采集環(huán)境溫度教學(xué)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)

初中信息

課題采集環(huán)境溫度單元采集----溫學(xué)科年級(jí)八年級(jí)

技術(shù)

濕度采集器

本課教材圍繞環(huán)境溫度采集器展開，從聚焦溫度感知引出制作需求，探索部分介紹溫度采集

器功能及傳感器知識(shí)。設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)給出功能邏輯，實(shí)踐部分按準(zhǔn)備、連接硬件，編寫、運(yùn)行調(diào)

教材

試程序步驟進(jìn)行，還安排數(shù)據(jù)分析交流活動(dòng)。議一議環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生分析誤差，拓展部分讓學(xué)

分析

生嘗試開發(fā)板自帶模塊并思考其局限性，內(nèi)容豐富，兼具理論與實(shí)踐，有助于提升學(xué)生綜合

能力。

信息意識(shí)：認(rèn)識(shí)到環(huán)境溫度作為一種重要信息，在日常生活和植物栽培等領(lǐng)域有著關(guān)鍵作用，

理解準(zhǔn)確采集環(huán)境溫度信息的意義。

計(jì)算思維：分析環(huán)境溫度采集器的功能需求，將其拆解為初始化連接、定義變量、設(shè)置顯示、

學(xué)習(xí)循環(huán)采集等步驟，培養(yǎng)問題分解能力。

目標(biāo)數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新：借助主控板、DHT11數(shù)字溫濕度傳感器等數(shù)字化工具，以及編程軟件，

完成環(huán)境溫度采集器的制作，學(xué)會(huì)運(yùn)用數(shù)字化工具解決實(shí)際問題。

信息社會(huì)責(zé)任：了解誤差的存在，區(qū)分偶然誤差、系統(tǒng)誤差和人為誤差，明白減少誤差對(duì)獲

取可靠信息的作用，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任感。

重點(diǎn)掌握環(huán)境溫度采集器的制作原理與流程，包括理解溫度傳感器工作機(jī)制，學(xué)會(huì)使用DHT11數(shù)

字溫濕度傳感器采集數(shù)據(jù)；熟悉硬件連接方式，能將傳感器與主控板正確連接；掌握編程步

驟，實(shí)現(xiàn)初始化、變量定義、數(shù)據(jù)顯示及循環(huán)采集功能，完成采集器制作。

難點(diǎn)理解溫度傳感器將環(huán)境溫度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的原理；精準(zhǔn)運(yùn)用編程實(shí)現(xiàn)主控板與傳

感器的數(shù)據(jù)對(duì)接，合理設(shè)置循環(huán)模塊實(shí)現(xiàn)每3秒采集一次數(shù)據(jù)并更新顯示；引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)

驗(yàn)誤差，區(qū)分偶然誤差、系統(tǒng)誤差和人為誤差，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維與數(shù)據(jù)分析能力。

教學(xué)過程

教學(xué)環(huán)節(jié)教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)意圖

導(dǎo)入新課湖南某中學(xué)的植物栽培實(shí)驗(yàn)室中種植著各種各樣了解本單元的通過教師簡(jiǎn)要介

的綠色植物。不同植物對(duì)生長環(huán)境的要求也是不同學(xué)習(xí)主題、學(xué)紹，讓學(xué)生知曉

的，管理員老師要針對(duì)不同的植物調(diào)節(jié)不同的光照習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)本單元的學(xué)習(xí)主

度、空氣溫度、土壤濕度、風(fēng)速等，以保證每一種成果、學(xué)習(xí)路題。

植物的健康成長，隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，融入物徑。

聯(lián)系統(tǒng)的智能栽培室也逐漸被推廣開來。管理員老

師不再需要親自到實(shí)驗(yàn)室調(diào)節(jié)植物的生長環(huán)境，而

是可以利用各種各樣的傳感器獲取有關(guān)溫濕度高

低、光線明暗等的準(zhǔn)確信息和數(shù)據(jù)，然后對(duì)這些數(shù)

