资源简介

(共15张PPT)
第五课：规划校园数字气象站
基于物联网的气象数据采集与应用
学习目标
1
理解气象站作用
认识气象数据的采集、传输、存储与可视化。掌握物联网在校园气象监测中的应用。
2
掌握测量手段
熟悉传统测量方法。理解数字化测量手段。
3
培养规划能力
利用物联网知识，设计校园气象站示意图。分析气象数据采集与反馈控制作用。
导入：
想象：
如果你是设计师，你会给校园数字气象站设计哪些实用的功能？
聚焦与背景
教材聚焦
"校园数字气象站可以观测和记录校园气象数据，我们可以根据已有的物联网知识，尝试规划、设计校园数字气象站。"
背景说明
随着网络技术的发展，各种气象数据可以通过在线平台轻松获取。
利用数字化测量手段，我们能更准确地采集、传输和分析气象数据。
做一做：
我们可以浏览“国家气象科学数据中心”网站，查找相关气象数据，体验利用在线气象平台获取气象数据的便捷性。如图所示，查找某个地方的气象综合实况，选择一个气象数据如温度、降水量等，猜猜数据是如何采集、传输、可视化的。
写一写：
通过在线气象平台以及其他网络途径查找资料，写出至少三种气象数据及其表达的含义、传统测量手段、数字化测量手段。填写在教材P32页表格中。
气象数据 含义 传统测量手段 数字化测量手段
降水量 一定时间内，从空中降落到水平面上的雨、雪、冰雹等，假定无渗漏，不流失，也不蒸发，累积起来的水的深度，称为降水量 漏斗式雨量器、虹吸式雨量计、翻斗式雨量计等 翻斗式雨量传感器、压电动能式传感器




气象数据与测量手段
气象数据
传统测量手段
数字化测量手段
温度
温度计
温度传感器
降水量
漏斗式雨量器
翻斗式雨量传感器
湿度
湿度计
湿度传感器
议一议：
通过网络查找资料，了解什么是校园数字气象站，以及它应该具备哪些功能，将查找的内容归纳总结后记录在P33页横线上。
气象数据采集与处理流程
数据采集
气象站通过各种传感器和仪器来采集气象数据，如温度、湿度、气压、风速、风向、降水量等。这些传感器将数据转换为电信号或数字信号，并传输给数据采集设备。
数据传输
数据采集设备将收集到的数据通过有线 或无线方式传输到数据中心或服务器。
数据存储
接收到的数据被存储在数据库或数据文 件中，以便后续处理与分析。
数据处理与分析
对收集到的气象数据进行清洗、转 换、归一化等预处理工作，以便进行后续的数据分析。
校园数字气象站设计要素
1
应用层
终端设备、云平台、数据处理与可视化
2
传输层
有线/无线通信（Wi-Fi、蓝牙、ZigBee）
3
感知层
温湿度传感器、雨滴传感器、气压传感器、风速风向传感器
我们可以使用主控板充当“服务器端”和“智能终端”，用于连接传感 器、执行器，作用是放在校园中，采集气象数据；还可以使用主控板充当“移 动终端”，用于远程读取气象数据和反馈控制。
校园数字气象站原理图构成
传感器与执行器
传感器获取多种气象数据。执行器根据反馈控制执行相应动作。
终端设备
移动终端、计算机终端、智能终端用于显示气象数据。
网络与平台
物联网平台收集、存储气象数据。网络（路由器）提供数据交互。
做一做：
根据已有物联网的知识以及对校园数字气象站的认识，补充完整校园数字气象站原理图，将序号或文字填写在对应的空白处。
①传感器：用于获取多种气象数据
②执行器：根据反馈控制执行相应的 动作
③移动终端：用于显示气象数据并通 过界面反馈控制
④计算机终端：用于显示气象数据以及连接物联网平台
⑤智能终端：用于显示气象数据
⑥物联网平台：用于收集、存储气象数据
⑦网络（路由器）：提供物联网数据交互
⑧其他：_____________________________



数据采集
反馈控制
设计与讨论
分组讨论
校园数字气象站的构思与方案
1
技术选型
传感器选型、传输技术、数据处理方式
2
