資源簡介

(共15張PPT)
第五課：規劃校園數字氣象站
基于物聯網的氣象數據采集與應用
學習目標
1
理解氣象站作用
認識氣象數據的采集、傳輸、存儲與可視化。掌握物聯網在校園氣象監測中的應用。
2
掌握測量手段
熟悉傳統測量方法。理解數字化測量手段。
3
培養規劃能力
利用物聯網知識，設計校園氣象站示意圖。分析氣象數據采集與反饋控制作用。
導入：
想象：
如果你是設計師，你會給校園數字氣象站設計哪些實用的功能？
聚焦與背景
教材聚焦
"校園數字氣象站可以觀測和記錄校園氣象數據，我們可以根據已有的物聯網知識，嘗試規劃、設計校園數字氣象站。"
背景說明
隨著網絡技術的發展，各種氣象數據可以通過在線平臺輕松獲取。
利用數字化測量手段，我們能更準確地采集、傳輸和分析氣象數據。
做一做：
我們可以瀏覽“國家氣象科學數據中心”網站，查找相關氣象數據，體驗利用在線氣象平臺獲取氣象數據的便捷性。如圖所示，查找某個地方的氣象綜合實況，選擇一個氣象數據如溫度、降水量等，猜猜數據是如何采集、傳輸、可視化的。
寫一寫：
通過在線氣象平臺以及其他網絡途徑查找資料，寫出至少三種氣象數據及其表達的含義、傳統測量手段、數字化測量手段。填寫在教材P32頁表格中。
氣象數據 含義 傳統測量手段 數字化測量手段
降水量 一定時間內，從空中降落到水平面上的雨、雪、冰雹等，假定無滲漏，不流失，也不蒸發，累積起來的水的深度，稱為降水量 漏斗式雨量器、虹吸式雨量計、翻斗式雨量計等 翻斗式雨量傳感器、壓電動能式傳感器




氣象數據與測量手段
氣象數據
傳統測量手段
數字化測量手段
溫度
溫度計
溫度傳感器
降水量
漏斗式雨量器
翻斗式雨量傳感器
濕度
濕度計
濕度傳感器
議一議：
通過網絡查找資料，了解什么是校園數字氣象站，以及它應該具備哪些功能，將查找的內容歸納總結后記錄在P33頁橫線上。
氣象數據采集與處理流程
數據采集
氣象站通過各種傳感器和儀器來采集氣象數據，如溫度、濕度、氣壓、風速、風向、降水量等。這些傳感器將數據轉換為電信號或數字信號，并傳輸給數據采集設備。
數據傳輸
數據采集設備將收集到的數據通過有線 或無線方式傳輸到數據中心或服務器。
數據存儲
接收到的數據被存儲在數據庫或數據文 件中，以便后續處理與分析。
數據處理與分析
對收集到的氣象數據進行清洗、轉 換、歸一化等預處理工作，以便進行后續的數據分析。
校園數字氣象站設計要素
1
應用層
終端設備、云平臺、數據處理與可視化
2
傳輸層
有線/無線通信（Wi-Fi、藍牙、ZigBee）
3
感知層
溫濕度傳感器、雨滴傳感器、氣壓傳感器、風速風向傳感器
我們可以使用主控板充當“服務器端”和“智能終端”，用于連接傳感 器、執行器，作用是放在校園中，采集氣象數據；還可以使用主控板充當“移 動終端”，用于遠程讀取氣象數據和反饋控制。
校園數字氣象站原理圖構成
傳感器與執行器
傳感器獲取多種氣象數據。執行器根據反饋控制執行相應動作。
終端設備
移動終端、計算機終端、智能終端用于顯示氣象數據。
網絡與平臺
物聯網平臺收集、存儲氣象數據。網絡（路由器）提供數據交互。
做一做：
根據已有物聯網的知識以及對校園數字氣象站的認識，補充完整校園數字氣象站原理圖，將序號或文字填寫在對應的空白處。
①傳感器：用于獲取多種氣象數據
②執行器：根據反饋控制執行相應的 動作
③移動終端：用于顯示氣象數據并通 過界面反饋控制
④計算機終端：用于顯示氣象數據以及連接物聯網平臺
⑤智能終端：用于顯示氣象數據
⑥物聯網平臺：用于收集、存儲氣象數據
⑦網絡（路由器）：提供物聯網數據交互
⑧其他：_____________________________



數據采集
反饋控制
設計與討論
分組討論
校園數字氣象站的構思與方案
1
技術選型
傳感器選型、傳輸技術、數據處理方式
2
