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(共36张PPT)
第六单元 第16课
需求分析和系统设计
（河北大学版）八年级
1
核心素养目标
3
新知讲解
5
拓展延伸
7
板书设计
2
新知导入
4
课堂练习
6
课堂总结
课后作业
8
01
核心素养目标
信息意识
计算思维
数字化学习与创新
信息社会责任
明确气象数据的合规使用要求，树立数据安全与社会责任意识。
掌握需求分析、系统设计的方法，能选择合适的软硬件并规划系统开发，具备数字化系统设计与实践的能力。
通过分析系统结构、功能需求，建立物联网系统设计的逻辑思维，能对功能进行分类并规划开发流程。
能结合校园微气候研究需求，明确气象数据采集的信息维度与获取方式。
02
新知导入
第六单元 跨学科主题：设计校园气象数据采集系统
校园中的植物分布、建筑布局、地面材质等因素都与校园环境中的气象数据息息相关。物联网技术能否助力我们设计一套校园气象数据采集系统，解码校园微气候，为创造更舒适的学习和生活环境提供科学依据呢？
02
新知导入
02
新知导入
学习目标
明确校园气象数据采集系统的总体开发需求，并将需求转化为开发任务，合理划分出多个开发阶段。
实现温度、湿度等气象数据的采集、上传、云端存储和查看，利用开发板内置存储器和外接屏幕实现监测站本地数据的存储和查看。
尝试通过优化人机交互界面等方式提升系统的可用性。
提升利用物联网技术解决问题的能力，感受物联网技术对生活与社会发展的价值和作用。
02
新知导入
单元主题
为了研究校内一年四季的热舒适度情况，需要长时间对校园内的温度、湿度、风速、风向等数据进行采集。
通过细致且精确的观察与记录，我们不仅能够捕捉到风速的细微波动，还能够依据这些珍贵的数据为校园的绿色环境建设贡献充满创意的点子。
02
新知导入
问题情境
新时代学校是城区中心的一贯制学校，占地 1.6 万平方米，有 3 栋教学楼、图书馆、操场等，近 2000 名师生。室内有 Wi-Fi、室外无 Wi-Fi 但有 5G 网络。
请协助设计支持校园微气候研究的气象数据采集系统，思考：系统由哪几部分组成？需选用哪些软硬件和协议？
图6-1 校园平面示意图
03
新知讲解
一、需求分析
校园气象数据采集系统用于校园微气候研究，需求分析阶段需调查研究内容、条件、环境信息需求，再转化为系统功能需求。
1.调查研究
第一部分是明确研究内容，即通过访谈、查文献确定需采集的气象数据类型、采集周期及时长。
实践与探究
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新知讲解
查一查
查阅文献，回答下列问题。把你的答案写在框内。
①开展校园微气候研究需要采集哪些数据？研究对数据范围和精度有怎样的要求？
答：采集温、湿、风（速、向）、空气质量等数据，温度 20 50℃（±0.5℃）、湿度0 100%RH（±5% RH）、风速0 32m/s、风向 8 方位。
03
新知讲解
查一查
②采集数据的理想周期和最短周期如何确定？
答：理想周期按微气候规律（如每小时），最短周期分钟级（如每 5 分钟）。
③是否需要每天都采集数据？需要在一天当中的哪些时段采集数据？
答：需每天采集，覆盖清晨、上午课间、午后、傍晚等关键时段。
④如何查看采集的数据？从设备中导出数据时是否有特殊格式要求？
答：数据可通过设备屏幕或网页查看，导出需 CSV 格式。
03
新知讲解
第二部分需了解系统所在区域的自然环境信息（校园所在地区海拔、全年温湿度极值等）和技术条件（供电、网络环境等）。因系统设备装在室外，教学楼无线网络对室外覆盖有限，需实地测试网络覆盖范围和信号质量。
03
新知讲解
试一试
将无线路由器安装在室内，在物联网开发板中编写程序连接无线路由器，然后将开发板移至室外，测试能保持网络连接和数据传输效果的最远距离。测试后完成表6-1。
