物聯(lián)網(wǎng)校園氣象站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主講人：張嘉宇

張嘉宇

DFRobot課程開發(fā)工程師，編寫了“信息技術(shù)高中基礎(chǔ)教學(xué)課程”“行空板Python入門教程”“云雀氣象儀入門教程”等系列科創(chuàng)類文章百余篇，收獲超百萬瀏覽量，曾榮獲VEX機(jī)器人世錦賽冠軍。

教學(xué)背景

天氣是我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠郑瑢ξ覀兊男@生活也有著舉足輕重的影響。無論是課間活動(dòng)、運(yùn)動(dòng)會(huì)，還是戶外考試，學(xué)校都需要根據(jù)天氣情況來進(jìn)行調(diào)整和策劃，以確保學(xué)生的安全和活動(dòng)的順利進(jìn)行。因此，及時(shí)、準(zhǔn)確地了解氣象數(shù)據(jù)，能夠幫助學(xué)生和教職工做出明智的決策和安排。

教師將在本案例中引導(dǎo)學(xué)生搭建一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)校園氣象站系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)校園內(nèi)氣象數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取，并能夠在學(xué)校的不同地方進(jìn)行遠(yuǎn)程查看，同時(shí)依據(jù)天氣變化遠(yuǎn)程控制窗戶開關(guān)。

教學(xué)目標(biāo)

1.認(rèn)識“云雀氣象儀”的特點(diǎn)及功能。2.認(rèn)識物聯(lián)網(wǎng)、SIoT、MQTT。3.學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)氣象站系統(tǒng)的架構(gòu)。4.學(xué)習(xí)通過編程實(shí)現(xiàn)向物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)送并接收數(shù)據(jù)的方式。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)：物聯(lián)網(wǎng)氣象站系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)。

教學(xué)難點(diǎn)：編程實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的收發(fā)。

教學(xué)過程

一、情境導(dǎo)入

師：同學(xué)們，今天我?guī)砹艘粋€(gè)小神器，你們看這是什么？

學(xué)生觀察，描述設(shè)備特點(diǎn)。

師：很好，這款設(shè)備叫“云雀氣象儀”，你們知道它有什么用嗎？

生1：是不是可以測量氣溫、濕度之類的？

師：沒錯(cuò)，它不僅可以測量溫度和濕度，還可以測量氣壓、風(fēng)速和風(fēng)向。我們可以通過編程，讓它自動(dòng)收集這些氣象數(shù)據(jù)。你們覺得這樣做有什么好處呢？

生2：我們可以隨時(shí)了解周圍環(huán)境的情況，然后做出決策。例如溫度高了，可以打開風(fēng)扇；起大風(fēng)了，可以關(guān)閉窗戶。

師：非常好！但是如果我們將“云雀氣象儀”放置在操場或者教學(xué)樓樓頂，又想在教室查看這些數(shù)據(jù)，再遠(yuǎn)程控制教室窗戶開關(guān)，可以怎么做呢？

生3：我們可以把數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上，然后通過手機(jī)或電腦查看。

師：同學(xué)們都很棒，我們可以把數(shù)據(jù)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)平臺。這樣，無論我們在學(xué)校的哪里，只要有網(wǎng)絡(luò)，就能查看到這些氣象數(shù)據(jù)，繼而遠(yuǎn)程給教室開關(guān)窗戶。今天的課程，我們就來學(xué)習(xí)如何搭建一個(gè)屬于我們自己的物聯(lián)網(wǎng)校園氣象站系統(tǒng)。大家準(zhǔn)備好了嗎？

學(xué)生們：準(zhǔn)備好了，老師！

二、知識儲備

教師先對理論知識進(jìn)行教授，為學(xué)生后期應(yīng)用開發(fā)鋪墊知識基礎(chǔ)。

1.認(rèn)識“云雀氣象儀”

“云雀氣象儀”是一款精致小巧的國產(chǎn)氣象傳感儀器，能夠測量溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向五大氣象要素，并輸出標(biāo)準(zhǔn)物理量數(shù)據(jù)。同時(shí)，它也兼容Arduino、Micro：bit、行空板等常用的開源硬件控制器。

2.認(rèn)識物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)是借助互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，讓所有能行使獨(dú)立功能的普通物體實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。通過物聯(lián)網(wǎng)，我們可以用中心計(jì)算機(jī)將各種機(jī)器、設(shè)備連接起來，進(jìn)行集中管理，實(shí)現(xiàn)物物相連。例如，將家中的燈、風(fēng)扇、空調(diào)等電器連入物聯(lián)網(wǎng)后，可以通過手機(jī)來控制它們開關(guān)。

3.認(rèn)識SIoT和MQTT

SIoT是一個(gè)為教育定制的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可以幫助中小學(xué)生理解物聯(lián)網(wǎng)原理，并且能夠基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)各種創(chuàng)意應(yīng)用。

