基于行空板+物联网打造校园在线数字气象站

[size=21.3333px]本案例由本人和佛山市顺德区陈惠南纪念中学谢诗雯老师共同完成。


一、项目情景

       叮铃铃……下课铃声响起，随着班主任的一声“下课”，小昕和同学们都准备百米冲刺去向饭堂干饭后回宿舍休息。但是班主任突然说了一句“靠窗的同学把窗户关一下，天气预报说中午可能会下雨”，小昕看着窗外明亮的光线，没有任何要下雨的预兆。想问班主任何出此言，但是同学们都已经纷纷行动关窗干饭去了，小昕也按捺住心中的疑惑奔向饭堂。但是当小昕吃完饭回到宿舍整理好准备午休的时候，风云突变，一场大雨倾盆而下。

       小昕困惑不已，现在的天气预报已经精准到具体大概什么时间点会下雨了吗？小昕这个冲浪达人在信息课的时候立马查了关于天气预报的相关内容。天气预报具有人类记录自然现象，获取数据继而预测未来数据走势的功能。如今，人们通过物联网环境下的数字传感器，能很好地比对大尺度、高密度、实时更新得到数据，借助人工智能等技术展开预测，可以获取更长周期、更为细致、更快的反馈的天气预报，为人类的生活提供更优质的服务。

拓展阅读：        天气预报，又称气象预报（测），是指使用现代科学技术对未来某一地点地球大气层的状态进行预测。从史前人类就已经开始对天气进行预测来相应地安排其工作与生活（比如农业生产等）。天气预报主要是使用收集大量的数据（气温、湿度、风向和风速、气压等等），然后使用对大气过程的认识（气象学）来确定未来空气变化。目前天气预报的数据主要由气象站来收集，气象站是实时监测气象数据和环境数据区域的一种设备，包括高精度气象站、超声波气象站、手持气象站、交通气象、校园气象站等 。气象站是由一系列的气象仪器（西方15世纪发明了压板风速仪，英国物理学家虎克(1635-1703)发明了湿度计。1606年，伽利略发明温度计。1639年，伽利略的弟子Benedetto Castelli发明雨量器。1644年，托里拆利发明气压计。1774年，Cotte发明了湿度计。）的发明慢慢的改进发展到现代的数字气象站。数字气象站是一种电子设备，通常通过与监视设备的无线连接来接收和数字显示天气信息。 这种类型的气象站可以显示大量信息，例如当前温度，大气压力，累积降雨和湿度百分比。 该系统显示的信息通常由单独的设备收集，该设备安装在室外位置，然后通过连接或无线方式传输到显示设备。 数字气象站也可以替代地连接到Internet连接，并显示由单独的气象服务获得的信息。

二、育人价值

      1.数字气象站作为一个真实的、 有吸引⼒的和复杂的项目，通过项目实践的过程，学生能够掌握义务教育信息科技课程标准中“能设计并搭建具有数据采集、实时传输、和简单控制功能的简易物联系统”的目标，提升学生的信息意识、计算机思维、数字化学习与创新等信息科技学科核心素养。

       2.学生在项目确定稳定可靠数据来源的过程中，认识到数据的作用和价值，判断和评估所获得的信息的价值，能根据数字气象站的需要有效合理的选择信息，增强信息责任意识。

       3.学生在整个项目的完成中，以小组成员协同完成项目目标。形成应用信息科技进行合作的意识，适应数字化学习环境，能通过网络检索、数据分析、模拟验证等方式完成数字气象站搭建的项目，提升数字化合作与探究能力。

      4.结合多学科知识开始设计和实现在线数字气象站，体验跨学科思维方式和探究模式，引导学生发展跨学科观念，学习运用和整合不同的学科知识解决综合性问题。

      5.学生在搭建数字气象站的过程中需要项目组成员不断地进行模拟测试改进，培养学生的批判性思维、问题解决、合作和自我管理等技能。

三、项目目标

总目标：

       1.能够完成数字气象站的搭建任务，在任务过程中了解气象站的发展历程和数字气象站基本原理等知识。

       2.认识到互联网、物联网和人工智能对社会发展的影响，并且能够具有自主动手解决问题、了解和掌握物联网这一核心技术采集数据、数据传输、处理数据的全过程。

具体目标：

       1.  了解从气象仪器的发明到如今完备的气象站的发展历程，认识气象站的观测设备。

       2.  了解互联网、物联网等自主可控设备在数字气象站的建立过程所发挥的作用。

       3.  能根据网络检索和小组讨论实践等方式掌握数字气象站的基本原理，并能综合运用信息科技、数学、地理、物理等知识确定校园气象站的选址和外观设计风格，搭建数字气象站获取真实和模拟数据，对数据进行有效分析。