绘制示意图
智慧校园数字气象站的系统示意图
3
汇报展示
各组汇报设计思路与技术选择依据
4
校园数字气象站示意图设计
传感器采集
温度、湿度、气压、风速、风向、降水量等数据采集。
数据传输
通过Wi-Fi、蓝牙等方式传输数据。
终端显示/云平台
数据在终端显示，同时存储在云平台。
根据校园数字气象站原理图设计校园数字气象站，将示意图画在P34页的方框中。
校园数字气象站示意图设计
感知层：
温湿度传感器
风速传感器
气压传感器
网络层：
路由器/wifi
4G/5G
物联网平台层：
数据存储
数据分析
指令分发
应用层：
计算机终端
移动终端
智能终端
后台管理系统
手机APP实时监控
LED屏本地显示
执行器：
自动雨棚
通风设备
控制教学教案设计
总第 5 课时
课 题 名 称 规划校园气象数字站
学习目标 （包含学科核心素养） 理解并识别校园数字气象站的功能及物联网技术的应用（信息意识、信息社会责任） 掌握气象数据的采集与物联网系统设计思路 提出校园数字气象站的设计方案并进行初步实践（数字化学习与创新、信息社会责任）
问 题 类 型 学生问题 在校园环境中，我们能收集哪些气象数据？为什么这些数据对学校有用？ 气象数据是如何从传感器传输到网络平台并可视化的？物联网技术在其中起了什么作用？ 如何让数字气象站不仅能监测数据，还能对校园环境作出反馈和控制？
学科问题 1. 在设计校园数字气象站时，如何利用物联网三层结构（感知层、传输层、应用层）实现气象数据的采集、传输、存储和处理？ 2.多种气象传感器（如温湿度传感器、雨滴监测器、风速风向传感器）如何协同工作，以满足校园数字气象站的数据需求？ 3. 为什么数据可视化和可用性对于数字气象站同样重要？在物联网系统中，如何实现对气象数据的可视化分析和远程访问？
教师问题 1. 在指导学生规划校园数字气象站时，如何引导他们基于实际需求（如监测降水量、气温、风速等），分层次分析物联网的感知、传输和应用环节？ 2. 面对校园实际环境和资源限制，如何让学生提出既具有创新性又具备可行性的数字气象站设计方案？
问题系统 （星号标出核心问题） 1. 在设计校园数字气象站时，如何利用物联网三层结构（感知层、传输层、应用层）实现气象数据的采集、传输、存储和处理？ 2.多种气象传感器（如温湿度传感器、雨滴监测器、风速风向传感器）如何协同工作，以满足校园数字气象站的数据需求？ 3. 为什么数据可视化和可用性对于数字气象站同样重要？在物联网系统中，如何实现对气象数据的可视化分析和远程访问？
问题探究流程 导（问题引导）、学（自主探究）、探（合作探究）、测（课堂检测）、拓（知识拓展）
导（问题引导）： 教学情境： 展示“国家气象科学数据中心”网站或相关在线气象平台界面，介绍气象数据的获取方式。提问： （学生问题1）：“在校园环境中，我们能收集哪些气象数据？为什么这些数据对学校有用？” 答案：可以收集温度、湿度、气压、风速、风向、降水量等。这些数据可用于校园活动安排、天气预警、环境监测等，为教学和日常管理提供参考。 （学生问题2）：“气象数据是如何从传感器传输到网络平台并可视化的？物联网技术在其中起了什么作用？” 答案：通过传感器（感知层）采集数据，利用无线或有线传输（传输层）将数据发送到云平台或服务器（应用层）进行存储与可视化。物联网在各环节协调数据采集、传输和处理。 教师总结：物联网在气象数据采集、传输、分析中发挥关键作用，为校园数字气象站建设提供技术支持。 学（自主探究）： 自主探究任务： 任务1：认识气象数据及其测量手段 教材内容： 气象数据：温度、湿度、气压、风速、风向、降水量等。 传统测量手段：雨量器、温度计、风向标等。 数字化测量手段：翻斗式雨量传感器、压电动能式传感器、温湿度传感器等。 问题探讨： “在数字化测量手段中，传感器如何将物理量转换为电信号？