Mind+Python编程进阶系列课程—02 简易气象站
本帖最后由 木子呢 于 2021-11-9 16:52 编辑第二课、简易气象站课程目录：
[*]Python编程进阶系列教程—序章
[*]Python编程进阶系列课程—01 趣味数字电导仪
一、实践情境
当我们去旅游景区的时候，常常在显示屏上看到或者在广播听到空气温度、空气湿度、负氧离子含量等气象信息数据。这些数据几乎都来自景区气象站的实时监测。然而，景区的气象信息都是针对室外的，那当我们待在室内时，如何才能实时获取室内的环境信息呢？如果你也有这些困惑，就请跟着我们来完成一个室内的简易气象站吧！
二、实践目标
本实践项目运用micro:bit作为智能终端，通过DHT11温湿度传感器采集数据，来制作一个简易的气象站。
三、知识目标
1、 认识DHT11温湿度传感器，简单了解温湿度传感器的工作原理。
2、 认识micro:bit上的点阵屏，掌握其基本使用。
3、 使用micro:bit作为智能终端，掌握通过编写python程序检测环境温湿度的方法。
四、实践准备
硬件清单:
软件使用：mind+编程软件x1
知识链接
DHT11数字温湿度传感器
简介：
DHT11数字温湿度传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，可用来采集环境温度和湿度。
引脚说明：
点阵屏
简介：
micro:bit的内置的显示屏由5行5列总共25颗LED构成，因此被称为点阵屏，在上面我们可以实现一些简单的图像、字符等效果。
内置LED阵列说明
功能举例说明
控制LED阵列显示内容
方法说明
.show("Image.HEART")
显示HEART图案
.scroll("string")
显示字符string
.set_pixel(x,y)
点亮坐标x,y的灯
.off_pixel(x,y)
熄灭坐标x,y的灯
.set_brightness(value)
设置灯的亮度
.clear()
关闭所有阵列
五、实践过程
在本项目中，我们将利用DHT11温湿度传感器，设计一个简易的气象站，来实时检测环境的温湿度。
1、实时监测环境温湿度
2、对温湿度数据进行可视化处理
Tips：下面课程中的数据是在夏季室温30℃左右的环境下测量而得，不同季节测得的数据并不相同。
任务1：环境温湿度实时检测
1.分析设计
在本任务中，我们将对室内的环境温湿度进行实时监测。这里，我们可通过扩展板将DHT11温湿度传感器与micro:bit开发板相连接，实时检测环境的数据并将其显示在点阵屏和软件终端上。
2.硬件搭建
STEP1：通过传感器连接线将DHT11温湿度传感器连在扩展板的P1端口。
STEP2：将micro:bit开发板插入I/O扩展板，并通过USB连接线将micro:bit接到计算机。
Tips：使用扩展板时必然需要将开发板插入，而micro:bit与计算机的连接也始终需要usb线，因此，后续教程中我们将不再赘述该步骤。
3.软件编写
软件设置：
STEP1：创建与保存项目文件
启动Mind+软件，选择“Python模式”，另存项目并命名为“m简易气象站”。
STEP2：创建与保存python文件
创建一个python程序文件“任务一.py”，双击打开。
Tips：由于之前已安装过pinpong库，这里我们无需再次安装。
程序编写、运行及回顾：
STEP1：编写python程序
import time#导入时间库from pinpong.board import Board,Pin,DHT11#导入pinpong.board包中的Board,Pin,DHT11模块from pinpong.extension.microbit import *#导入pinpong.extension.microbit包中的所有模块Board("microbit").begin()#初始化，连接板子，选择板型和端口号，不输入端口号则进行自动识别dht11 = DHT11(Pin(Pin.P1))#创建DHT11对象
while True:#永久循环 temp = dht11.temp_c() #读取摄氏温度 humi = dht11.humidity() #读取湿度 display.scroll(temp)#点阵屏滚动显示温湿度的值 display.scroll(humi) print("dht11 temperature=",temp," humidity=",humi)#终端打印显示 time.sleep(1)#延时1秒
STEP2：运行程序并观察效果
（1）运行程序，观察软件终端
点击mind+软件右上方的运行按钮，我们可以看到在终端中显示测得的温度和湿度数据。
（2）观察点阵屏
同时，观察点阵屏，我们可以发现测得的数据同样在屏幕上滚动播放。
STEP3：回顾程序
1、导入库
from pinpong.board import Board,Pin,DHT11#导入pinpong.board包中的Board,Pin,DHT11模块
在控制micro:bit主控板和DHT11温湿度传感器时，我们用到了micro:bit主控板、P1引脚和DHT11温湿度传感器，在pinpong库中已经提供了相应的Board类、Pin类以及DHT11类来实现和他们相关的功能，因此在编程时，我们需要从“pinpong.board”导入这些模块并在后续创建他们的实例化对象，来使用各自的相关功能。
2、创建实例化对象
dht11 = DHT11(Pin(Pin.P1))#创建DHT11对象
为了能够使用DHT11类中的相应的函数功能，我们需要先创建一个实例化对象。
3、读取数值
temp = dht11.temp_c() #读取摄氏温度
humi = dht11.humidity() #读取湿度