       4.  具有自我管理和反思改进的意识，能尝试运用人工智能，互动媒体等技术手段优化在线数字气象站的设计。

四、项目设计

项目问题	新课标学习任务	学生活动	教师活动
气象站是如何运动的？	查找气象站的相关资料，从时代发展的角度感受气象站的发展历程	1.        查找资料，了解气象站获取各种测量数据的手段。 2.        了解信息科技在气象站应用中的发展历史。 3.       确定稳定可靠的在线气象数据来源。	1.        设计合适的问卷方式，让学生根据问卷方式去进行资料查找 2.        要求学生展示自己的查找成果。
数字气象站的基本原理是什么？	在线数字气象站基本原理测试	1.        比较数字气象传感器和传统气象一起的测量值，确认数字气象传感器的可靠性。 2.        进行局域网和广域网环境下的数字气象传感器数据汇总测试。 3.        对数字气象传感器的数据进行初步分析，得出结论，并探讨结论的呈现形式。	1.        设计合适的问卷方式，让学生根据问卷方式去了解气象站的原理，传感器原理。 2.        学生初步设计出在线数字气象站要实现的功能。列出要使用到的器材清单。 3.        展示自己小组的研究成果。
数字气象站需要使用到哪些技术？如何部署？	综合运用多学科知识，搭建校园在线数字气象站	1.        与数学、物理、地理、艺术等教师写作，确定校园气象站的选址和外观设计风格。 2.        部署物联网气象站，测试整体效果，发现值得研究的新规律	1.        设计合适的问卷方式，让学生初步了解物联网知识。 2.        结合多学科知识开始设计和实现在线数字气象站 3.        展示自己小组的研究成果。
如何改进，完善数字气象站	反思和改进在线数字气象站的设计，城市简历校际在线数字气象站协作网	1.        修改和完善小组的设计，尝试运用人工智能，互动媒体等技术手段优化在线数字气象站的设计。 2.        筹建校际在线数字气象站写作网，探索其可能性。	1.        针对数字气象站反馈的数据进行分析处理，看看如何将分析结果进行呈现。 2.        对数字气象站进行改进和完善。 3.        探索校际数字气象站的可能性。 4.        展示自己小组的研究成果。

五、器材准备

校园气象站一般由以下器材组成

       1.  数据采集装置，一般是各种传感器。

       2.  主控装置，用来接收各种数据，并将这些数据处理好发送到服务器

      3.  数据通讯装置，负责将数据传送到服务器

      4.  供电装置，负责为校园气象站提供电力支持，多采用太阳能电池。

序号	器材	说明	作用
1	DHT11数字温湿度传感器	DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，可以检测空气的温度和湿度。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强等优点。	检测空气中的温度和湿度
2	BMP388气压传感器	BMP388气压传感器，具有温度检测和大气压检测双重功能。   气压传感器通常用于大气压检测和温度检测，并且由于气压和海拔高度之间的关系，人们通常可以利用气压来检测海拔高度和相对的楼层高度。在导航方面，气压计也可以用来增强GPS定位效果或者配合IMU传感器，实现三维（3D）室内导航。 BMP388基于博世成熟的压电式压力传感器技术，具有高EMC稳健性，高精度，低功耗等特点。	检测大气压力
3	三杯式风速传感器	三杯式风速传感器是一款风速测量仪器，可以读取风速等级，并以电压信号方式输出（0-5V）。本品由壳体、风杯和电路模块组成，内部集成光电转换机构、工业微电脑处理器、标准电流发生器、电流驱动器等。传感器壳体和风杯采用铝合金材料，使用特种模具精密压铸工艺，尺寸公差甚小表面精度甚高，内部电路均经过防护处理，整个传感器具有很高的强度、耐候性、防腐蚀和防水性。电缆接插件为军工插头，具有良好的防腐、防侵蚀性能，能够保证仪器长期使用，同时配合使用风速传感器内部进口轴承系统说明书，确保了风速采集的精确性。电路PCB采用军工级A级材料，确保了参数的稳定和电气性能的品质；电子元件均采用进口工业级芯片，使得整体具有极可靠的抗电磁干扰能力，能保证主机在－20℃～＋50℃,湿度35％～85％（不结露）范围内均能正常工作。	测风速
4	ENS160空气质量传感器	ENS160空气质量传感器专为空气质量检测而设计，能直接输出多种IAQ（TVOC、eCO2、AQI）数据。创新的TrueVOC技术结合金属氧化物(MOX)技术使得该传感器有优越准确性、快速响应、抗干扰等特性。ENS160空气质量传感器内置算法，直接输出TVOC、eCO2、AQI数据，环境数据更丰富、容易理解。该传感器的预热时间小于3分钟，可以更快速的获得准确数据，内置基线自动校准算法，确保了传感器的长期稳定性。	检测空气质量
5	掌控板	掌控板由创客教育专家委员会推出， 是一款教学用开源硬件，为普及创客教育而生，反应一线Python编程教学需求，迎接普通高中和中小学新课改。内置多种输入输出，方便拓展，兼容性强，有丰富的智能电子硬件、结构件等周边资源，内置无线网卡，可连接wifi网络，支持物联网功能，能够完成现实应用案例，让学生真正做到学以致用。	主控
6	行空板	行空板是一款拥有自主知识产权的国产教学用开源硬件，采用微型计算机架构，集成LCD彩屏、WiFi蓝牙、多种常用传感器和丰富的拓展接口。同时，其自带Linux操作系统和python环境，还预装了常用的python库，让广大师生只需两步就能开始python教学。内置的SIoT服务搭建物联网系统时（板子本身作为服务器），我们将通过传感器检测到的数据发送到物联网平台。	物联网服务器

