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(共33张PPT)
第六单元 第17课 第二节
基本功能的实现
（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
树立气象数据 “精准采集 - 合规校验” 意识，理解北斗授时、数据疑误检测的关键意义，遵守技术应用规范。
实践 MQTT QoS1、NTP 对时、JSON 格式化，掌握物联网设备 “抗干扰 - 高精度 - 规范化” 数据处理方法。
通过 QoS 配置、NTP 编程、数据质量控制分析，拆解 “传输保障 - 时间同步 - 质量校验” 流程，培养系统可靠性设计思维。
认识系统数据可靠性的核心价值，理解 MQTT QoS、NTP 对数据完整与时间精准的保障，提升物联网系统稳定性设计敏感度。
02
新知导入
03
新知讲解
三、可靠性优化
1.服务质量控制
无线网络传输易受干扰，可能出现网络延迟、数据丢失，需通过 MQTT 协议的服务质量（QoS）控制保障消息稳定传输。
实践与探究
表6-7 MOTT协议的服务质量控制级别
03
新知讲解
MicroPython的MQTT模块只支持QoS0和QoS1。在现有程序中，如果不指定服务质量控制级别，则将QoS0作为默认服务质量控制级别。为了减少数据丢失，可以在publish（）方法中通过参数将服务质量控制级别指定为QoS1。代码为：
小知识
03
新知讲解
QoS2 的实际应用场景
在金融物联网（如智能 POS 机交易数据）、医疗设备（如心电监测数据）等对 “无重复、无丢失” 要求极高的场景中，会采用 QoS2，但需搭配高性能网络（如 5G）降低开销，避免设备资源占用过高。
03
新知讲解
尝试在数据发布程序运行时断开无线路由器的WAN口连接，模拟网络或云平台出现故障的情况，观察QoS设置为0或1时的程序运行状态。
试一试
QoS0：网络断开后数据直接丢失，恢复后无补传；
QoS1：网络恢复后，设备自动重发未确认的消息，云平台能接收断开期间的数据。
03
新知讲解
2.时间记录
为解决 QoS1 发布数据可能重复的问题，明确数据采集时间，可通过开发板内置实时时钟（RTC）记录时间日期。参考程序导入machine模块，声明 RTC 对象后，调用datetime()方法即可获取当前时间及日期。
03
新知讲解
开发板内置实时时钟（RTC）可通过rtc.datetime()获取时间（返回含年、月、日等的 8 元组）。
断电后时间会重置（初始接近 2000 年 1 月 1 日）。
为获取准确时间，需通过 “网络时间协议（NTP）“ 从网络时钟服务器同步，常见系统均用 NTP 校准时钟。
图6-10 实时时钟初始时间日期
03
新知讲解
个人设备依赖 NTP 服务器授时，安全要求高的网络可通过专用 NTP 服务器接收北斗等卫星导航系统的高精度时间（如北斗 300 万年误差 1 秒），在局域网内提供时钟服务。
阅读材料
图6-11 NTP服务器硬件
03
新知讲解
查一查
中国科学院国家授时中心设有授时服务器，请通过网络查询其服务器地址，再查一查还有哪些单位提供了授时服务，填入表6-8中。
03
新知讲解
查一查
单位 NTP 服务器地址
中国科学院国家授时中心 ntp.ntsc.ac.cn
清华大学 ntp.tuna.tsinghua.
北京邮电大学 time.buptnet.
阿里云 ntp.aliyun.com
表6-8 提供授时服务的单位及NTP服务器地址
03
新知讲解
确定 NTP 服务器地址后，可用ntptime模块编写对时程序校准时钟。
程序运行后时间准确，但因 MicroPython 中星期从 0 开始（周一为 0），“星期” 显示与实际有差异。
图6-12 校准后的时钟
03
新知讲解
将时间日期信息加入发布消息，按 JSON 格式编写以提升平台可读性，参考程序可实现带温度和采集时间的消息发布。
程序运行后，平台因消息符合 JSON 规范，会自动以表格形式展示数据，包含平台接收时间、温度数据、设备发布时间三列。
图6-13 平台自动以表格形式显示JSON格式数据
小知识
03
新知讲解
NTP 服务器的层级结构
NTP 服务器分 stratum 1（直接连接北斗、GPS 等授时源）、stratum 2（同步 stratum 1）、stratum 3（同步 stratum 2），校园局域网常用 stratum 2/3 服务器，平衡精度与网络开销。
03
新知讲解
JSON是一种常用的数据格式，适用于程序之间的数据交换。优势显著：易读易写、跨编程语言和操作系统解析、支持数组、对象等复杂数据结构。书写规则：以大括号包裹，数据为键值对；值可是字符串、数字、布尔值、数组、对象或 null。
阅读材料
图6-14 经过格式化的JSON字符串
小知识
03
新知讲解
JSON 与 CSV 的格式选择
