空气质量AQI指数优/良/轻度/中度/重度/严重污染
手机电量百分比100%绿色/20%黄色/10%红色闪烁

三、土壤湿度——不只是浇水那么简单​

植物根系需要空气和水分的微妙平衡。土壤过干，根系无法吸收水分和养分；土壤过湿，根系缺氧导致烂根。不同植物对土壤湿度的需求完全不同：

植物类型适宜湿度范围浇水频率
仙人掌/多肉20%~40%每周一次或更少
番茄/辣椒50%~70%每1~2天
水稻80%~100%（淹水）持续淹水
兰花40%~60%（透气）每3~5天

思考： 土壤湿度传感器返回的数值（0~100或0~255）并不是真实的土壤含水百分比，而是传感器输出的相对值。在真实应用中，需要通过"烘干称重法"等标准方法进行标定，才能将传感器读数转化为准确的土壤含水量百分比。标定，是所有传感器工程中不可或缺的关键步骤。