六、实施过程

      本系统使用行空板作为物联网服务器，掌控板作为主控，掌控板负责采集各类传感器数据，并将采集到的数据发送给行空板。

      掌控板自带WIFI，可以通过互联网直接与物联网链接，为什么要用行空板作为物联网服务器呢？因为气象站安装在楼顶，没有WIFI，所以无法直接通过互联网进行连接到服务器，而行空板自带WIFI热点，可以满足掌控板将数据发送到行空板。而且互联网上的物联网服务器每一个Topic最多只能支持1000条信息，气象站的数据量比较大，行空板作为物联网服务器存储的数量远大于1000条，所以使用行空板作为物联网服务器，而且这套系统可以放置在任何地方，不管有没有WIFI。

       行空板本身可以连接很多传感器，为什么不直接用行空板作为主控和服务器呢？因为有些传感器例如风速传感器，气压传感器找不到对应的库文件，因此这里还是使用掌控板作为主控采集数据，行空板作为物联网服务器，分工协作。

1.配置行空板

       行空板是一款新型国产教学用开源硬件，集成 LCD 彩色触摸屏、Wi-Fi 通信模块、蓝牙通信模块、多种常用传感器和丰富的扩展接口。同时，其自带 Linux 操作系统和 Python 编译环境，并预装了常用的 Python 库，让使用者只需两步就能开始学习 Python。

       其强大的物联网功能使其可以作为物联网服务器，自带热点功能，不需要借助网络就可以完成物联网搭建的工作，所有设备通过其热点进行连接和数据传输。

       （1）.打开SIOT

       SIoT是一个针对学校场景的开源免费的MQTT服务器软件，可一键创建本地物联网服务器，摆脱联网困扰。与Mind+结合可以让小学生到高中生都可以轻松上手物联网。SIoT可以让我们在内网搭建服务器，降低了物联网的使用门槛，但是如果遇到想通过手机远程控制、查看数据，或者多人使用没有局域网环境只有手机的时候还是想要有外网访问功能。

      行空板自带SIoT，默认是关闭的，我们需要打开SIoT服务。

       通过Home键->应用开关->SIoT服务，如果关闭了则开启。

      （2）打开行空板热点

       通过Home键->开关无线热点模式->打开无线热点，等出现SSID和PASS，然后电脑或者手机连接这个行空板的热点。

       掌控板通过行空板热点连接后，就可以通过MQTT与行空板进行数据通讯了，掌控板将采集到的数据发送给行空板进行存储，我们在需要查看或分析数据的时候使用电脑或收集连接该热点，就可以将所有数据进行下载下拉，进行下一步的分析。

       （3）检测服务是否正确开启

        通过Home键->查看网络信息，界面显示IP地址为：192.168.123.1，说明服务已经开启.

