资源简介

(共15张PPT)
第六课：校园数字气象站数据采集
感知层搭建与数据采集方案设计
本课程将带您了解校园数字气象站的三层结构、感知层功能及数据采集方案设计。
我们将学习气象传感器原理、硬件连接方法，并通过实践培养创新思维。
教学目标
1
理解结构
掌握校园数字气象站的三层结构及感知层的功能。
2
传感器知识
了解常见气象传感器的名称、工作原理及硬件连接方法。
3
方案设计
能设计数据采集方案并绘制算法流程图。
4
实践能力
通过实践与拓展任务，培养创新思维和合作能力。
导入：
通过前面的学习，我们已经设计出了校园数字气象站示意图，要想通过校园数字气象站获取温湿度、降雨量、气压、风速、风向等气象数据，还需要做些什么呢？
校园数字气象站和其他物联系统一样，也具有三层结构，感知层主要是配合各种传感器节点，实现对校园气象数据的采集。
那采集校园气象数据需要什么样的传感器？
应该设计什么样的数据采集方案？
如何搭建感知层？
探索：认识所需传感器
要想搭建校园数字气象站的感知层，首先要准备好软硬件平台，选取数据采集传感器，然后才能进行开发与实践。
请同学们根据右图的图片，将对应的传感器名称写在对应的图片下方。填写在课本P36页。
①光敏传感器 ②温湿度传感器
③风速传感器 ④风向传感器
⑤气压传感器 ⑥雨量传感器
数据采集需求与三层结构
1
应用层
计算机端显示与预警
2
网络层
主控板+局域网
3
感知层
配合各种传感器节点，实现对校园气象数据的采集
校园数字气象站通过三层结构实现数据采集与处理。
感知层硬件与传感器原理
温湿度传感器
测量环境温湿度，提供基础气象数据。
风速风向传感器
叶片旋转或超声波测风速，检测风向角度。
气压传感器
测量大气压强，预测天气变化。
气象仪功能
集成设计
集成风速、风向、温度、湿度、气压传感器于一体。
直接输出
无需复杂转换，直接输出物理量数据。
便于连接
标准接口设计，易于与主控板连接。
气象仪作为感知层核心设备，简化了数据采集流程。
雨量传感器
探秘雨量传感器的奥秘
这个小小的传感器就像一个神奇的雨滴捕捉器!当雨水落在它的两个电极之间时,会改变它们之间的电容。通过测量这种电容变化,我们就能知道有多少雨滴落下,从而计算出降雨量。这种巧妙的设计让我们能够准确监测天气变化,为气象数据采集提供可靠的基础。
数据采集架构
校园数字气象站系统的数据采集架构如右图所示。在实施过程中，通过路由器构建局域网，在局域网中，使用主控板构建服务器，同时作为智能终端，连接多种传感器与执行器。通过Wi-Fi或者USB线将智能终端主控板连接到计算机上，通过计算机端可访问服务器数据库。
数据采集实施步骤
硬件连接
雨量传感器、气象仪连接主控板。
通信建立
主控板通过Wi-Fi/USB连接计算机。
程序部署
编写程序并上传至主控板。
数据验证
测试数据采集与显示功能。
实践过程：
1.准备硬件。
①主控板X1
②雨量传感器X1
③气象仪X1
2.连接硬件
实践过程
3.编写程序。
(1)写出常规状态下的相关代码模块，
初始化主控板、气象仪和雨量传感器。
(2)配置网络程序，订阅气象数据,如图所示。
实践过程：
4.运行调试。
(1)校园数字气象站系统的硬件接线实物图如图所示，连接完成后调试运行数据采集是否正常，主控板能否正常显示气象数据。
(2)运行调试后，通过计算机端访问智能终端获取气象数据，查看能否收到气象数据，下图所示为实时的雨量数据。
思考并讨论：
作品还有哪些方面可以进行优化？结合现有条件，
思考如何实现降雨警报更加智能化。
降雨警报优化方向
预报整合
结合天气预报数据提前预警
1
语音播报
增加语音模块实现语音提醒
2
移动推送
通过APP推送警报信息
3
基于现有硬件（主控板、传感器）扩展功能模块（如语音模块、网络接口）。
总结与课后任务
知识点回顾
感知层传感器类型与原理
主控板连接与数据传输流程
数据采集方案实施步骤
课后任务
设计自己的气象站连接图
编写风速预警程序（阈值设定）第六课练习习题
简单题（5道）：
校园数字气象站的三层结构中，负责数据采集的是哪一层？
A. 应用层
B. 网络层
C. 感知层