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新知讲解
试一试
表6-1 网络传输性能测试
开发板型号 网络协议和频率 实测最远传输距离
示例开发板 Wi-Fi 802.11n 2.4 GHz 50 米
ESP32 开发板 Wi-Fi 802.11b/g/n 2.4 GHz 80 米
Arduino Uno+Wi-Fi 模块 Wi-Fi 802.11g 2.4 GHz 30 米
03
新知讲解
2.功能需求分析
需关注环境信息的采集、传输、存储、查看等基本功能，兼顾可靠性（如离线存储）、可用性（如屏幕显示清晰），用技术参数描述功能，细化整理为表 6-2。
表6-2校园气象数据采集系统功能需求分层细化表
自动网络状态检测
可通过编程实现 —— 当 Wi-Fi 信号弱于 - 80dBm 时，自动切换至 5G 或 LoRa 网络，确保数据传输不中断，提升系统可靠性。 （如搜索引擎、在线教育），支撑起多样化的数字服务场景。
小知识
03
新知讲解
03
新知讲解
二、系统设计
1.系统结构设计
校园气象监测设备由开发板等组成，多设备，多工作模式。
第一种模式是标准模式，借学校 Wi-Fi 将数据传至云平台，MQTT 服务器仅传消息无存储，需编程支持数据浏览保存。
图6-2标准模式
传感器
开发板
内置屏幕
校园网
网关
无线路由器或无线接入点
MQTT
服务器
数据浏览
网页
数据记录程序和数据库
03
新知讲解
第二种模式是离线模式，网络或服务器中断时，采集设备将数据本地存储，支持计算机读取。
图6-3 离线模式
传感器
开发板
内置屏幕
内置
储存器
03
新知讲解
第三种模式是自组网模式，自组网模式用 LoRa 传输，覆盖广，LoRa 适合物联网应用。
自组网模式下，网关（开发板）连 LoRa 和 Wi-Fi 转发数据。
图6-4 自组网模式
传感器
开发板
内置屏幕
无线路由器或无线接入点
校园网
网关
MQTT
服务器
数据浏览
网页
数据记录程序和数据库
网关
03
新知讲解
2.软硬件选型
软硬件选型需综合功能、性能、兼容、环境适应性、平台等因素：
功能性能：硬件参数（如屏幕）需匹配需求，传感器量程精度等要达标。
兼容性：确保传感器、模块协议（IIC 等）与开发板兼容，不兼容加转换模块。
环境适应性：硬件需适应室外气候（如开发板耐 - 40~85℃，电子墨水屏低温受限）。
平台选择：优先国内开源物联网平台，操作简单，气象数据不得向境外传输。
03
新知讲解
查一查
软硬件 型号 选择理由
温湿度传感器 DHT22 量程精度达标，兼容，满足需求
自组网网络模块 SX1278 远距低耗，适配室外，兼容
屏幕模块 2004 液晶 显示行数 / 字符数满足需求
开发板 ESP32 多协议，扩展强，开发便
物联网平台 中国移动 OneNET 合规，操作简，存储导出完善
其他传感器 FC-28 量程方位满足，信号适配
通过网络查阅资料，初步拟定系统所用软件、硬件的型号，填写下表。
03
新知讲解
对于校园气象数据采集系统，我们需要开发许多功能：采集温湿度传感器数据、连接Wi-Fi网络、自动检测网络状态、通过平台发布数据、记录时间日期、在开发板中存储数据和在屏幕上显示信息等。
03
新知讲解
试一试
请在表6-4中将这些功能划分为基础功能和高级功能两类，以便后期逐步实现。
基础功能 高级功能
采集温湿度、连 Wi-Fi 传数据、屏幕显数据，记录时间日期 自动切网络、离线存储同步、数据可视化
表6-4 功能分类
03
新知讲解
我们将按照图6-5所示的开发流程逐步实现系统的各项功能。
图6-5 开发流程
基础功能开发
高级功能开发
安装传感器
调用传感器测量温湿度
配置云平台
发布温度数据
测试验证
配置QoS，在发布的消息中添加时间日期信息