MQTT是一個(gè)基于客戶端—服務(wù)器的消息發(fā)布和訂閱的傳輸協(xié)議。該協(xié)議中有三種身份：發(fā)布者（Publish）、代理（Broker）、訂閱者（Subscribe）。信息發(fā)布者和信息訂閱者彼此之間并沒有建立直接的聯(lián)系，而是通過代理服務(wù)器進(jìn)行中轉(zhuǎn)溝通。只要它們發(fā)布和訂閱的是同一個(gè)主題（Topic），即可相互溝通。

4.“云雀氣象儀”擴(kuò)展庫

在Mind+軟件中，我們可以通過加載“云雀氣象儀”的專屬擴(kuò)展庫來實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的獲取，參考編程積木如圖1所示。

5.MQTT擴(kuò)展庫

在Mind+中，我們也可以通過加載MQTT擴(kuò)展庫來實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)的功能，參考編程積木如圖2所示。

三、動(dòng)手實(shí)踐

師：接下來，同學(xué)們動(dòng)動(dòng)手，通過“云雀氣象儀”來實(shí)時(shí)監(jiān)測學(xué)校環(huán)境中的溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，之后開啟SIoT物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至平臺吧！

1.分析設(shè)計(jì)

師：項(xiàng)目編程正式開始之前，讓我們先來分析討論一下如何設(shè)計(jì)搭建一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)校園氣象站系統(tǒng)吧！

首先，我們需要進(jìn)行硬件連接，將一塊行空板作為智能終端，連接傳感器和執(zhí)行器。傳感器使用“云雀氣象儀”，將其放置在校園中采集氣象數(shù)據(jù)。執(zhí)行器使用舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來模擬窗戶的開關(guān)。我們再將第二塊行空板作為服務(wù)器端放置在中控室，遠(yuǎn)程讀取氣象數(shù)據(jù)和控制教室窗戶的開關(guān)。然后，我們進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，將智能終端連接在服務(wù)器端板子的熱點(diǎn)下。接著，我們開啟服務(wù)器端行空板的SIoT服務(wù)。最后，我們分別給兩塊行空板編寫功能程序，完成系統(tǒng)的搭建。

2.硬件連接

學(xué)生通過連接線將“云雀氣象儀”和舵機(jī)連接到智能終端行空板，并將服務(wù)器端和智能終端行空板分別連接到兩臺電腦。

3.網(wǎng)絡(luò)配置

教師指導(dǎo)學(xué)生開啟服務(wù)器端的無線熱點(diǎn)，并登錄行空板網(wǎng)頁菜單，為智能終端配置網(wǎng)絡(luò)，使其連在服務(wù)器端的無線熱點(diǎn)下。

4.SIoT服務(wù)啟動(dòng)

教師指導(dǎo)學(xué)生開啟服務(wù)器端行空板的SIoT應(yīng)用。

5.程序編寫

教師首先指導(dǎo)學(xué)生打開編程軟件、導(dǎo)入背景素材圖片、加載擴(kuò)展庫等，然后講解智能終端和服務(wù)器端各分功能段的程序。智能終端行空板功能流程圖如圖3所示，服務(wù)器端/移動(dòng)終端行空板功能流程圖如圖4所示。

6.運(yùn)行調(diào)試

首先，教師指導(dǎo)學(xué)生一起運(yùn)行程序，觀察智能終端和服務(wù)器端屏幕顯示。學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)兩塊屏幕上的氣象數(shù)據(jù)保持同步。然后，教師指導(dǎo)學(xué)生點(diǎn)擊服務(wù)器端屏幕上的“開窗”和“關(guān)窗”按鈕，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)智能終端的舵機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)到兩個(gè)不同的位置。最后，教師指導(dǎo)學(xué)生在物聯(lián)網(wǎng)平臺上查看氣象數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)表下載，分析各氣象數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，評估氣象情況。

四、拓展與提升

教師和學(xué)生討論如何優(yōu)化屏幕顯示界面，將氣象數(shù)據(jù)對應(yīng)的系統(tǒng)時(shí)間同步顯示出來。

教學(xué)反思

本案例通過讓學(xué)生設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)校園氣象站系統(tǒng)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)觀察生活，發(fā)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在生活中的應(yīng)用，然后通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決生活中的實(shí)際問題。

在教學(xué)方法上，本案例通過“以問設(shè)答”的教學(xué)互動(dòng)，引發(fā)學(xué)生自主思考，在提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新素養(yǎng)的同時(shí)，也培養(yǎng)了學(xué)生良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣。在項(xiàng)目實(shí)踐過程中，教師將任務(wù)進(jìn)行拆解，讓學(xué)生在一個(gè)個(gè)小任務(wù)中逐步發(fā)現(xiàn)問題并學(xué)會(huì)解決問題，不僅鍛煉了學(xué)生的思維能力，同時(shí)也提升了他們的綜合素養(yǎng)。