據(jù)進(jìn)行加工處理，最終通過智能終端達(dá)到對(duì)溫濕

度、光線等的控制。

在本單元中，我們將使用環(huán)境溫度傳感器和土壤濕

度傳感器來制作一個(gè)智能溫濕度采集器，并進(jìn)一步

探究傳感器在物聯(lián)網(wǎng)感知層中的應(yīng)用。

學(xué)習(xí)Fl標(biāo)

1.利用溫度傳感器制作環(huán)境溫度采集器，了解物聯(lián)

網(wǎng)感知層如何感知溫度。

2.利用濕度傳感器制作土壤濕度采集器，了解物聯(lián)

網(wǎng)感知層如何感知土壤濕度。

3.通過制作溫濕度采集器，體驗(yàn)“物聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”

的簡(jiǎn)單應(yīng)用。

4.通過將溫濕度采集器與LED小燈閃爍警報(bào)結(jié)合，

實(shí)現(xiàn)在植物栽培實(shí)驗(yàn)室中溫濕度采集器的警報(bào)功

能。

5.通過結(jié)合通信模塊，實(shí)現(xiàn)溫濕度采集器在發(fā)出警

報(bào)后還能夠通知相關(guān)人員前來處理的功能，并且設(shè)

計(jì)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，

學(xué)習(xí)成果

制作一個(gè)帶有警報(bào)和通信功能的溫濕度采集器，實(shí)

現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度和土壤濕度數(shù)據(jù)的采集及警報(bào)。

學(xué)習(xí)路徑

學(xué)會(huì)使用環(huán)境

第1課采集環(huán)境溫度

溫度傳感器。

學(xué)會(huì)使用土壤

第2課采集土壤濕度

濕度傳感器。

簡(jiǎn)易溫濕度采學(xué)會(huì)顯示傳感

笫3課

集器器數(shù)據(jù)信息。

為采集器加入

第4課警報(bào)采集結(jié)果信號(hào)警報(bào)功

能。

為采集器加入

智能溫濕度采

第5課信息傳輸功

集器

能。

講授新課一、認(rèn)識(shí)溫濕度傳感器了解本課的學(xué)先介紹溫度概念

溫度是指物體的冷熱程度，人類作為恒溫動(dòng)物，對(duì)習(xí)任務(wù)----制及制作環(huán)境溫度

環(huán)境溫度的感知非常敏銳，而植物對(duì)環(huán)境溫度的變作環(huán)境溫度采采集器的意義，

化感知就遲鈍很多。要想栽培出健康的植物，需要集器。引出溫度傳感

一個(gè)能夠采集環(huán)境溫度的設(shè)備來幫助植物感知溫器。接著說明溫

度。學(xué)會(huì)采集環(huán)境溫度，對(duì)人類智能技術(shù)的發(fā)展也度采集器功能及

很重要。本課我們將制作一個(gè)環(huán)境溫度采集器，每與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)聯(lián)，

3秒采集一次環(huán)境溫度，通過液晶顯示屏將采集到強(qiáng)調(diào)學(xué)會(huì)使用溫

的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)顯示出來。度傳感器的重要

要制作一個(gè)環(huán)境溫度采集器，首先要清楚它的功性。最后聚焦

能。溫度采集器是一個(gè)用來采集環(huán)境溫度數(shù)據(jù)的機(jī)DHT11傳感器，

器。物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)之一就是它可以通過機(jī)器采集數(shù)通過講解其元件

據(jù)、并且通過機(jī)器之間的通信，達(dá)到萬物互聯(lián)。要及NTC熱敏電阻

想采集環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，先要學(xué)會(huì)如何使用溫度傳感特性，為后續(xù)學(xué)

器。生理解傳感器感

能量加油站一一DHT11數(shù)字溫濕度傳感器學(xué)習(xí)DHT11數(shù)知溫度原理做鋪

這是一款能夠檢測(cè)溫濕度的好合傳感器，它內(nèi)置了字溫濕度傳感墊。

一個(gè)測(cè)溫元件、一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)單片器結(jié)構(gòu)。