将发布的消息改为JSON格式
在发布的消息中添加湿度信息
测试验证
安装屏幕模块
检测网络和云平台状态
在离线模式下将数据记录到本地存储器
在屏幕上显示温湿度和时间日期
04
课堂练习
完成单项选择题：
1，校园气象数据采集系统的自组网模式中，负责 “连接 LoRa 与 Wi-Fi 网络” 的设备是（ ）。
A. 传感器 B. 监测设备 C. 网关 D. MQTT 服务器
2，下列软硬件选型中，符合校园室外环境适应性要求的是（ ）。
A. 电子墨水屏（-10℃无法工作） B. LoRa 模块（-40~85℃工作温度）
C. 温湿度传感器（量程 0~50℃） D. 非国内物联网平台（如 AWS IoT）
C
B
04
课堂练习
完成多项选择题：
1，校园气象数据采集系统感知层的功能需求包括（ ）。
采集温湿度数据 B. 自动切换网络
C. 采集风速风向数据 D. 存储数据至平台
2，软硬件选型时需考虑的因素有（ ）。
A. 传感器精度是否达标 B. 开发板与模块是否兼容
C. 物联网平台是否国内合规 D. 设备成本是否过高
AC
ABCD
05
拓展延伸
拓展与深化
校园气象数据采集系统的设计方案需细化，如 MQTT 传输多项气象数据时，可每项数据设单独主题，或合并成一个消息通过同一主题发布。
05
拓展延伸
发布方式 主题 消息
发布方式 1 DeviceID 1001
Temp 25.0
Hum 40.5
发布方式 2 Data {“DeviceID”：1001，“Temp”：25.0，“Hum”：40.5}
表6-5两种消息发布方式
发布方式 2 用 JSON 格式编写消息，方便程序提取数据，还可从网络开销、数据存储等角度细化系统。
05
拓展延伸
LoRa 网络与 5G 网络的校园适配场景差异
LoRa 适合校园室外远距离、低数据量传输（如操场风速数据，每 5 分钟 1 条），功耗低（模块续航 6 个月以上），但速率慢（＜50kbps）。
5G 适合高数据量场景（如含视频的安防监测），速率快但功耗高（需频繁充电），校园气象数据采集优先用 LoRa（成本低、续航久）。
05
拓展延伸
气象数据在校园的二次应用
采集的气象数据除用于微气候研究，还可联动校园服务：如高温（＞35℃）时通过平台推送 “操场活动防晒提醒”，降雨前（湿度骤升 + 风向变化）提醒 “关闭教学楼窗户”，实现数据从 “研究” 到 “服务” 的延伸。
05
拓展延伸
什么是MQTT协议
06
课堂总结
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需求分析
需求分析和系统设计
2
系统设计
4
完成课堂练习
5
进行相关知识拓展
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07
板书设计
需求分析和系统设计
1、需求分析
2、系统设计
3、完成课堂练习
4、进行知识拓展
课后作业。
1、绘制气象数据流转全流程图。
2、对比 “LoRa 网络与 NB-IoT 网络” 的优缺点。
08
课后作业
以小组为单位，绘制校园气象数据采集系统的 “数据流转全流程图”，需标注从 “传感器采集数据” 到 “网页查看数据” 的每一步（含网络类型、设备名称、数据存储位置），例如：温湿度传感器（DHT22）→ESP32 开发板→LoRa 模块（SX1278）→网关→Wi-Fi→OneNET 平台→网页。
查阅资料，对比 “LoRa 网络与 NB-IoT 网络” 在校园气象数据传输中的优缺点（从覆盖范围、功耗、速率、成本角度），撰写 200 字左右的分析短文。
https://www.21cnjy.com/recruitment/home/fine

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