繪制示意圖
智慧校園數字氣象站的系統示意圖
3
匯報展示
各組匯報設計思路與技術選擇依據
4
校園數字氣象站示意圖設計
傳感器采集
溫度、濕度、氣壓、風速、風向、降水量等數據采集。
數據傳輸
通過Wi-Fi、藍牙等方式傳輸數據。
終端顯示/云平臺
數據在終端顯示，同時存儲在云平臺。
根據校園數字氣象站原理圖設計校園數字氣象站，將示意圖畫在P34頁的方框中。
校園數字氣象站示意圖設計
感知層：
溫濕度傳感器
風速傳感器
氣壓傳感器
網絡層：
路由器/wifi
4G/5G
物聯網平臺層：
數據存儲
數據分析
指令分發
應用層：
計算機終端
移動終端
智能終端
后臺管理系統
手機APP實時監控
LED屏本地顯示
執行器：
自動雨棚
通風設備
控制教學教案設計
總第 5 課時
課 題 名 稱 規劃校園氣象數字站
學習目標 （包含學科核心素養） 理解并識別校園數字氣象站的功能及物聯網技術的應用（信息意識、信息社會責任） 掌握氣象數據的采集與物聯網系統設計思路 提出校園數字氣象站的設計方案并進行初步實踐（數字化學習與創新、信息社會責任）
問 題 類 型 學生問題 在校園環境中，我們能收集哪些氣象數據？為什么這些數據對學校有用？ 氣象數據是如何從傳感器傳輸到網絡平臺并可視化的？物聯網技術在其中起了什么作用？ 如何讓數字氣象站不僅能監測數據，還能對校園環境作出反饋和控制？
學科問題 1. 在設計校園數字氣象站時，如何利用物聯網三層結構（感知層、傳輸層、應用層）實現氣象數據的采集、傳輸、存儲和處理？ 2.多種氣象傳感器（如溫濕度傳感器、雨滴監測器、風速風向傳感器）如何協同工作，以滿足校園數字氣象站的數據需求？ 3. 為什么數據可視化和可用性對于數字氣象站同樣重要？在物聯網系統中，如何實現對氣象數據的可視化分析和遠程訪問？
教師問題 1. 在指導學生規劃校園數字氣象站時，如何引導他們基于實際需求（如監測降水量、氣溫、風速等），分層次分析物聯網的感知、傳輸和應用環節？ 2. 面對校園實際環境和資源限制，如何讓學生提出既具有創新性又具備可行性的數字氣象站設計方案？
問題系統 （星號標出核心問題） 1. 在設計校園數字氣象站時，如何利用物聯網三層結構（感知層、傳輸層、應用層）實現氣象數據的采集、傳輸、存儲和處理？ 2.多種氣象傳感器（如溫濕度傳感器、雨滴監測器、風速風向傳感器）如何協同工作，以滿足校園數字氣象站的數據需求？ 3. 為什么數據可視化和可用性對于數字氣象站同樣重要？在物聯網系統中，如何實現對氣象數據的可視化分析和遠程訪問？
問題探究流程 導（問題引導）、學（自主探究）、探（合作探究）、測（課堂檢測）、拓（知識拓展）
導（問題引導）： 教學情境： 展示“國家氣象科學數據中心”網站或相關在線氣象平臺界面，介紹氣象數據的獲取方式。提問： （學生問題1）：“在校園環境中，我們能收集哪些氣象數據？為什么這些數據對學校有用？” 答案：可以收集溫度、濕度、氣壓、風速、風向、降水量等。這些數據可用于校園活動安排、天氣預警、環境監測等，為教學和日常管理提供參考。 （學生問題2）：“氣象數據是如何從傳感器傳輸到網絡平臺并可視化的？物聯網技術在其中起了什么作用？” 答案：通過傳感器（感知層）采集數據，利用無線或有線傳輸（傳輸層）將數據發送到云平臺或服務器（應用層）進行存儲與可視化。物聯網在各環節協調數據采集、傳輸和處理。 教師總結：物聯網在氣象數據采集、傳輸、分析中發揮關鍵作用，為校園數字氣象站建設提供技術支持。 學（自主探究）： 自主探究任務： 任務1：認識氣象數據及其測量手段 教材內容： 氣象數據：溫度、濕度、氣壓、風速、風向、降水量等。 傳統測量手段：雨量器、溫度計、風向標等。 數字化測量手段：翻斗式雨量傳感器、壓電動能式傳感器、溫濕度傳感器等。 問題探討： “在數字化測量手段中，傳感器如何將物理量轉換為電信號？