JSON 适合传输多字段、结构化数据（如温湿度 + 时间），便于平台自动生成表格（如图 6-13）；CSV 适合纯数值批量存储（如仅温度数据），文件体积更小，可根据 “传输解析” 或 “存储效率” 需求选择。
03
新知讲解
修改程序，在每次发布的消息中加入环境湿度信息。注意:修改过程中要始终保持消息符合JSON格式标准。
试一试
提醒：
需在读取温度后新增湿度读取语句，确保数据来源正确。
JSON 格式中，新增的"hum":"{hum}"需用逗号与其他字段分隔，且键名用双引号包裹，符合 JSON 规范。
03
新知讲解
四、测试验证
系统功能开发后需测试验证，重点完成三项任务：
（1）传感器测试：在温湿度差异环境，用成品温湿度计比对，验证传感器精度。
（2）网络传输测试：配置正确网络、云平台参数，观察设备联网及数据发布是否正常。
（3）独立运行测试：设备独立供电运行数小时 / 数天，观察数据是否异常。
测试中可通过print( )输出信息辅助定位问题。
小知识
03
新知讲解
物联网设备的 “压力测试”
在测试中可模拟极端场景，如频繁断开 / 恢复 Wi-Fi（测试重连逻辑）、高温（40℃以上）环境（测试传感器稳定性），提前暴露系统潜在故障，提升长期运行可靠性。
04
课堂练习
完成单项选择题：
1、下列对 MQTT QoS1 级别的描述正确的是？（ ）
最多发布一次，网络开销小 B. 至少发布一次，保证消息送达
C. 仅发布一次，无丢失无重复 D. 不支持数据重传
2、开发板断电后丢失时间，需通过哪种协议实现时钟校准？（ ）
A. MQTT B. NTP C. JSON D. TCP/IP
B
B
04
课堂练习
3、简述在校园气象系统中，采用 “QoS1+NTP+JSON” 组合方案对数据可靠性的保障作用。
QoS1：通过 “至少一次送达” 机制，解决网络波动导致的数据丢失问题，保障数据传输完整性。
NTP：实现开发板时钟精准同步，为每条数据添加准确时间戳，便于追溯数据采集节点，解决断电丢时间的问题。
JSON：规范数据格式（如温湿度、时间戳的结构化存储），确保平台能自动解析、生成表格，减少数据格式错误导致的解析失败，保障数据可用性。
05
拓展延伸
气象数据对多领域意义重大，我国自动气象站受外部条件影响易故障，需对采集数据进行自动疑误检测，气象站资料质量控制分三级：
有效性检查：检验数据是否符合气象学、物理学规律（如自然温度范围 - 55~55℃）。
一致性检查：含时间一致性（数据变化符合自然规律，如温度秒升 10℃异常）和内部一致性（不同传感器数据比对，如露点温度高于实测温度则异常）。
空间一致性检查：比对空间邻近气象站数据，结果合理则无误。
拓展与深化
05
拓展延伸
气象站资料质量控制应该在气象站的微控制器中实现还是在云乎台中实现 为什么
想一想
气象站资料质量控制应设备端（微控制器）与云端（云平台）协同实现：设备端做有效性检查（如剔除极端温度），保障实时性并减少无效传输。云端做一致性（时间、内部）和空间一致性检查，利用充足算力完成多维度分析。二者协同兼顾实时与全面，保障数据质量。
05
拓展延伸
MQTT QoS 与网络带宽的平衡
当校园网络带宽有限时，对 “非关键数据”（如每 10 秒一次的湿度）用 QoS0，对 “关键数据”（如每小时一次的极端温度）用 QoS1，既保障核心数据可靠，又避免 QoS1 重传占用过多带宽。
05
拓展延伸
边缘计算与云平台协同质量控制
在开发板（边缘端）实现 “有效性检查 + 异常数据暂存”，云端实现 “一致性 + 空间一致性检查”，同时边缘端将异常数据标记后上传，云端分析后反馈 “传感器校准指令”，形成 “采集 - 校验 - 优化” 闭环，提升系统响应速度。
05
拓展延伸
五种常见的通讯协议
06
课堂总结
1
可靠性优化
基本功能的实现 第二节
2
测试验证
4
完成课堂练习
5
进行相关知识拓展
1
2
3
4
07
板书设计
基本功能的实现 第二节
1、可靠性优化
2、测试验证
3、完成课堂练习
4、进行知识拓展
课后作业。
1、添加温度有效性有效性检查逻辑。
2、查气象局规范，比三级控制异同。
08
课后作业
在本课程序中添加温度有效性有效性检查逻辑，核心是当检测到温度低于 - 55℃或高于 55℃时，通过打印 “温度异常，跳过发布” 提示，过滤异常数据并停止发布，确保传输数据符合基本物理规律。
查询 “中国气象局气象数据质量控制规范” 后，需对比其与本课 “有效性 - 一致性 - 空间一致性” 三级控制的相同点（如均以保障数据可靠性为目标，包含基础有效性校验等）和不同点（如规范可能更细化，涉及更多专业气象指标或行业标准等）并简述。
https://www.21cnjy.com/recruitment/home/fine

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