行空板K10——行空气象站

项目来源
为满足《义务教育信息科技课程标准（2022 年版）》中对信息科技课程实践与创新的要求，结合当下对学生跨学科综合能力培养的需求，设计了 “行空气象站” 项目。该项目旨在让学生通过实际动手搭建与编程，深入理解气象数据采集、处理、传输及展示的全过程，体会信息技术与气象科学的深度融合，提升学生对信息科技在日常生活应用中的认知与实践能力。

项目介绍
在 “行空气象站” 项目中，学生将使用行空板 K10 结合云雀气象仪，实现对温度、湿度、风向、风速、气压等气象信息的实时采集。通过语音控制功能，学生可以便捷地开启或停止气象信息的记录，记录的数据将存储在 SD 卡中，方便后续查阅与分析。同时，借助行空板 K10 的 WiFi 模块，连接学校无线热点后，可将气象信息通过物联网平台 SIOT 发送至服务器（电脑接收端），并通过 Mind + 的可视化面板在学校大屏上展示，让全校师生都能直观地了解校园实时气象情况。此外，项目还引入手持式 SCI 采集模块，连接温湿度传感器等采集相关气象信息，与云雀气象仪数据进行对照，以提高数据的准确度，让学生学会从多维度验证与分析数据。

项目知识点

• 物联网技术应用 ：了解物联网的基本架构与工作原理，掌握如何通过物联网平台实现设备间的互联互通与数据传输，体会信息在采集、传输、存储与展示各环节的流转过程。
• 语音控制技术 ：学习语音识别的基本原理，掌握如何通过编程实现语音指令对设备的控制，如语音开启或停止气象信息记录，提升学生对智能交互技术的理解与应用能力。
• 数据存储与管理 ：理解数据存储的重要性与常见方式，学会使用 SD 卡存储气象数据，培养学生对数据进行有效管理与长期保存的意识，方便后续对数据进行统计分析与挖掘。
• 传感器数据采集与处理 ：深入认识各类气象传感器的工作原理与特性，掌握使用云雀气象仪及手持式 SCI 采集模块采集气象数据的方法，学会对采集到的数据进行初步处理与校准，确保数据的准确可靠。
• 数据可视化展示 ：学习利用 Mind + 的可视化面板将气象数据以直观的图表、图形等形式在学校大屏上展示，让学生理解数据可视化的意义与作用，提升学生对数据的分析与解读能力，使复杂的数据更易于被大众理解。
  

项目原理
本项目基于物联网架构实现各功能模块的协同工作。行空板 K10 作为核心控制板，连接云雀气象仪，手持式 SCI 采集模块相配合，负责采集各类气象数据。当语音控制指令通过麦克风传入行空板 K10 后，经程序解析与处理，控制数据采集与记录的开启或停止。采集到的气象数据一方面存储在 SD 卡中，另一方面通过 WiFi 模块连接学校无线热点，利用物联网平台 Easy IOT 将数据发送至服务器。服务器接收到数据后，通过 Mind + 的可视化面板进行处理与展示，实现校园气象信息的实时共享与可视化呈现。同时，手持式 SCI 采集模块采集的数据与云雀气象仪数据相互对照，通过程序进行比对与校准，进一步提高数据的准确度，确保展示的气象信息真实可靠。

硬件介绍

• 行空板 K10 ：集成 ESP32 - S3、摄像头、2.8 寸彩色 LCD、麦克风、扬声器、WiFi 蓝牙模块、RGB 指示灯及多种传感器和扩展接口于一体，支持图像检测、语音识别、语音合成、Mind + 图形化编程，MicroPython 编程，是专为信息科技课程教学需求而研发的开发板，作为本项目的主控板，负责协调各硬件设备的工作与数据处理。
• 云雀气象仪 ：一款集成多种气象传感器的设备，能够精准测量温度、湿度、风向、风速、气压等气象参数，为气象数据采集提供核心支持。
• 手持式 SCI 采集模块 ：连接温湿度传感器等，用于采集对应或额外的气象信息，与云雀气象仪数据相互补充与验证，提高数据的准确度与可靠性。
• SD 卡 ：用于存储采集到的气象数据，方便学生随时查阅历史数据，进行数据分析与处理。
• 物联网平台 Easy IOT ：提供数据传输与存储服务，实现行空板 K10 与服务器之间的数据交互，是气象数据从采集端到展示端的重要桥梁。
• 服务器（电脑接收端） ：接收来自物联网平台的气象数据，并通过 Mind + 的可视化面板进行处理与展示，供全校师生查看校园实时气象情况。
  

硬件接线

• 行空板 K10 与云雀气象仪 ：根据云雀气象仪的接口定义，将气象仪的数据线、电源线正确连接到行空板 K10 的对应I2C接口，确保数据传输稳定与供电正常。将 SD 卡模块的接口插入行空板 K10 的对应卡槽，确保 SD 卡能够正常读写数据，用于存储气象记录。
• 手持式 SCI 采集模块 ：使用合适的连接线将手持式 SCI 采集模块的传感器接口与相应传感连接，实现数据的采集。
  

