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(共15張PPT)
第六課：校園數(shù)字氣象站數(shù)據(jù)采集
感知層搭建與數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計(jì)
本課程將帶您了解校園數(shù)字氣象站的三層結(jié)構(gòu)、感知層功能及數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計(jì)。
我們將學(xué)習(xí)氣象傳感器原理、硬件連接方法，并通過(guò)實(shí)踐培養(yǎng)創(chuàng)新思維。
教學(xué)目標(biāo)
1
理解結(jié)構(gòu)
掌握校園數(shù)字氣象站的三層結(jié)構(gòu)及感知層的功能。
2
傳感器知識(shí)
了解常見(jiàn)氣象傳感器的名稱(chēng)、工作原理及硬件連接方法。
3
方案設(shè)計(jì)
能設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集方案并繪制算法流程圖。
4
實(shí)踐能力
通過(guò)實(shí)踐與拓展任務(wù)，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和合作能力。
導(dǎo)入：
通過(guò)前面的學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)設(shè)計(jì)出了校園數(shù)字氣象站示意圖，要想通過(guò)校園數(shù)字氣象站獲取溫濕度、降雨量、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象數(shù)據(jù)，還需要做些什么呢？
校園數(shù)字氣象站和其他物聯(lián)系統(tǒng)一樣，也具有三層結(jié)構(gòu)，感知層主要是配合各種傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)校園氣象數(shù)據(jù)的采集。
那采集校園氣象數(shù)據(jù)需要什么樣的傳感器？
應(yīng)該設(shè)計(jì)什么樣的數(shù)據(jù)采集方案？
如何搭建感知層？
探索：認(rèn)識(shí)所需傳感器
要想搭建校園數(shù)字氣象站的感知層，首先要準(zhǔn)備好軟硬件平臺(tái)，選取數(shù)據(jù)采集傳感器，然后才能進(jìn)行開(kāi)發(fā)與實(shí)踐。
請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)右圖的圖片，將對(duì)應(yīng)的傳感器名稱(chēng)寫(xiě)在對(duì)應(yīng)的圖片下方。填寫(xiě)在課本P36頁(yè)。
①光敏傳感器 ②溫濕度傳感器
③風(fēng)速傳感器 ④風(fēng)向傳感器
⑤氣壓傳感器 ⑥雨量傳感器
數(shù)據(jù)采集需求與三層結(jié)構(gòu)
1
應(yīng)用層
計(jì)算機(jī)端顯示與預(yù)警
2
網(wǎng)絡(luò)層
主控板+局域網(wǎng)
3
感知層
配合各種傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)校園氣象數(shù)據(jù)的采集
校園數(shù)字氣象站通過(guò)三層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理。
感知層硬件與傳感器原理
溫濕度傳感器
測(cè)量環(huán)境溫濕度，提供基礎(chǔ)氣象數(shù)據(jù)。
風(fēng)速風(fēng)向傳感器
葉片旋轉(zhuǎn)或超聲波測(cè)風(fēng)速，檢測(cè)風(fēng)向角度。
氣壓傳感器
測(cè)量大氣壓強(qiáng)，預(yù)測(cè)天氣變化。
氣象儀功能
集成設(shè)計(jì)
集成風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、氣壓傳感器于一體。
直接輸出
無(wú)需復(fù)雜轉(zhuǎn)換，直接輸出物理量數(shù)據(jù)。
便于連接
標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)計(jì)，易于與主控板連接。
氣象儀作為感知層核心設(shè)備，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)采集流程。
雨量傳感器
探秘雨量傳感器的奧秘
這個(gè)小小的傳感器就像一個(gè)神奇的雨滴捕捉器!當(dāng)雨水落在它的兩個(gè)電極之間時(shí),會(huì)改變它們之間的電容。通過(guò)測(cè)量這種電容變化,我們就能知道有多少雨滴落下,從而計(jì)算出降雨量。這種巧妙的設(shè)計(jì)讓我們能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)天氣變化,為氣象數(shù)據(jù)采集提供可靠的基礎(chǔ)。