機(jī).它檢測(cè)的是環(huán)境中的溫濕度。

寫一寫

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器里有一個(gè)電阻式感濕元件

和一個(gè)NTC熱敏電阻。請(qǐng)將各個(gè)選項(xiàng)所對(duì)應(yīng)的字母

填入流程圖模塊的括號(hào)中。

A液晶顯示解B.NTC班敏電電C.DHT11數(shù)字溫濕度傳感器D,環(huán)境

，)化A電二化A二3()

示政變化

參考：

CDQCDCD

師：溫度變化引起測(cè)溫元件電阻值的變化，進(jìn)而引

起電阻兩端電壓的變化，溫度傳感器就是這樣感知

到溫度變化的。

能量加油站

從電阻值與溫度關(guān)系來看，NTC熱敏電阻的阻但隨學(xué)習(xí)NTC熱敏

著溫度的升高而下降。電阻特性。

電阻值|

一般金屬電阻

__—般固定電阻

py-先闡述溫度傳感

、--------------NTC熱敏電阻器數(shù)據(jù)傳輸至主

0溫度

控板的背景,引

二、環(huán)境溫度采集器分析與設(shè)計(jì)

出從編程角度實(shí)

使用溫度傳感器,可以將環(huán)境溫度的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化

學(xué)習(xí)環(huán)境溫度現(xiàn)數(shù)據(jù)接收與輸

成數(shù)字信號(hào)。接下來我們需要將采集到的溫度數(shù)據(jù)

采集器制作步出的探討。接著

傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)的控制中心一一主控板上。在這

驟。詳細(xì)說明初始化

里，我們需要將溫度傳感器和土控板進(jìn)行連接，所

連接、定義變量

采用的數(shù)據(jù)傳輸方式是有線傳輸。

等關(guān)鍵步驟，讓

從編程實(shí)現(xiàn)的角度來看，要想讓主控板能夠接收到

學(xué)生清晰了解編

溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)，并通過顯示屏輸出，應(yīng)該

程流程。最后明

有哪些步驟呢？

確采集器功能并

1.初始化連接。

提及后續(xù)調(diào)試，

首先，我們不僅需要在硬件連接上將傳感器與主控

讓學(xué)生系統(tǒng)掌握

板連接，也需要在軟件編程上將它們進(jìn)行對(duì)接，通

環(huán)境溫度采集器

過軟件編程將“傳感器型號(hào)”“主控板引腳”進(jìn)行

的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方

選擇，從而讓它們之間可以傳輸數(shù)據(jù)。

法。

2.定義變量。

我們把會(huì)隨著時(shí)間變化而不斷變化的量稱作“變

量”。變量并小是憑空出現(xiàn)的，需要先給它命名，

并且賦予一個(gè)初始值，后續(xù)它才可以發(fā)揮作用。在

環(huán)境溫度采集器里，這個(gè)變量就是環(huán)境溫度。在編

寫程序的過程中，要記得定義溫度數(shù)據(jù)，并且給它

獻(xiàn)一個(gè)初始值。

3.設(shè)置液晶顯示屏輸出。

在正式開始采集溫度數(shù)據(jù)之前，我們要將溫度數(shù)據(jù)

的顯示先設(shè)置好，如果只是主控板收到了環(huán)境溫度

數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)員開沒有辦法知道，因此需要通過顯示

屏進(jìn)行輸出，將溫度數(shù)據(jù)這個(gè)變量輸出出來。首先，

需要將變量的初始值進(jìn)行輸出，后續(xù)當(dāng)又重新采集

數(shù)據(jù)時(shí)，更新這個(gè)輸出的數(shù)據(jù)即可。因?yàn)槲覀兌x

的是變量，所以在輸出過程中，屏幕上的內(nèi)容也是

隨著采集到的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)的變化而變化的。

4.循環(huán)3秒采集環(huán)境數(shù)據(jù)。

因?yàn)槭覂?nèi)環(huán)境溫度變化往往沒有特別快，所以環(huán)境

溫度采集器是以3秒為一次采集周期，每過3秒采

集一次環(huán)境溫度,在編程實(shí)現(xiàn)的過程中，需要注意

運(yùn)用循環(huán)模塊，重復(fù)每3秒采集一次這個(gè)操作，并

且同步更新顯示屏上輸出的溫度數(shù)據(jù)。

當(dāng)上述編程全部實(shí)現(xiàn)以后，我們將進(jìn)行程序的調(diào)