（行空板 K10 与云雀气象仪）

（手持式 SCI 采集模块）

功能流程

• 数据采集流程 ：行空板 K10 接收语音指令 → 判断是否为采集指令 → 若是，控制云雀气象仪或手持式 SCI 采集模块开始采集气象数据 → 将采集到的数据进行初步处理与校准。
• 数据存储流程 ：处理后的气象数据 → 判断存储指令 → 将数据存储至 SD 卡中，按照预设的文件格式与存储路径进行保存，方便后续查阅。
• 数据传输流程 ：行空板 K10 通过 WiFi 模块连接学校无线热点 → 建立与物联网平台 SIOT 的连接 → 将气象数据发送至物联网平台 → 物联网平台将数据转发至服务器。
• 数据展示流程 ：服务器接收到来自物联网平台的气象数据 → 通过 Mind + 的可视化面板对数据进行处理与展示 → 在学校大屏上呈现直观的气象图表与信息，供师生查看。
  

重点程序截图

• 语音识别与控制程序 ：展示如何通过编程实现对语音指令的识别与解析，以及根据指令控制气象数据采集的开启与停止，关键代码段与逻辑结构清晰呈现，帮助学生理解语音控制的实现原理。
• 数据采集与处理程序 ：呈现从云雀气象仪或手持式 SCI 采集模块读取气象数据的代码，以及对采集到的数据进行校准、滤波等处理的过程，让学生掌握数据采集与预处理的方法。
• 数据存储程序 ：详细展示如何将处理后的气象数据写入 SD 卡，包括文件的创建、打开、写入与关闭等操作，使学生了解数据存储的具体实现方式。
  

（气象数据保存到SD卡）

4.物联网数据传输程序 ：呈现行空板 K10 通过 WiFi 模块连接网络，以及与物联网平台 SIOT 进行数据交互的代码，让学生明白数据传输的流程与关键参数设置。

（气象数据发送到SIOT物联网平台）

5.数据可视化展示程序：展示在 Mind + 中如何将接收到的气象数据进行可视化处理的代码与设置，包括图表类型的选择、数据的绑定与展示效果的调整，帮助学生理解数据可视化的实现过程。

（设置SIOT主题）

（接收气象数据）

（大屏展示）

学生活动设计
对比校园内不同地点的温湿度差异
活动目的
通过对比校园内不同地点的温湿度数据，让学生了解校园内微气候的差异，掌握使用行空空气象站进行多点数据采集的方法，培养学生的实践能力和数据分析能力。
活动准备

• 教师提前确定校园内几个具有代表性的地点，如操场、教学楼走廊、花园、树林等。
• 学生分组，每组 4 - 5 人，准备好记录表格、笔、行空空气象站等设备。
  

活动过程

• 在一个晴朗的上午，学生将行空空气象站分别放置在操场、教学楼走廊、花园、树林等不同地点，确保设备能够正常采集温湿度数据。
• 学生每隔 1 小时，实地到各个地点查看行空板屏幕，记录下当前的温度和湿度数据，同时记录下记录的时间。也可通过物联网大屏进行观察。
• 在一天中的不同时间段（如上午 9 点、10 点、11 点，下午 13 点、14 点、15 点），学生重复上述数据采集过程。
• 下午 15 点，学生结束数据采集，低年级学生可将记录的数据整理到表格中。高年级可通过读取SD卡获取电子数据。
• 学生以小组为单位，对采集到的数据进行分析，低年级可手绘、高年级可利用EXCEL进行分析。绘制不同地点温湿度变化的折线图，对比不同地点的温湿度差异。
• 各小组讨论并总结校园内不同地点温湿度差异的原因，如日照时间、植被覆盖、建筑物遮挡等因素对温湿度的影响。
• 每个小组选派一名代表，在班级内分享本小组的研究成果，其他小组可以提问和交流。
  

活动延伸
学生可以根据研究结果，提出改善校园微气候的建议，如在操场周围种植更多的树木，增加校园绿化面积，以降低操场的温度和提高湿度；或者在教学楼走廊设置遮阳设施，减少阳光直射，改善走廊的温湿度环境。

外观结构设计
为了便于课堂教学和项目展示，学生可利用激光切割技术设计外观结构。整体结构设计为一个模拟气象站的造型，顶部安装云雀气象仪，用于采集各类气象数据；中部设置行空板 K10 屏幕，显示实时气象信息与交互界面；底部可预留空间放置手持式 SCI 采集模块及相关传感器，同时设计合理的走线槽与接口位置，确保各硬件设备连接稳定且外观整洁美观，增强项目的直观性与吸引力。
演示视频

附件下载
1.要在Mind+图形编程中行空板K10上使用云雀，需修改一下原扩展config.json文件，在"board"增加"esp32s3bit"。也可加载修改好的扩展：liliang-yunque-thirdex-V0.0.9.rar
2.程序1中使用到了SD卡读取，原作者的扩展，初始中使用到”等待串口连接“，无法脱机使用。一是修改扩展去掉此项，也可加载修改好的扩展：doudad-sdcard-thirdex-V0.0.2.rar