數(shù)據(jù)采集架構(gòu)
校園數(shù)字氣象站系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集架構(gòu)如右圖所示。在實(shí)施過(guò)程中，通過(guò)路由器構(gòu)建局域網(wǎng)，在局域網(wǎng)中，使用主控板構(gòu)建服務(wù)器，同時(shí)作為智能終端，連接多種傳感器與執(zhí)行器。通過(guò)Wi-Fi或者USB線(xiàn)將智能終端主控板連接到計(jì)算機(jī)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)端可訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)。
數(shù)據(jù)采集實(shí)施步驟
硬件連接
雨量傳感器、氣象儀連接主控板。
通信建立
主控板通過(guò)Wi-Fi/USB連接計(jì)算機(jī)。
程序部署
編寫(xiě)程序并上傳至主控板。
數(shù)據(jù)驗(yàn)證
測(cè)試數(shù)據(jù)采集與顯示功能。
實(shí)踐過(guò)程：
1.準(zhǔn)備硬件。
①主控板X(qián)1
②雨量傳感器X1
③氣象儀X1
2.連接硬件
實(shí)踐過(guò)程
3.編寫(xiě)程序。
(1)寫(xiě)出常規(guī)狀態(tài)下的相關(guān)代碼模塊，
初始化主控板、氣象儀和雨量傳感器。
(2)配置網(wǎng)絡(luò)程序，訂閱氣象數(shù)據(jù),如圖所示。
實(shí)踐過(guò)程：
4.運(yùn)行調(diào)試。
(1)校園數(shù)字氣象站系統(tǒng)的硬件接線(xiàn)實(shí)物圖如圖所示，連接完成后調(diào)試運(yùn)行數(shù)據(jù)采集是否正常，主控板能否正常顯示氣象數(shù)據(jù)。
(2)運(yùn)行調(diào)試后，通過(guò)計(jì)算機(jī)端訪(fǎng)問(wèn)智能終端獲取氣象數(shù)據(jù)，查看能否收到氣象數(shù)據(jù)，下圖所示為實(shí)時(shí)的雨量數(shù)據(jù)。
思考并討論：
作品還有哪些方面可以進(jìn)行優(yōu)化？結(jié)合現(xiàn)有條件，
思考如何實(shí)現(xiàn)降雨警報(bào)更加智能化。
降雨警報(bào)優(yōu)化方向
預(yù)報(bào)整合
結(jié)合天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)提前預(yù)警
1
語(yǔ)音播報(bào)
增加語(yǔ)音模塊實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音提醒
2
移動(dòng)推送
通過(guò)APP推送警報(bào)信息
3
基于現(xiàn)有硬件（主控板、傳感器）擴(kuò)展功能模塊（如語(yǔ)音模塊、網(wǎng)絡(luò)接口）。
總結(jié)與課后任務(wù)
知識(shí)點(diǎn)回顧
感知層傳感器類(lèi)型與原理
主控板連接與數(shù)據(jù)傳輸流程
數(shù)據(jù)采集方案實(shí)施步驟
課后任務(wù)
設(shè)計(jì)自己的氣象站連接圖
編寫(xiě)風(fēng)速預(yù)警程序（閾值設(shè)定）第六課練習(xí)習(xí)題
簡(jiǎn)單題（5道）：
校園數(shù)字氣象站的三層結(jié)構(gòu)中，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集的是哪一層？
A. 應(yīng)用層
B. 網(wǎng)絡(luò)層
C. 感知層
D. 傳輸層
下列哪個(gè)傳感器通過(guò)電容變化來(lái)測(cè)量降雨量？
A. 光敏傳感器
B. 溫濕度傳感器
C. 雨量傳感器
D. 風(fēng)速傳感器
連接傳感器到計(jì)算機(jī)的中間設(shè)備是什么？
A. 路由器
B. 氣象儀
C. 主控板
D. 顯示屏
氣象儀通常集成了以下哪些傳感器？（多選）
A. 風(fēng)速
B. 風(fēng)向
C. 溫濕度
D. 氣壓
數(shù)據(jù)采集流程中，風(fēng)速超過(guò)閾值時(shí)會(huì)觸發(fā)什么？
A. 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
B. 預(yù)警信息
C. 關(guān)閉傳感器
D. 重啟系統(tǒng)
中等題（2道）：
6. 電容式雨量傳感器的工作原理基于什么變化？
A. 電阻
B. 電容
C. 電壓
D. 電流