为什么能提高精确度和自动化程度？” 答案：传感器将温度、湿度等物理量转换成电阻、电容或电压变化，通过信号处理后传输到数据采集设备，从而实现高精度、自动化的数据记录。 任务2：浏览并记录气象数据 学生通过“国家气象科学数据中心”或其他在线平台查找某地气象数据，记录并思考这些数据的采集、传输、可视化流程。 教材引导：学生填写气象数据表，了解传统和数字化测量手段对比。 教师总结：数字化气象测量具备高效率、自动化和可视化优势，为校园数字气象站的规划提供了可行性思路。 三、探（合作探究）： 合作探究任务： 任务1：什么是校园数字气象站？ 教材内容： 校园数字气象站：利用物联网技术，在校园环境中实时监测多种气象数据，实现数据共享和可视化。 学生分组讨论： 校园数字气象站应具备哪些功能？（如实时显示气象数据、预警功能等） 这些功能要依赖哪些传感器和网络设备？ 问题探讨： （学生问题3）：“如何让数字气象站不仅能监测数据，还能对校园环境作出反馈和控制？” 答案：可加入反馈控制，如大风天远程关闭门窗装置；通过终端或云平台向执行器发送指令，实现自动化管理。 任务2：设计数字气象站三层结构 教材内容： 感知层：温湿度、雨滴、气压、风速等传感器 传输层：ZigBee、蓝牙、Wi-Fi等 应用层：终端设备或云平台进行数据呈现与分析 反馈控制：可实现远程开关窗、开启警报等 小组讨论： 选择哪些传感器？ 使用何种传输技术？ 终端呈现方式？ 如何在大风或暴雨时自动响应？ 四（课堂检测）： 课堂检测题目设计: 题目：在数字气象站中，翻斗式雨量传感器属于哪一层设备？ A. 传输层 B. 感知层 C. 应用层 D. 云平台 答案：B. 感知层 解析：翻斗式雨量传感器用于采集降水量数据，属于感知层。 题目：以下哪项措施能让数字气象站对极端天气作出反馈控制？ A. 仅采集数据，不做任何操作 B. 在传输层加密数据 C. 添加执行器并在应用层设置预警程序 D. 增加一个大功率路由器 答案：C. 添加执行器并在应用层设置预警程序 解析：执行器负责具体操作，应用层的预警程序决定何时发出指令，形成反馈控制。 判断题 题目：数据可视化仅在传感器层完成，与应用层无关。 答案：错误 解析：数据可视化一般在应用层或云平台进行，传感器层只负责数据采集。 五、拓（知识拓展）： 情境延伸：从校园数字气象站到智慧城市气象监测 教材延伸： “物联网技术不仅应用于校园气象监测，也可应用于城市大范围气象监测、灾害预警等。” 学生思考： 若在城市中部署大量传感器采集气象数据，可为城市防灾减灾提供更精准的信息。 如何解决数据海量传输和存储的问题？ 问题探讨： “校园数字气象站的设计思路能否推广到更大范围？需要考虑哪些额外挑战？” 答案：需要更高的网络带宽、更多的传感器部署与维护，以及与城市管理部门的数据共享机制等。
板 书 设 计 规划校园气象数字站
一、气象数据及测量手段 数据类型：温度、湿度、气压、风速、风向、降水量等 传统测量：雨量器、温度计、风向标 数字化测量：翻斗式雨量传感器、温湿度传感器、风速风向传感器 二、数据采集与传输流程 采集：传感器获取气象数据 传输：有线/无线（ZigBee、Wi-Fi、蓝牙等）将数据送至终端或云平台 存储与分析：数据库或文件存储，数据可视化与预警 三、校园数字气象站功能 实时监测：温湿度、降水量、风向风速等 可视化展示：终端设备或云平台查看数据 反馈控制：如大风天远程关闭门窗装置
教 学 反 思 规划校园气象数字站
1.贴近校园实际，激发学生兴趣 通过“校园数字气象站”这一贴近学生生活的课题，学生对气象数据采集、传输与分析产生了浓厚兴趣，更能积极参与讨论和设计。 2.注重动手与思维结合，提升综合素养 学生在动手绘制气象站原理图、选择传感器与传输技术的过程中，不仅发展了计算思维，也培养了数字化创新与信息社会责任意识。 3.系统化学习，层层递进 从气象数据的传统与数字化测量手段，到物联网三层结构，再到反馈控制的应用，层层递进的教学设计帮助学生逐步掌握规划校园数字气象站的完整思路。
