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[M10项目] 信息科技实验——低成本打造移动数字气象站

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本帖最后由 hnyzcj 于 2023-10-23 16:39 编辑

【项目源起】

在线气象站是义务教育新课标版本中跨学科主题学习案例之一。设计次案例的目的是让人们通过物联网环境下的数字传感器，能更好的比对大尺寸、高密度、实时更新数据，借助人工智能等技术开展预测，可以获取更长期、更为细致的天气预报。

具体而言设计在线数字气象站的育人价值如下：

（1）在线气象站是一个物联网技术典型应用，是一个综合、体现信息科技育人价值观的项目。

（2）通过抓取在线气象数据和采集校园气象站数据，学生可以提高分析汇总数据的能力，养成数据管理和价值挖掘的习惯。

（3）学生可以认识传感器在各场景中的应用，感受跨学科知识在设计、制作、发布、反思改进等环节的作用。

（4）建立在线数字气象站，或采用开放数据集，学生可以感受数据共享过程中系统集成的价值，提高在线协作能力。

综上所述课标中需要建立一个在线数字气象站，可以采集各种气象数据，可以保存各种数据，后期进行气象数据分析等需求。而目前市面上已经有此类产品出现，但存在以下问题：

（1）产品价格昂贵，无法普及体验。

（2）架设位置固定，无法移动测量。

（3）设备成品定位，无法拆解学习。

（4）数据网络存储，本地无法采集。

【设计方案】

针对上述存在的问题，我们采用行空板+BME680的方案予以解决。首先，行空板+BME680总价530元，外加各种辅助器件总价不超过600元；其次，行空板搭建气象站，携带方便，满足移动采集需求；再次，行空板、BME680只是模块，满足了学习者对气象站项目设计、制作、开发、测试整体过程；最后，内置SIOT服务，可部署本地化数据服务器，采集数据导出方便。

【项目展示】

【特色简介】

本项目作品具备功能如下：

（1）数据采集本地化：移动数字气象站是在行空板上开设Siot服务，并以热点方式运行，采集数据全部存储于该行空板本地。

（2）数据采集移动化：由于成本低廉，体积小巧，便于携带，可实现多个移动数字气象站同时，多地采集数据。

（3）数据共享网络化：对于已经采集相关数据的气象站，可与多块行空板互联，从而实现采集本地化，数据共享网络化。

（4）数据呈现图形化；Mind+编程软件提供了数据可视化组件，使用者自己可定制个性化的数据图形化组件。

（5）项目制作过程化：由于使用的是开源硬件行空板作为主控，采用BME680传感器（温室、湿度、气压、海拔），使用者即可体验气象装置制作过程，又可使用该装置完成相关数据的采集。

【硬件材料】

序号	名称	数量
1	行空板	1
2	Gravity: I2C BME680环境传感器 (温度、湿度、气压)	1
3	充电宝	1
4	M3*10铜柱螺丝10套	1
5	M3*12圆头内六角螺丝 10套	若干
6	亚克力板	2

【制作过程】

（1）环境部署

步骤一：配置行空板

由于课堂教学中，教师想让学生能够拿着移动气象站去实地采集气象数据，对于没有无线覆盖的区域采集数据比较麻烦。为此我们采用开启行空板热点的方式。当启动时，会显示板子的热点名称及密码，其他设备可搜索此热点并连接板子，此时板子固定IP为10.1.2.3.

步骤二：开启SIoT服务

行空板中自带SIoT服务，进入系统后，点击“应用开关”连接，进入SIoT开关界面，确认SIoT服务启用，否则采集的数据无法上传，如下图所示行空板已经开启SIoT服务。进入SIoT服务后，新建“温度”、“湿度”、“气压”、“海拔”四个主题。

（2）编程设置：编程使用的是Mind+图形化编程方式+行空板完成上述任务。

步骤一：环境部署

打开Mind+编程软件进入后，将其切换至“python”模式，如下图5处。

鼠标点击左下角“扩展”按钮，在官方库页面中添加“行空板”和“MQTT-py”库，在pinpong库页面中添加“pinpong初始化”和“BME680环境传感器”库，如下图6图7所示。

步骤二：编写程序

▲程序初始化（服务器设置和采集界面设置）

从MQTT、pingpong、BME680指令集中拖着指令如下图8所示，程序指令“初始化MQTT”设置如下所示：MQTT平台选择SIoT，SIoT地址为上述行空板子获取的IP地址，SIoT Port端口为1883，用户名为siot，密码为dfrobot。其中服务器端SIoT服务器地址为：192.168.123.1。MQTT订阅消息分别为“温度”、“湿度”、“气压”、“海拔”。