7.數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_路徑是？
A. 傳感器→計(jì)算機(jī)→主控板
B. 傳感器→主控板→計(jì)算機(jī)
C. 主控板→傳感器→計(jì)算機(jī)
D. 計(jì)算機(jī)→主控板→傳感器
難題（1道）：
8. 若要優(yōu)化降雨警報(bào)系統(tǒng)，以下哪種方案最不可行？
A. 結(jié)合天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)提前預(yù)警
B. 增加語(yǔ)音播報(bào)功能
C. 使用太陽(yáng)能供電
D. 通過(guò)APP推送警報(bào)
判斷題（8道）
感知層的主要功能是數(shù)據(jù)顯示和預(yù)警。（×）
解析：感知層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，應(yīng)用層處理顯示和預(yù)警。
風(fēng)速傳感器通常通過(guò)旋轉(zhuǎn)葉片測(cè)量風(fēng)速。（√）
解析：常見(jiàn)風(fēng)速傳感器使用葉片旋轉(zhuǎn)或超聲波原理。
主控板可以直接測(cè)量氣壓數(shù)據(jù)。（×）
解析：主控板連接傳感器，傳感器負(fù)責(zé)測(cè)量，主控板處理數(shù)據(jù)。
雨量傳感器的工作原理是檢測(cè)光照強(qiáng)度。（×）
解析：雨量傳感器通過(guò)電容變化檢測(cè)雨量，光敏傳感器檢測(cè)光照。
構(gòu)建局域網(wǎng)時(shí)只需主控板，無(wú)需路由器。（×）
解析：路由器用于構(gòu)建局域網(wǎng)，主控板作為服務(wù)器節(jié)點(diǎn)。
氣象儀集成了溫濕度傳感器。（√）
解析：氣象儀集成多種傳感器，包括溫濕度。
數(shù)據(jù)采集流程中，主控板直接連接計(jì)算機(jī)無(wú)需網(wǎng)絡(luò)。（×）
解析：可通過(guò)Wi-Fi或USB連接，但網(wǎng)絡(luò)配置通常需要。
優(yōu)化警報(bào)系統(tǒng)時(shí)，增加語(yǔ)音播報(bào)屬于無(wú)效方案。（×）
解析：語(yǔ)音播報(bào)能提升警報(bào)的及時(shí)性和可感知性，是有效優(yōu)化。教學(xué)教案設(shè)計(jì)
總第 6 課時(shí)
課 題 名 稱(chēng) 校園數(shù)字氣象站數(shù)據(jù)采集
學(xué)習(xí)目標(biāo) （包含學(xué)科核心素養(yǎng)） 學(xué)生能認(rèn)識(shí)常用氣象傳感器（如氣象儀、雨量傳感器）的工作原理，掌握從感知層到終端展示的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集流程，培養(yǎng)信息意識(shí)與計(jì)算思維。 學(xué)生能結(jié)合硬件清單（主控板、傳感器等）與編程流程，設(shè)計(jì)并調(diào)試數(shù)據(jù)采集程序，發(fā)展數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力，提升對(duì)校園氣象數(shù)據(jù)的應(yīng)用意識(shí)。 在搭建和使用數(shù)字氣象站過(guò)程中，學(xué)生需關(guān)注數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性與系統(tǒng)穩(wěn)定性，認(rèn)識(shí)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對(duì)校園管理與社會(huì)生活的責(zé)任與影響。
問(wèn) 題 類(lèi) 型 學(xué)生問(wèn)題 校園數(shù)字氣象站需要哪些傳感器來(lái)采集溫度、濕度、雨量、風(fēng)速等數(shù)據(jù)？它們的工作原理是什么？ 在搭建感知層時(shí)，如何把雨量傳感器、氣象儀等設(shè)備與主控板相連，并通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸？ 編寫(xiě)程序采集氣象數(shù)據(jù)后，如何在主控板顯示屏或計(jì)算機(jī)端查看數(shù)據(jù)？如果風(fēng)速超出閾值，該怎樣讓系統(tǒng)自動(dòng)預(yù)警或提示？
學(xué)科問(wèn)題 1. 在物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)中，感知層為數(shù)字氣象站提供了哪些數(shù)據(jù)采集能力？傳輸層和應(yīng)用層又分別承擔(dān)哪些功能？ 2. 為什么要使用主控板充當(dāng)服務(wù)器端和智能終端？它與計(jì)算機(jī)端及物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的連接對(duì)氣象數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和可視化有什么影響？ 3. 如何通過(guò)算法流程圖描述數(shù)據(jù)采集、傳輸與預(yù)警的全過(guò)程？數(shù)據(jù)采集器與傳感器之間的指令交互是如何實(shí)現(xiàn)的？