試，測(cè)試輸出，檢查能否成功實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度采集器

的功能。

環(huán)境溫度采集器要實(shí)現(xiàn)的功能是，開始階段初始化完善環(huán)境溫度

環(huán)境溫度變量，程序啟動(dòng)開始采集環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，采集器算法流

顯示屏?xí)@示采集到的溫度數(shù)據(jù)，每隔3秒再采集程圖。

一次數(shù)據(jù)并更新顯示結(jié)果。請(qǐng)根據(jù)以上算法邏輯補(bǔ)

全算法流程圖。

先介紹實(shí)驗(yàn)所需

硬件及連接方

開始式，引導(dǎo)學(xué)生思

小組合作實(shí)現(xiàn)考原理。接著說

采集環(huán)境溫度

更新顯示溫度

環(huán)境溫度采集明編寫程序步

器。驟，讓學(xué)生掌握

編程邏輯。運(yùn)行

保持顯示溫度不變調(diào)試環(huán)節(jié)通過記

三、實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度采集器錄分析不同情況

1.準(zhǔn)備硬件。下的溫度數(shù)據(jù)，

本次實(shí)驗(yàn)我們要用到的實(shí)驗(yàn)硬件是主控板和DHT11培養(yǎng)數(shù)據(jù)分析能

數(shù)字溫濕度傳感器。力。最后探討誤

主控板XI差類型，拓展應(yīng)

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器XI用開發(fā)板自帶模

2.連接硬件。塊，拓寬學(xué)生知

將DHT11數(shù)字溫濕度傳感器與主控板的一個(gè)引腳識(shí)面，提升實(shí)踐

(以P21-A為例)連接起來，并且將主控板與電腦進(jìn)與思考能力。

行連接。觀察右圖所示的硬件連接圖，找出數(shù)據(jù)的

傳輸線路，結(jié)合NTC熱敏電阻的原理，思考電壓變

化影響液晶顯示屏示數(shù)變化的過程是在哪個(gè)元器

件上發(fā)生的。

3.編寫程序。

(DPython主程序初始化整個(gè)程序。

⑵初始化DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，對(duì)接主控板

的引腳。

⑶定義變量“溫度數(shù)據(jù)”，并且賦值為0。

(4)設(shè)置液晶顯示屏顯示變量“溫度數(shù)據(jù)”的值。

⑸采用循環(huán)模塊，每3秒讀取一次環(huán)境溫度，并

在液晶顯示屏卜進(jìn)行更新顯示.

4.運(yùn)行調(diào)試。

我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)程序剛開始運(yùn)行時(shí)，液晶顯示屏上顯

示數(shù)字為0,但很快屏幕I：的數(shù)字就更新為當(dāng)前環(huán)

境的溫度數(shù)據(jù)，并且每隔3秒就會(huì)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)更使用制作的環(huán)

新。境溫度采集器

環(huán)境溫度是在動(dòng)態(tài)發(fā)生變化的，因此我們可以通過實(shí)驗(yàn)，并記錄

屏幕上示數(shù)的變化知道現(xiàn)在環(huán)境溫度的高低，下面數(shù)據(jù)。

我們來一起測(cè)試一下我們的溫度采集器是否有足

夠的靈敏度來檢測(cè)出這些變化。我們需要分開做以

下兩組數(shù)據(jù)分析工作：

⑴在不動(dòng)態(tài)改變環(huán)境溫度的情況下，記錄1分鐘

內(nèi)的環(huán)境溫度；

⑵在人為扇風(fēng)的情況下，記錄1分鐘內(nèi)的環(huán)境溫

度。

請(qǐng)將數(shù)據(jù)記在下表中。

時(shí)間/s102030405060

自然環(huán)境溫度/

℃

人為扇風(fēng)情況

下的溫度/℃

拓展實(shí)踐：定時(shí)顯示溫度

我們?cè)跍y(cè)試10秒，20秒等節(jié)點(diǎn)溫度時(shí)，如果看秒

表計(jì)時(shí)就比較麻煩，如何設(shè)計(jì)一個(gè)給定時(shí)間節(jié)點(diǎn)顯

示溫度的程序呢？顯示的樣式可以是10秒:25.6；

再過10秒，顯示20秒：25.7,依次顯示1分鐘內(nèi)

