物聯網校園氣象站系統設計

主講人：張嘉宇

張嘉宇

DFRobot課程開發工程師，編寫了“信息技術高中基礎教學課程”“行空板Python入門教程”“云雀氣象儀入門教程”等系列科創類文章百余篇，收獲超百萬瀏覽量，曾榮獲VEX機器人世錦賽冠軍。

教學背景

天氣是我們日常生活中不可或缺的一部分，對我們的校園生活也有著舉足輕重的影響。無論是課間活動、運動會，還是戶外考試，學校都需要根據天氣情況來進行調整和策劃，以確保學生的安全和活動的順利進行。因此，及時、準確地了解氣象數據，能夠幫助學生和教職工做出明智的決策和安排。

教師將在本案例中引導學生搭建一個物聯網校園氣象站系統，實現校園內氣象數據的實時獲取，并能夠在學校的不同地方進行遠程查看，同時依據天氣變化遠程控制窗戶開關。

教學目標

1.認識“云雀氣象儀”的特點及功能。2.認識物聯網、SIoT、MQTT。3.學習物聯網氣象站系統的架構。4.學習通過編程實現向物聯網平臺發送并接收數據的方式。

教學重點與難點

教學重點：物聯網氣象站系統的架構設計。

教學難點：編程實現物聯網系統數據的收發。

教學過程

一、情境導入

師：同學們，今天我帶來了一個小神器，你們看這是什么？

學生觀察，描述設備特點。

師：很好，這款設備叫“云雀氣象儀”，你們知道它有什么用嗎？

生1：是不是可以測量氣溫、濕度之類的？

師：沒錯，它不僅可以測量溫度和濕度，還可以測量氣壓、風速和風向。我們可以通過編程，讓它自動收集這些氣象數據。你們覺得這樣做有什么好處呢？

生2：我們可以隨時了解周圍環境的情況，然后做出決策。例如溫度高了，可以打開風扇；起大風了，可以關閉窗戶。

師：非常好！但是如果我們將“云雀氣象儀”放置在操場或者教學樓樓頂，又想在教室查看這些數據，再遠程控制教室窗戶開關，可以怎么做呢？

生3：我們可以把數據發送到網絡上，然后通過手機或電腦查看。

師：同學們都很棒，我們可以把數據發送到物聯網平臺。這樣，無論我們在學校的哪里，只要有網絡，就能查看到這些氣象數據，繼而遠程給教室開關窗戶。今天的課程，我們就來學習如何搭建一個屬于我們自己的物聯網校園氣象站系統。大家準備好了嗎？

學生們：準備好了，老師！

二、知識儲備

教師先對理論知識進行教授，為學生后期應用開發鋪墊知識基礎。

1.認識“云雀氣象儀”

“云雀氣象儀”是一款精致小巧的國產氣象傳感儀器，能夠測量溫度、濕度、氣壓、風速、風向五大氣象要素，并輸出標準物理量數據。同時，它也兼容Arduino、Micro：bit、行空板等常用的開源硬件控制器。

2.認識物聯網

物聯網是借助互聯網、傳統電信網等信息承載體，讓所有能行使獨立功能的普通物體實現互聯互通的網絡。通過物聯網，我們可以用中心計算機將各種機器、設備連接起來，進行集中管理，實現物物相連。例如，將家中的燈、風扇、空調等電器連入物聯網后，可以通過手機來控制它們開關。

3.認識SIoT和MQTT

SIoT是一個為教育定制的物聯網系統，可以幫助中小學生理解物聯網原理，并且能夠基于物聯網技術開發各種創意應用。

MQTT是一個基于客戶端—服務器的消息發布和訂閱的傳輸協議。該協議中有三種身份：發布者（Publish）、代理（Broker）、訂閱者（Subscribe）。信息發布者和信息訂閱者彼此之間并沒有建立直接的聯系，而是通過代理服務器進行中轉溝通。只要它們發布和訂閱的是同一個主題（Topic），即可相互溝通。

4.“云雀氣象儀”擴展庫

在Mind+軟件中，我們可以通過加載“云雀氣象儀”的專屬擴展庫來實現氣象數據的獲取，參考編程積木如圖1所示。

5.MQTT擴展庫

在Mind+中，我們也可以通過加載MQTT擴展庫來實現物聯網數據收發的功能，參考編程積木如圖2所示。

三、動手實踐

師：接下來，同學們動動手，通過“云雀氣象儀”來實時監測學校環境中的溫度、濕度、氣壓、風速、風向數據，將這些數據顯示在屏幕上，之后開啟SIoT物聯網系統，將數據發送至平臺吧！

1.分析設計

師：項目編程正式開始之前，讓我們先來分析討論一下如何設計搭建一個物聯網校園氣象站系統吧！

首先，我們需要進行硬件連接，將一塊行空板作為智能終端，連接傳感器和執行器。傳感器使用“云雀氣象儀”，將其放置在校園中采集氣象數據。執行器使用舵機轉動來模擬窗戶的開關。我們再將第二塊行空板作為服務器端放置在中控室，遠程讀取氣象數據和控制教室窗戶的開關。然后，我們進行網絡配置，將智能終端連接在服務器端板子的熱點下。接著，我們開啟服務器端行空板的SIoT服務。最后，我們分別給兩塊行空板編寫功能程序，完成系統的搭建。

2.硬件連接

學生通過連接線將“云雀氣象儀”和舵機連接到智能終端行空板，并將服務器端和智能終端行空板分別連接到兩臺電腦。

3.網絡配置

教師指導學生開啟服務器端的無線熱點，并登錄行空板網頁菜單，為智能終端配置網絡，使其連在服務器端的無線熱點下。

4.SIoT服務啟動

教師指導學生開啟服務器端行空板的SIoT應用。

5.程序編寫

教師首先指導學生打開編程軟件、導入背景素材圖片、加載擴展庫等，然后講解智能終端和服務器端各分功能段的程序。智能終端行空板功能流程圖如圖3所示，服務器端/移動終端行空板功能流程圖如圖4所示。

6.運行調試

首先，教師指導學生一起運行程序，觀察智能終端和服務器端屏幕顯示。學生會發現兩塊屏幕上的氣象數據保持同步。然后，教師指導學生點擊服務器端屏幕上的“開窗”和“關窗”按鈕，學生會發現智能終端的舵機會轉動到兩個不同的位置。最后，教師指導學生在物聯網平臺上查看氣象數據，并將數據表下載，分析各氣象數據的變化規律，評估氣象情況。

四、拓展與提升

教師和學生討論如何優化屏幕顯示界面，將氣象數據對應的系統時間同步顯示出來。

教學反思

本案例通過讓學生設計物聯網校園氣象站系統，讓學生學會觀察生活，發現物聯網在生活中的應用，然后通過物聯網技術解決生活中的實際問題。

在教學方法上，本案例通過“以問設答”的教學互動，引發學生自主思考，在提升學生科學素養和創新素養的同時，也培養了學生良好的學習習慣。在項目實踐過程中，教師將任務進行拆解，讓學生在一個個小任務中逐步發現問題并學會解決問題，不僅鍛煉了學生的思維能力，同時也提升了他們的綜合素養。