使用DHT11需先导入DHT11模块，实例化对象后即可使用“temp_c()”和“humidity()”两个方法分别来读取温度和读取湿度。
4.调试修改
至此，我们成功制作了一个简易的气象站，实现了对室内环境温湿度的实时监测。并且我们发现，当气温达到30℃，或相对湿度达到50%时，我们就会感到闷热，这时候就可以打开空调解暑降温啦。而为了能及时打开空调，我们可进一步优化气象站，为其添加高温预警功能，实现当温度或湿度达到30℃和50%时，蜂鸣器发出警报声。
STEP1：编写程序
import time#导入时间库from pinpong.board import Board,Pin,DHT11#导入pinpong.board包中的Board,Pin,DHT11模块from pinpong.extension.microbit import *#导入pinpong.extension.microbit包中的所有模块Board("microbit").begin()#初始化，连接板子，选择板型和端口号，不输入端口号则进行自动识别dht11 = DHT11(Pin(Pin.P1))#创建DHT11对象while True:#永久循环 temp = dht11.temp_c() #读取摄氏温度 humi = dht11.humidity() #读取湿度 display.scroll(temp)#点阵屏滚动显示温湿度的值 display.scroll(humi) time.sleep(5)#延时5秒 print("dht11 temperature=",temp," humidity=",humi)#终端打印显示if temp >30 or humi >50:#条件 music.play_buzzer(Pin.P0, "F/F3", 1)#P0口，播放声音，音符"F/F3"，节拍1 time.sleep(1)#延时1秒
任务2：数据可视化
至此，我们的气象站不仅能实时监测温湿度，亦能在高温时发出预警。但我们知道，真正的气象站不仅仅能实时检测，而且能对检测到的数据进行可视化处理，进而发现数据的特点以作深入研究，比如统计在不开空调或取暖器的情况下一天中室内温度低于0℃的时长等等。因此，接下来，我们将加长实验时间，检测并记录夏季的某个上午的温湿度，并对数据进行可视化处理，进而探究一下当天上午，室内温湿度的变化情况。这里，我们将数据以折线图形式呈现即可。
1.数据可视化与分析
数据记录：
STEP1：自建一个Excel文件，将早上6-11点中，每隔十分钟的温度和湿度数据记录下来，并以csv格式保存。
软件设置：
STEP1：创建与保存python文件
创建一个python程序文件“任务2数据可视化.py”，双击打开。
STEP2：导入数据文件
将自己测得并记录数据的表格文件存放入python程序文件所在文件夹，使其在同一目录下。
Tips：这里我们提供了一组数据（见附录1）以作案例分析。
程序分析、编写并运行:
STEP1：分析程序
这里我们已借助DHT11温湿度传感器，采集到室内温度和湿度的数值并记录在了表格文件中，而为了便于对数据进行读取和分析，我们依旧通过编写程序使其以图表形式呈现出来。
整体上，我们将采用顺序结构的方式编写程序。具体流程如下，
STEP2：编写Python程序
# -*- coding: utf-8 -*-import pandas as pd#导入pandas库并用pd来表示import matplotlib.pyplot as plt#导入matplotlib库中的pyplot绘图模块，并用plt表示data = pd.read_csv("温湿度数据.csv",encoding='gb18030')#导入csv格式表格数据plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']#设置中文字体plt.title("温湿度检测")#绘制标题plt.ylabel("数值")#绘制x轴标签plt.xlabel("时间")#绘制y轴标签x_data1=data.iloc[:,0]#选取表格第一列并以此作为折线1的x轴数据y_data1=data.iloc[:,1]#选取表格第二列并以此作为折线1的y轴数据x_data2=data.iloc[:,0]#选取表格第一列并以此作为折线2的x轴数据y_data2=data.iloc[:,2]#选取表格第三列并以此作为折线2的y轴数据plt.plot(x_data2,y_data2,color='blue',label="温度",linewidth=2.0)#绘制折线，并设置折线的颜色、标签、线宽plt.plot(x_data1,y_data1,color='yellow',label="湿度",linewidth=2.0)#绘制折线，并设置折线的颜色、标签、线宽plt.legend()#显示图例（标签）plt.show()#显示图像
STEP3：运行程序并分析数据
（1）运行程序，我们看到csv表格中的数据以图表的形式呈现了出来。
（2）观察上图，我们可以清楚地发现，在上午时，随着时间的增加，室内温度值也在不断上升，而湿度值则相对趋于稳定。
2.调试修改
继续增加实验时间，看一看在一整天内环境温湿度是怎样变化的呢？
六、巩固提高
1.项目小结
本节课我们以micro:bit、扩展板及DHT11温湿度传感器为器件自制了一个简易的气象站。首先通过传感器实现了对室内环境温湿度的实时检测，之后添加了高温预警功能，最后将测得的数据以折线图的形式呈现后加以分析。
2. 项目拓展
在闷热的夏季，我们可以借助气象站来高温预警，那如果是在寒冷的冬季，我们是否也能对低温进行警报呢？修改程序试一试吧！
附录
附录1
数据文件
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