高中信息技术教学课程案例—校园气象站系统

校园气象站系统

项目背景

为满足高中信息技术必修二“信息系统与社会”的内容要求，结合人民教育出版社的教材，设计了本项目“校园气象站系统”。

项目简介

在“校园气象站系统”项目中，学生将通过使用云雀气象仪和舵机设定自动灌溉的功能，来了解信息系统中常见的传感与控制；通过组建小型无线网络，将云雀气象仪采集的温度、湿度、气压、风速、风向数据传输给服务器，了解网络在信息系统中的作用；通过开启物联网服务，在移动终端和计算机上远程查看气象信息，了解移动终端和计算机在信息系统中的作用；通过整个“校园气象站系统”的开发，了解信息系统的组成与功能，以及软件在信息系统中的作用。

项目中的主控器为两块行空板，一块行空板为“智能终端”，连接传感器与执行器，作用是放在校园中，采集气象数据；一块行空板为“服务器端”和“移动终端”，放在中控室，作用是开启物联网服务、显示气象信息以及远程控制执行器。

“校园气象站系统”功能展示

信息系统的组成

信息系统是一个由人、软件、硬件、网络和数据资源构成，能够帮助一个组织采集并输入、存储、处理、传输、输出数据，将数据转变为信息，将信息转变为知识，继而支持组织做出快速合理决策的人机系统。

系统架构图

在信息系统中，传感器采集数据并输入给智能终端，智能终端通过由路由器组建的无线网络，将数据传输给服务器。

服务器接收到数据后，将其存储到数据库中，并对它进行处理，之后再将处理过的数据传输给移动终端，以便在它的网页上进行数据分析及数据可视化。

同时，也可通过移动终端网页上的控件，远程向“智能终端”发送消息指令，控制执行器进行输出。

信息系统架构图

系统架构图1

在“校园气象站系统”中，两块行空板可连在由路由器组建的无线网络中。

校园中的行空板１，作为“智能终端”，连接传感器和执行器。

中控室的行空板２，作为“服务器端”，开启Web服务。同时，手机、电脑以及行空板２本身，也可作为移动终端，连接在路由器上，访问服务器，远程查看数据。

“校园气象站系统”架构图1

系统架构图2

在“校园气象站系统”中，也可以使用行空板自带的热点功能，组建小型局域网（不需要额外使用路由器）。

中控室的行空板2开启热点，同时构建服务器；校园中的行空板１连接热点，接入局域网中，实现服务器端与智能终端的数据交换。

通过USB线，电脑作为移动终端，可访问服务器。

本案例采用的是系统架构图2。

“校园气象站系统”架构图2

信息系统的组成-硬件

信息系统中的硬件，是看得见摸得着的设备，在“校园气象站系统”中，硬件包含了计算机，行空板等，具体如下图所示。

“校园气象站系统”硬件组成

在“校园气象站系统”中，使用主控器结合扩展板、传感器、执行器，实现项目功能。

主控器为行空板。

扩展板为IO扩展板。

传感器包括云雀气象仪、水分传感器、PM2.5空气质量传感器。

执行器包括舵机。

各硬件功能介绍如下表：

信息系统的组成-网络（应用架构）

信息系统中的网络采用的是计算机网络，它有局域网、广域网、城域网三大类别。在“智能停车系统”中，“服务器端”行空板开启热点，与连在该热点上的“智能终端”行空板和电脑，构成了一个小型的无线网络（局域网）。

信息系统的网络应用架构有两种，“客户端/服务器架构（C/S架构）”和“浏览器/服务器架构（B/S架构）”。在B/S架构中，用户界面通过浏览器来实现，应用程序则集中于服务器端。本案例采用的是B/S架构。

信息系统的组成-网络（协议）

在“校园气象站系统”案例中，由于采用的是浏览器/服务器架构（B/S架构），仅能使用HTTP网络协议。HTTP网络协议,即超文本传输协议，它是用于从服务器传输超文本到本地浏览器的传送协议。

如果采用客户端/服务器架构（C/S架构），则可以使用MQTT等多种协议。

HTTP协议通信原理

信息系统的组成-软件（开发工具）

主要软件开发功能如下：

在开启网页服务后，通过浏览器向Web框架提交请求数据，Web框架再依据请求从数据库中查询对应的数据，然后将其传入页面文件中，最后将页面文件渲染到浏览器上。

主要工具有：Flask Web框架、HTML、CSS、JavaScript以及SQLite数据库。

Flask Web框架主要用于设计逻辑功能和开启网页服务等。HTML是一种用于设计网页内容（如文字、图片）的超文本标记语言，常常结合CSS和JavaScript一起使用。CSS用于展现网页内容的样式效果（如颜色、字体），JavaScript则是用于实现用户与网页的交互（如点击按钮跳转至新页面）。

在“校园气象站系统”中，数据库选择SQLite数据库，它是一款轻量级的、开源的嵌入式数据库，可用于存储数据。通过数据库可以对其中的数据进行增删改查等操作，在需要时取出数据。

在案例中分析当月空气质量情况时，即从数据库中将气象数据导出至csv文件中，对其进行处理，随后再进行数据可视化，在页面上以折线图的形式呈现结果。

信息系统的组成-数据资源

数据资源是信息系统处理的对象，也是信息系统中的重要部分。

在“校园气象站系统”中，数据资源包含了输入和输出两部分。

信息系统的组成-人

在“校园气象站系统”中，主要的人员是教师，既是信息系统的使用者，也是系统的管理者。

演示视频

硬件接线

在“校园气象站系统”中，所有硬件器材连接在智能终端行空板上，接线原理图如下。

程序流程图-智能终端

在“校园气象站系统”中，“智能终端”行空板的界面、功能流程图如下：

“智能终端”行空板界面图

“智能终端”行空板功能流程图

程序流程图-服务器端

在“校园气象站系统”中，“服务器端”行空板的界面如下图、功能流程图如下：

“服务器端”行空板界面图

“服务器端”行空板功能流程图

外观结构设计

在“校园气象站系统”中，为了便于课堂教学和项目展示，可利用激光切割技术和3D打印技术设计外观结构。

示例结构设计图、安装完成图如下：

“校园气象站系统”结构设计图

“校园气象站系统”安装完成图

资料文件获取

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