1第五课：规划校园数字气象站
聚焦：
校园数字气象站可以观测和记录校园气象数据，我们可以根据已有的物 联网知识，尝试规划、设计校园数字气象站。同时，我们也可以通过网络 了解多样化的气象数据数字化测量手段，尝试设计出校园数字气象站的示意图。
探索：
做一做：
随着网络技术的发展，已经可 以很便捷地通过网络获取各种气象数据。请浏览 “国家气象科学数据中心”网站的内容，如右图所示。
我们可以浏览“国家气象科学数据中心”网站，查找相关气象数据，体验利用在线气象平台获取气象数据的便捷性。如下图所示，查找某个地方的气象综合实况，选择一个气象数据如温度、降水量等，猜猜数据是如何采集、传输、可视化的。
写一写：
通过在线气象平台以及其他网络途径查找资料，写出至少三种气象数据及其表达的含义、传统测量手段、数字化测量手段。
气象数据 含义 传统测量手段 数字化测量手段
降水量 一定时间内，从空中降落到水平面上的雨、雪、冰雹等，假定无渗漏，不流失，也不蒸发，累积起来的水的深度，称为降水量 漏斗式雨量器、虹吸式雨量计、翻斗式雨量计等 翻斗式雨量传感器、压电动能式传感器
议一议：
通过网络查找资料，了解什么是校园数字气象站，以及它应该具备哪些功能，将查找的内容归纳总结后记录在下面的横线上。
能量加油站：
气象数据是反映天气的一组数据，它的采集、传输、存储、处理与分析过程如下。
数据采集：气象站通过各种传感器和仪器来采集气象数据，如温度、湿度、气压、风速、风向、降水量等。这些传感器将数据转换为电信号或数字信号，并传输给数据采集设备。
数据传输：数据采集设备将收集到的数据通过有线 或无线方式传输到数据中心或服务器。
数据存储：接收到的数据被存储在数据库或数据文 件中，以便后续处理与分析。
数据处理与分析：对收集到的气象数据进行清洗、转 换、归一化等预处理工作，以便进行后续的数据分析。
设计：
物联系统通过控制数据采集器或传感器来启动数据采集过程。这通常涉及 向传感器发送指令，使其开始工作。在数据采集完成后，系统需要控制数据传输过程，将采集到的数据通过适当的通信协议传输到数据中心或服务器。接收到的数据需要被安全地存储在数据库或数据文件中。
通过前面的学习，我们了解了气象数据的多样性，那么，应该如何设计校园数字气象站
结合前面所学物联网相关知识，在校园数字气象站设计中，我们可以使用 温湿度传感器、雨滴监测器、气压传感器、风速传感器、风向传感器等获取多 种气象数据；通过物联系统将数据同步到物联网云平台中，实现记录、分析数 据；通过搭建具有反馈控制的“大风天远程关闭校园门窗装置”，实现设备的 反馈与控制。
我们可以使用主控板充当“服务器端”和“智能终端”，用于连接传感 器、执行器，作用是放在校园中，采集气象数据；还可以使用主控板充当“移 动终端”，用于远程读取气象数据和反馈控制。
做一做：
根据已有物联网的知识以及对校园数字 气象站的认识，补充完整校园数字气象站原 理图，将序号或文字填写在对应的空白处。
①传感器：用于获取多种气象数据
②执行器：根据反馈控制执行相应的 动作
③移动终端：用于显示气象数据并通 过界面反馈控制
④计算机终端：用于显示气象数据以及连接物联网平台
⑤智能终端：用于显示气象数据
⑥物联网平台：用于收集、存储气象数据
⑦网络（路由器）：提供物联网数据交互
⑧其他：_____________________________
做一做：
根据校园数字气象站原理图设计校园数字气象站，将示意图画在下面的框中。

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