為什么能提高精確度和自動化程度？” 答案：傳感器將溫度、濕度等物理量轉換成電阻、電容或電壓變化，通過信號處理后傳輸到數據采集設備，從而實現高精度、自動化的數據記錄。 任務2：瀏覽并記錄氣象數據 學生通過“國家氣象科學數據中心”或其他在線平臺查找某地氣象數據，記錄并思考這些數據的采集、傳輸、可視化流程。 教材引導：學生填寫氣象數據表，了解傳統和數字化測量手段對比。 教師總結：數字化氣象測量具備高效率、自動化和可視化優勢，為校園數字氣象站的規劃提供了可行性思路。 三、探（合作探究）： 合作探究任務： 任務1：什么是校園數字氣象站？ 教材內容： 校園數字氣象站：利用物聯網技術，在校園環境中實時監測多種氣象數據，實現數據共享和可視化。 學生分組討論： 校園數字氣象站應具備哪些功能？（如實時顯示氣象數據、預警功能等） 這些功能要依賴哪些傳感器和網絡設備？ 問題探討： （學生問題3）：“如何讓數字氣象站不僅能監測數據，還能對校園環境作出反饋和控制？” 答案：可加入反饋控制，如大風天遠程關閉門窗裝置；通過終端或云平臺向執行器發送指令，實現自動化管理。 任務2：設計數字氣象站三層結構 教材內容： 感知層：溫濕度、雨滴、氣壓、風速等傳感器 傳輸層：ZigBee、藍牙、Wi-Fi等 應用層：終端設備或云平臺進行數據呈現與分析 反饋控制：可實現遠程開關窗、開啟警報等 小組討論： 選擇哪些傳感器？ 使用何種傳輸技術？ 終端呈現方式？ 如何在大風或暴雨時自動響應？ 四（課堂檢測）： 課堂檢測題目設計: 題目：在數字氣象站中，翻斗式雨量傳感器屬于哪一層設備？ A. 傳輸層 B. 感知層 C. 應用層 D. 云平臺 答案：B. 感知層 解析：翻斗式雨量傳感器用于采集降水量數據，屬于感知層。 題目：以下哪項措施能讓數字氣象站對極端天氣作出反饋控制？ A. 僅采集數據，不做任何操作 B. 在傳輸層加密數據 C. 添加執行器并在應用層設置預警程序 D. 增加一個大功率路由器 答案：C. 添加執行器并在應用層設置預警程序 解析：執行器負責具體操作，應用層的預警程序決定何時發出指令，形成反饋控制。 判斷題 題目：數據可視化僅在傳感器層完成，與應用層無關。 答案：錯誤 解析：數據可視化一般在應用層或云平臺進行，傳感器層只負責數據采集。 五、拓（知識拓展）： 情境延伸：從校園數字氣象站到智慧城市氣象監測 教材延伸： “物聯網技術不僅應用于校園氣象監測，也可應用于城市大范圍氣象監測、災害預警等。” 學生思考： 若在城市中部署大量傳感器采集氣象數據，可為城市防災減災提供更精準的信息。 如何解決數據海量傳輸和存儲的問題？ 問題探討： “校園數字氣象站的設計思路能否推廣到更大范圍？需要考慮哪些額外挑戰？” 答案：需要更高的網絡帶寬、更多的傳感器部署與維護，以及與城市管理部門的數據共享機制等。
板 書 設 計 規劃校園氣象數字站
一、氣象數據及測量手段 數據類型：溫度、濕度、氣壓、風速、風向、降水量等 傳統測量：雨量器、溫度計、風向標 數字化測量：翻斗式雨量傳感器、溫濕度傳感器、風速風向傳感器 二、數據采集與傳輸流程 采集：傳感器獲取氣象數據 傳輸：有線/無線（ZigBee、Wi-Fi、藍牙等）將數據送至終端或云平臺 存儲與分析：數據庫或文件存儲，數據可視化與預警 三、校園數字氣象站功能 實時監測：溫濕度、降水量、風向風速等 可視化展示：終端設備或云平臺查看數據 反饋控制：如大風天遠程關閉門窗裝置
教 學 反 思 規劃校園氣象數字站
1.貼近校園實際，激發學生興趣 通過“校園數字氣象站”這一貼近學生生活的課題，學生對氣象數據采集、傳輸與分析產生了濃厚興趣，更能積極參與討論和設計。 2.注重動手與思維結合，提升綜合素養 學生在動手繪制氣象站原理圖、選擇傳感器與傳輸技術的過程中，不僅發展了計算思維，也培養了數字化創新與信息社會責任意識。 3.系統化學習，層層遞進 從氣象數據的傳統與數字化測量手段，到物聯網三層結構，再到反饋控制的應用，層層遞進的教學設計幫助學生逐步掌握規劃校園數字氣象站的完整思路。