2.开源硬件搭建

      （1）将温湿度传感器、气压传感器、风速传感器连接到掌控板。

      （2）掌控板连接行空板的WIFI热点，并将采集的数据通过MQTT协议进行传输到行空板。

      在这里面比较复杂的是风速传感器，风速传感器一方面需要一个RS485转UART的转接模块进行转接，另外需要12-24V的电压，所以在风速传感器连接这里需要加入一个RS485转UART转接模块和一个升压模块。

3.编程

      编程平台使用Mind+，参考代码如下：

注意：每块行空板的热点名和密码都是不同的，需要根据实际情况进行更改。

物联网的连接设置如下：

4.部署

      （1）制作外观

       此次外观采用亚克力板来制作，一方面是比较耐用，另外透明的属性可以很清楚的看到里面各器件的运作情况，效果如下：

      （2）部署在哪里？

      气象站的部署要遵循几个原则：   

      I.  地势平坦开阔区域

校园气象站尽量不要建在高楼密集的教学区、宿舍区，这样的区域高楼密集，风速、风向、光照等气象参数都会受到一定的影响。如果学校规模不大只能选址楼宇附近，也需要确保两者之间有一定的距离。想要获取到更准确的气象参数，就需要选择地势开阔的区域。一般可以选择建立在足球场、篮球场、湖泊等附近区域。

      II.  无强磁场干扰区域

   众所周知，强磁场会对电子元器件产生很大的影响。设备需要测量到精准的数据，如果周边存在强磁场的话，很多仪器的测量精度都会受到很大的影响，比如，超声波风速风向传感器、超声波流量计等等，都会有可能无法提供准确的数据。所以，在选择地址的时候，要避开强磁场区域。

      III.  不影响行人通行区域

          校园气象站一般都属于中小型气象站，其规模并不是很大，但是在安装的时候也需要注意周边人流走向以及习惯等问题，尽量要选择不影响人们通行的区域搭建。

       根据这几个原则，最终我将气象站部署在实验楼楼顶，正好楼顶有一片菜地，是我们学校的劳动基地。

（3）部署过程中遇到的问题

      在部署的过程中遇到两个问题要解决：

      I.用电问题

      楼顶没有电源插座，拉上去也很不安全，因此如何给气象站供电是一个大问题。

      掌控板需要供电，行空板需要供电，风速传感器更是需要12-24V的电压供电，第一想法是充电宝，我有一个20000mA的充电宝，有多个接口，是可以解决这些设备的供电问题的。

经过测试是完全可行的。

      但是充电宝20000mA也有用完的时候，充好电也需要很长的时间，该如何解决呢？

      于是我考虑到太阳能充电，于是就有了下面这套系统：

      有太阳的时候太阳能板给充电宝充电，充电宝给各系统进行供电，这个问题就解决了。

      但是我查找资料发现一个问题，那就是充电宝如果一直一边充电一边放电，对充电宝电池的寿命有较大影响，因此，需要加一个太阳能电池管理模块。已购买，等到货再进行更换。

      II.防水问题

      防水问题是一个大问题，如果做得太密闭又影响数据测试，如果不密闭又容易因为水导致器件损坏，计划给气象站搭建一个防雨棚。

5.数据采集与分析

      气象站部署好之后要采集数据也非常简单，拿一台笔记本电脑，靠近行空板，连接行空板的热点，然后打开浏览器输入10.1.2.3就可以打开行空板的主页面，点击左边的应用开关，可以看到SIoT正在运行。

      点击“打开页面”按钮，就可以打开SIoT的登陆界面，输入账号密码即可登录。

      账号：siot

      密码：dfrobot

      打开消息列表就可以看到采集到的数据。

      点击导出查询结果，可以下载一个EXCEL文件。然后我们就可以利用EXCEL相关知识对数据进行统计和分析，以温度为例。

      我们会发现实际情况可能与我们平时的感觉不一样，我们会认为中午是最热的，实际上过了12点温度在持续上升，下午三点多四点达到最高峰，然后温度又开始慢慢下降。

七、项目评价

类目	细则	自我评价				教师评价
		A	B	C	D	A	B	C	D
知识	能够利用互联网获取气象站相关的知识
	掌握制作气象站的方法
	掌握探究的方法
	能够把新知识与已有知识相关联
技能	善于发现项目过程中的问题
	利用所学知识和计算机解决项目过程中出现的问题
	善于总结和反思
	与团队成员相互协作，主动承担任务
学习过程	详细记录探究过程与结果
	成果源于真实情况，有据可依
	选择合适的方式展示成果
项目作品	实现在线气象站的基本功能
	充分合理的使用了物联网和人工智能等技术
	作品能在一定的场景中使用并有可改进的机制

还有评价表

优秀，学习了！