教師問(wèn)題 1. 在指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)并調(diào)試校園數(shù)字氣象站時(shí)，如何讓他們結(jié)合硬件清單、傳感器特性與編程流程，清晰掌握物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的每個(gè)環(huán)節(jié)？ 2. 當(dāng)學(xué)生完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集后，如何引導(dǎo)他們思考并實(shí)現(xiàn)風(fēng)速閾值預(yù)警、大風(fēng)自動(dòng)關(guān)窗等反饋控制功能，以提升系統(tǒng)的實(shí)用性和創(chuàng)新性？
問(wèn)題系統(tǒng) （星號(hào)標(biāo)出核心問(wèn)題） 1. 在物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)中，感知層為數(shù)字氣象站提供了哪些數(shù)據(jù)采集能力？傳輸層和應(yīng)用層又分別承擔(dān)哪些功能？ 2. 為什么要使用主控板充當(dāng)服務(wù)器端和智能終端？它與計(jì)算機(jī)端及物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的連接對(duì)氣象數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和可視化有什么影響？ 3. 如何通過(guò)算法流程圖描述數(shù)據(jù)采集、傳輸與預(yù)警的全過(guò)程？數(shù)據(jù)采集器與傳感器之間的指令交互是如何實(shí)現(xiàn)的？
問(wèn)題探究流程 導(dǎo)（問(wèn)題引導(dǎo)）、學(xué)（自主探究）、探（合作探究）、測(cè)（課堂檢測(cè)）、拓（知識(shí)拓展）
導(dǎo)（問(wèn)題引導(dǎo)）： 教學(xué)情境： 情境導(dǎo)入： 展示校園氣象站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)圖（如溫度、降雨量），提問(wèn)： “如果讓你設(shè)計(jì)一個(gè)校園氣象站，需要哪些設(shè)備來(lái)采集這些數(shù)據(jù)？” 答案：溫濕度傳感器、雨量傳感器、風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、氣壓傳感器等。 問(wèn)題鏈引導(dǎo)： Q1：氣象站如何感知天氣變化？（引出“傳感器”） Q2：傳感器采集的數(shù)據(jù)如何傳輸?shù)接?jì)算機(jī)？（引出“主控板+網(wǎng)絡(luò)配置”） Q3：如果風(fēng)速過(guò)大，系統(tǒng)如何預(yù)警？（引出“閾值判斷與程序邏輯”） 使用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)圖展示真實(shí)場(chǎng)景，增強(qiáng)代入感。 通過(guò)“猜想→驗(yàn)證”模式，讓學(xué)生先提出假設(shè)，再通過(guò)后續(xù)學(xué)習(xí)驗(yàn)證答案。 學(xué)（自主探究）： 自主探究任務(wù)： 活動(dòng)設(shè)計(jì)： 任務(wù)卡學(xué)習(xí)： 發(fā)放包含傳感器圖片和功能描述的卡片（對(duì)應(yīng)教材內(nèi)容），學(xué)生自主匹配傳感器名稱(chēng)與原理： 圖①：光敏傳感器→檢測(cè)光照強(qiáng)度。 圖⑥：雨量傳感器→通過(guò)電容變化測(cè)量雨量。 硬件連連看： 提供主控板、傳感器實(shí)物圖（或模型），學(xué)生連線(xiàn)完成硬件連接示意圖（雨量傳感器→主控板→計(jì)算機(jī)）。 知識(shí)點(diǎn)與答案： 傳感器工作原理： 雨量傳感器：水滴導(dǎo)致電極間電容變化→計(jì)算降雨量。 風(fēng)速傳感器：通常采用旋轉(zhuǎn)葉片或超聲波測(cè)量風(fēng)速。 硬件清單：主控板、氣象儀、雨量傳感器、路由器（用于構(gòu)建局域網(wǎng)）。 使用“任務(wù)卡”和“連連看”游戲化學(xué)習(xí)，增強(qiáng)趣味性。 