D. 传输层
下列哪个传感器通过电容变化来测量降雨量？
A. 光敏传感器
B. 温湿度传感器
C. 雨量传感器
D. 风速传感器
连接传感器到计算机的中间设备是什么？
A. 路由器
B. 气象仪
C. 主控板
D. 显示屏
气象仪通常集成了以下哪些传感器？（多选）
A. 风速
B. 风向
C. 温湿度
D. 气压
数据采集流程中，风速超过阈值时会触发什么？
A. 数据存储
B. 预警信息
C. 关闭传感器
D. 重启系统
中等题（2道）：
6. 电容式雨量传感器的工作原理基于什么变化？
A. 电阻
B. 电容
C. 电压
D. 电流
7.数据传输的正确路径是？
A. 传感器→计算机→主控板
B. 传感器→主控板→计算机
C. 主控板→传感器→计算机
D. 计算机→主控板→传感器
难题（1道）：
8. 若要优化降雨警报系统，以下哪种方案最不可行？
A. 结合天气预报数据提前预警
B. 增加语音播报功能
C. 使用太阳能供电
D. 通过APP推送警报
判断题（8道）
感知层的主要功能是数据显示和预警。（×）
解析：感知层负责数据采集，应用层处理显示和预警。
风速传感器通常通过旋转叶片测量风速。（√）
解析：常见风速传感器使用叶片旋转或超声波原理。
主控板可以直接测量气压数据。（×）
解析：主控板连接传感器，传感器负责测量，主控板处理数据。
雨量传感器的工作原理是检测光照强度。（×）
解析：雨量传感器通过电容变化检测雨量，光敏传感器检测光照。
构建局域网时只需主控板，无需路由器。（×）
解析：路由器用于构建局域网，主控板作为服务器节点。
气象仪集成了温湿度传感器。（√）
解析：气象仪集成多种传感器，包括温湿度。
数据采集流程中，主控板直接连接计算机无需网络。（×）
解析：可通过Wi-Fi或USB连接，但网络配置通常需要。
优化警报系统时，增加语音播报属于无效方案。（×）
解析：语音播报能提升警报的及时性和可感知性，是有效优化。教学教案设计
总第 6 课时
课 题 名 称 校园数字气象站数据采集
学习目标 （包含学科核心素养） 学生能认识常用气象传感器（如气象仪、雨量传感器）的工作原理，掌握从感知层到终端展示的物联网数据采集流程，培养信息意识与计算思维。 学生能结合硬件清单（主控板、传感器等）与编程流程，设计并调试数据采集程序，发展数字化学习与创新能力，提升对校园气象数据的应用意识。 在搭建和使用数字气象站过程中，学生需关注数据准确性与系统稳定性，认识物联网应用对校园管理与社会生活的责任与影响。
问 题 类 型 学生问题 校园数字气象站需要哪些传感器来采集温度、湿度、雨量、风速等数据？它们的工作原理是什么？ 在搭建感知层时，如何把雨量传感器、气象仪等设备与主控板相连，并通过有线或无线方式实现数据传输？ 编写程序采集气象数据后，如何在主控板显示屏或计算机端查看数据？如果风速超出阈值，该怎样让系统自动预警或提示？
学科问题 1. 在物联网三层结构中，感知层为数字气象站提供了哪些数据采集能力？传输层和应用层又分别承担哪些功能？ 2. 为什么要使用主控板充当服务器端和智能终端？它与计算机端及物联网平台的连接对气象数据的采集、存储和可视化有什么影响？ 3. 如何通过算法流程图描述数据采集、传输与预警的全过程？数据采集器与传感器之间的指令交互是如何实现的？
教师问题 1. 在指导学生设计并调试校园数字气象站时，如何让他们结合硬件清单、传感器特性与编程流程，清晰掌握物联网数据采集的每个环节？ 2. 当学生完成基础数据采集后，如何引导他们思考并实现风速阈值预警、大风自动关窗等反馈控制功能，以提升系统的实用性和创新性？
问题系统 （星号标出核心问题） 1. 在物联网三层结构中，感知层为数字气象站提供了哪些数据采集能力？传输层和应用层又分别承担哪些功能？ 2. 为什么要使用主控板充当服务器端和智能终端？它与计算机端及物联网平台的连接对气象数据的采集、存储和可视化有什么影响？ 3. 如何通过算法流程图描述数据采集、传输与预警的全过程？数据采集器与传感器之间的指令交互是如何实现的？