溫度。效果如下圖。

參考程序:

議一議

針對(duì)記錄的數(shù)據(jù)，以小組為單位，根據(jù)平均值、方

差等數(shù)學(xué)概念，分析自然環(huán)境下的溫度變化與人為

學(xué)習(xí)誤差的概

影響下的溫度變化有什么異同。

念。

接下來，請(qǐng)?jiān)诟鱾€(gè)小組之間進(jìn)行對(duì)比，交流分別進(jìn)

行了哪些人為影響的操作，以及最終帶來了什么樣

的結(jié)果。如果結(jié)果與預(yù)期不同，影響因素是什么？

師：在本次實(shí)驗(yàn)中，哪些誤差屬于偶然誤差，哪些

誤差屬于系統(tǒng)誤差，又有哪些誤差是可以避免的人

使用開發(fā)板自

為誤差呢？

帶的溫度傳感

能量加油站一一誤差

模塊制作環(huán)境

誤差是指實(shí)驗(yàn)中獲得的值與它的客觀真實(shí)值在數(shù)

溫度采集器。

值上的不一致。誤差分為三種，分別是偶然誤差、

系統(tǒng)誤差和人為誤差，人為誤差是可以避免的，前

兩個(gè)誤差是不能避免的。

拓展

開發(fā)板也有自帶的溫度傳感模塊。查閱資料，嘗試

應(yīng)用開發(fā)板自帶的溫度傳感模塊來測(cè)量環(huán)境溫度，

并思考做植物溫濕度采集器時(shí)為什么不能用開發(fā)

板自帶的傳感模塊。

參考程序：

效果：

3583I

3597

課后練習(xí)選擇題結(jié)合本課學(xué)習(xí)通過課后練習(xí)，

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器中，NTC熱敏電阻的阻內(nèi)容，獨(dú)立完進(jìn)一步鞏固本課

值變化特點(diǎn)是（）成課后練習(xí)。學(xué)習(xí)的環(huán)境溫度

A.隨著溫度升高而升高采集器相關(guān)的內(nèi)

B.隨著溫度升高而下降容。

C.溫度變化時(shí)代值不變

D.先升高后下降

答案:Be

環(huán)境溫度采集器采集數(shù)據(jù)的周期是（）

A.1秒

B.2秒

C.3秒

D.5秒

答案：C。

判斷題

溫度傳感器是將環(huán)境溫度的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬

信號(hào)。（）

答案：錯(cuò)誤。

人為誤差是可以避免的，偶然誤差和系統(tǒng)誤差不能

避免。（）

答案：正確。

簡(jiǎn)答題

請(qǐng)簡(jiǎn)述制作環(huán)境溫度采集器時(shí)，編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集

與顯示的主要步驟有哪些？

答案：

初始化連接：硬沖上連接傳感器與主控板，軟件上

對(duì)接“傳感器型號(hào)”“主控板引腳”。

定義變量：將環(huán)境溫度定義為變量并賦予初始值。

設(shè)置液晶顯示屏輸出：先輸出變量初始值，后續(xù)采

集新數(shù)據(jù)時(shí)更新輸出。

循環(huán)3秒采集環(huán)境數(shù)據(jù)：運(yùn)用循環(huán)模塊，每3秒

采集一次并更新顯示屏數(shù)據(jù)。

課堂小結(jié)組織學(xué)生分小組總結(jié)本課學(xué)習(xí)內(nèi)容，請(qǐng)每個(gè)小組代在小組討論基學(xué)生自己總結(jié)學(xué)

表說說自己小組總結(jié)的結(jié)果。教師做最后的補(bǔ)充。礎(chǔ)上，推選代習(xí)內(nèi)容是一種學(xué)

參考：同學(xué)們，這節(jié)課我們一起走進(jìn)了環(huán)境溫度采表總結(jié)本課學(xué)習(xí)方法，每次課

集的奇妙世