三、探（合作探究）： 合作探究任務(wù)： 活動(dòng)設(shè)計(jì)： 小組任務(wù)： 每組設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)采集方案，包含以下內(nèi)容： 傳感器選擇（如溫濕度+風(fēng)速+雨量）。 數(shù)據(jù)傳輸路徑（傳感器→主控板→服務(wù)器→計(jì)算機(jī)）。 預(yù)警邏輯（如風(fēng)速>10m/s時(shí)觸發(fā)警報(bào)）。 流程圖繪制： 根據(jù)教材中“數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程”，用流程圖工具（或紙筆）繪制算法流程圖。 傳感器采集數(shù)據(jù) → 主控板接收 → 顯示數(shù)據(jù) → 判斷風(fēng)速是否超閾值 → 是→顯示預(yù)警；否→繼續(xù)監(jiān)測(cè) 采用“工程師角色扮演”，每組需展示方案并接受其他組“質(zhì)詢(xún)”，模擬項(xiàng)目答辯。 四（課堂檢測(cè)）： 課堂檢測(cè)題目設(shè)計(jì): 題目：在數(shù)字氣象站中，翻斗式雨量傳感器屬于： A. 傳輸層設(shè)備 B. 感知層設(shè)備 C. 應(yīng)用層設(shè)備 D. 云平臺(tái) 答案：B. 感知層設(shè)備 以下哪種傳感器通過(guò)電容變化工作？ A. 光敏傳感器 B. 雨量傳感器 C. 溫濕度傳感器 答案：B 主控板的作用是？ A. 僅顯示數(shù)據(jù) B. 連接傳感器與計(jì)算機(jī) C. 直接測(cè)量氣壓 答案：B 判斷題 題目：在校園數(shù)字氣象站中，若風(fēng)速超出閾值時(shí)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)預(yù)警，這說(shuō)明系統(tǒng)具備反饋控制能力。 答案：正確 五、拓（知識(shí)拓展）： 活動(dòng)設(shè)計(jì)： 頭腦風(fēng)暴： 提問(wèn)：“如何讓降雨警報(bào)更智能？” 答案 結(jié)合天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，提前預(yù)警。 增加語(yǔ)音播報(bào)功能。 通過(guò)APP推送警報(bào)信息。 原型設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)： 每組選擇一個(gè)優(yōu)化方案，用簡(jiǎn)圖或文字描述實(shí)現(xiàn)方法（如編程邏輯、硬件擴(kuò)展）。 引入“創(chuàng)客思維”，鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合生活場(chǎng)景（如校園廣播系統(tǒng)）設(shè)計(jì)解決方案。
板 書(shū) 設(shè) 計(jì) 校園數(shù)字氣象站數(shù)據(jù)采集
一、三層結(jié)構(gòu) 感知層：傳感器（溫濕度、雨量、風(fēng)速等） 網(wǎng)絡(luò)層：主控板 + 局域網(wǎng)（Wi-Fi/路由器） 應(yīng)用層：計(jì)算機(jī)端顯示與預(yù)警 二、傳感器與原理 雨量傳感器：電容變化 → 測(cè)雨量 風(fēng)速傳感器：葉片旋轉(zhuǎn)/超聲波 → 測(cè)風(fēng)速 氣象儀：集成風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度、氣壓 三、硬件連接步驟 傳感器 → 主控板 主控板 → 計(jì)算機(jī)（Wi-Fi/USB） 配置網(wǎng)絡(luò) → 數(shù)據(jù)上傳
教 學(xué) 反 思 校園數(shù)字氣象站數(shù)據(jù)采集
1.學(xué)生參與度的分層管理需加強(qiáng) 問(wèn)題：在“合作探究”環(huán)節(jié)，部分小組出現(xiàn)個(gè)別成員主導(dǎo)、其他成員被動(dòng)參與的現(xiàn)象。 改進(jìn)方向：采用“角色分工制”（如組長(zhǎng)、記錄員、匯報(bào)員），確保每個(gè)學(xué)生承擔(dān)具體任務(wù)；增設(shè)組內(nèi)互評(píng)機(jī)制，激勵(lì)全員參與。 2.實(shí)踐環(huán)節(jié)的時(shí)間分配需優(yōu)化 問(wèn)題：硬件連接與編程調(diào)試環(huán)節(jié)時(shí)間緊張，部分學(xué)生未完成全部操作，影響后續(xù)數(shù)據(jù)分析。 改進(jìn)方向：提前錄制微課視頻（如主控板連接示范），供學(xué)生課前預(yù)習(xí)；課堂中采用“分段任務(wù)制”，分步完成硬件連接、基礎(chǔ)代碼調(diào)試與擴(kuò)展功能開(kāi)發(fā)。
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