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： 情境导入： 展示校园气象站实时数据图（如温度、降雨量），提问： “如果让你设计一个校园气象站，需要哪些设备来采集这些数据？” 答案：温湿度传感器、雨量传感器、风速传感器、风向传感器、气压传感器等。 问题链引导： Q1：气象站如何感知天气变化？（引出“传感器”） Q2：传感器采集的数据如何传输到计算机？（引出“主控板+网络配置”） Q3：如果风速过大，系统如何预警？（引出“阈值判断与程序逻辑”） 使用动态数据图展示真实场景，增强代入感。 通过“猜想→验证”模式，让学生先提出假设，再通过后续学习验证答案。 学（自主探究）： 自主探究任务： 活动设计： 任务卡学习： 发放包含传感器图片和功能描述的卡片（对应教材内容），学生自主匹配传感器名称与原理： 图①：光敏传感器→检测光照强度。 图⑥：雨量传感器→通过电容变化测量雨量。 硬件连连看： 提供主控板、传感器实物图（或模型），学生连线完成硬件连接示意图（雨量传感器→主控板→计算机）。 知识点与答案： 传感器工作原理： 雨量传感器：水滴导致电极间电容变化→计算降雨量。 风速传感器：通常采用旋转叶片或超声波测量风速。 硬件清单：主控板、气象仪、雨量传感器、路由器（用于构建局域网）。 使用“任务卡”和“连连看”游戏化学习，增强趣味性。 三、探（合作探究）： 合作探究任务： 活动设计： 小组任务： 每组设计一个数据采集方案，包含以下内容： 传感器选择（如温湿度+风速+雨量）。 数据传输路径（传感器→主控板→服务器→计算机）。 预警逻辑（如风速>10m/s时触发警报）。 流程图绘制： 根据教材中“数据传输过程”，用流程图工具（或纸笔）绘制算法流程图。 传感器采集数据 → 主控板接收 → 显示数据 → 判断风速是否超阈值 → 是→显示预警；否→继续监测 采用“工程师角色扮演”，每组需展示方案并接受其他组“质询”，模拟项目答辩。 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： A. 传输层设备 B. 感知层设备 C. 应用层设备 D. 云平台 答案：B. 感知层设备 以下哪种传感器通过电容变化工作？ A. 光敏传感器 B. 雨量传感器 C. 温湿度传感器 答案：B 主控板的作用是？ A. 仅显示数据 B. 连接传感器与计算机 C. 直接测量气压 答案：B 判断题 题目：在校园数字气象站中，若风速超出阈值时会自动触发预警，这说明系统具备反馈控制能力。 答案：正确 五、拓（知识拓展）： 活动设计： 头脑风暴： 提问：“如何让降雨警报更智能？” 答案 结合天气预报数据，提前预警。 增加语音播报功能。 通过APP推送警报信息。 原型设计挑战： 每组选择一个优化方案，用简图或文字描述实现方法（如编程逻辑、硬件扩展）。 引入“创客思维”，鼓励学生结合生活场景（如校园广播系统）设计解决方案。
板 书 设 计 校园数字气象站数据采集
一、三层结构 感知层：传感器（温湿度、雨量、风速等） 网络层：主控板 + 局域网（Wi-Fi/路由器） 应用层：计算机端显示与预警 二、传感器与原理 雨量传感器：电容变化 → 测雨量 风速传感器：叶片旋转/超声波 → 测风速 气象仪：集成风速、风向、温湿度、气压 三、硬件连接步骤 传感器 → 主控板 主控板 → 计算机（Wi-Fi/USB） 配置网络 → 数据上传
教 学 反 思 校园数字气象站数据采集
1.学生参与度的分层管理需加强 问题：在“合作探究”环节，部分小组出现个别成员主导、其他成员被动参与的现象。 改进方向：采用“角色分工制”（如组长、记录员、汇报员），确保每个学生承担具体任务；增设组内互评机制，激励全员参与。 2.实践环节的时间分配需优化 问题：硬件连接与编程调试环节时间紧张，部分学生未完成全部操作，影响后续数据分析。 改进方向：提前录制微课视频（如主控板连接示范），供学生课前预习；课堂中采用“分段任务制”，分步完成硬件连接、基础代码调试与扩展功能开发。
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