1第五課：規劃校園數字氣象站
聚焦：
校園數字氣象站可以觀測和記錄校園氣象數據，我們可以根據已有的物 聯網知識，嘗試規劃、設計校園數字氣象站。同時，我們也可以通過網絡 了解多樣化的氣象數據數字化測量手段，嘗試設計出校園數字氣象站的示意圖。
探索：
做一做：
隨著網絡技術的發展，已經可 以很便捷地通過網絡獲取各種氣象數據。請瀏覽 “國家氣象科學數據中心”網站的內容，如右圖所示。
我們可以瀏覽“國家氣象科學數據中心”網站，查找相關氣象數據，體驗利用在線氣象平臺獲取氣象數據的便捷性。如下圖所示，查找某個地方的氣象綜合實況，選擇一個氣象數據如溫度、降水量等，猜猜數據是如何采集、傳輸、可視化的。
寫一寫：
通過在線氣象平臺以及其他網絡途徑查找資料，寫出至少三種氣象數據及其表達的含義、傳統測量手段、數字化測量手段。
氣象數據 含義 傳統測量手段 數字化測量手段
降水量 一定時間內，從空中降落到水平面上的雨、雪、冰雹等，假定無滲漏，不流失，也不蒸發，累積起來的水的深度，稱為降水量 漏斗式雨量器、虹吸式雨量計、翻斗式雨量計等 翻斗式雨量傳感器、壓電動能式傳感器
議一議：
通過網絡查找資料，了解什么是校園數字氣象站，以及它應該具備哪些功能，將查找的內容歸納總結后記錄在下面的橫線上。
能量加油站：
氣象數據是反映天氣的一組數據，它的采集、傳輸、存儲、處理與分析過程如下。
數據采集：氣象站通過各種傳感器和儀器來采集氣象數據，如溫度、濕度、氣壓、風速、風向、降水量等。這些傳感器將數據轉換為電信號或數字信號，并傳輸給數據采集設備。
數據傳輸：數據采集設備將收集到的數據通過有線 或無線方式傳輸到數據中心或服務器。
數據存儲：接收到的數據被存儲在數據庫或數據文 件中，以便后續處理與分析。
數據處理與分析：對收集到的氣象數據進行清洗、轉 換、歸一化等預處理工作，以便進行后續的數據分析。
設計：
物聯系統通過控制數據采集器或傳感器來啟動數據采集過程。這通常涉及 向傳感器發送指令，使其開始工作。在數據采集完成后，系統需要控制數據傳輸過程，將采集到的數據通過適當的通信協議傳輸到數據中心或服務器。接收到的數據需要被安全地存儲在數據庫或數據文件中。
通過前面的學習，我們了解了氣象數據的多樣性，那么，應該如何設計校園數字氣象站
結合前面所學物聯網相關知識，在校園數字氣象站設計中，我們可以使用 溫濕度傳感器、雨滴監測器、氣壓傳感器、風速傳感器、風向傳感器等獲取多 種氣象數據；通過物聯系統將數據同步到物聯網云平臺中，實現記錄、分析數 據；通過搭建具有反饋控制的“大風天遠程關閉校園門窗裝置”，實現設備的 反饋與控制。
我們可以使用主控板充當“服務器端”和“智能終端”，用于連接傳感 器、執行器，作用是放在校園中，采集氣象數據；還可以使用主控板充當“移 動終端”，用于遠程讀取氣象數據和反饋控制。
做一做：
根據已有物聯網的知識以及對校園數字 氣象站的認識，補充完整校園數字氣象站原 理圖，將序號或文字填寫在對應的空白處。
①傳感器：用于獲取多種氣象數據
②執行器：根據反饋控制執行相應的 動作
③移動終端：用于顯示氣象數據并通 過界面反饋控制
④計算機終端：用于顯示氣象數據以及連接物聯網平臺
⑤智能終端：用于顯示氣象數據
⑥物聯網平臺：用于收集、存儲氣象數據
⑦網絡（路由器）：提供物聯網數據交互
⑧其他：_____________________________
做一做：
根據校園數字氣象站原理圖設計校園數字氣象站，將示意圖畫在下面的框中。

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