《便携式学生用气象监测胶囊》徐子涵

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摘 要：随着劳动课程的开展，学生在劳动过程中无法及时知悉劳动基地的气象数据，不能科学地开展农作实践活动，从而导致延误农时。因此设计了这种基于blynk的便携式气象监测胶囊供学生使用，它是在传统气象站的基础上，利用掌控板的wifi 功能，将监测到的数据上传至Blynk 服务器；采用了Blynk 物联网，可以通过手机远程实时访问、查看气象数据，同时重新设计了外壳，极大缩减了其占地面积和重量，使学生能够方便携带收纳，十分适合学生在劳动课程中配套使用。

关键词：劳动课程；便携式；气象数据；监测

近年来，随着劳动课程的开展，越来越多的学生参与到劳动中来，而在学生们劳动过程中，许多学生无法及时知悉劳动基地的气象数据，不能很好的将气象与农作相联系，科学开展农作实践活动，从而导致延误农时。基于此状况，课题组提出设计制作一种基于物联网的便携式气象监测装置，以便于学生在劳动课程中使用。

设计背景和目标

近年来，随着劳动课程的开展，越来越多的学生参与到劳动中来。而在学生们劳动过程中，我注意到，许多学生无法及时知悉劳动基地的气象数据，无法很好的将气象与农作相联系，科学开展农作实践活动，从而导致延误农时。

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我们设计了这个便携式学生用气象监测胶囊，目标就是为中学生劳动课程配套使用。

便携式学生用气象监测胶囊，基于传统气象站的基础上，极大缩减了其占地面积和重量，重新设计了外壳，使学生能够方便携带，收纳；

利用掌控板的wifi功能，将监测到的数据上传至Blynk服务器；

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采用了Blynk物联网，可以通过手机远程实时访问、查看气象数据。

作品创新点

多种数据监测：能同时监测温度，湿度，光强，大气压，雨量、土壤湿度等6种常用数据；

远程访问：通过Blynk物联网，学生通过手机可以即时查看监测的气象数据;

电量提示：通过灯条显示剩余电量，能够提示使用者及时充电

轻便可携带：轻型胶囊状外壳，便于收纳、携带。材料清单和相关要求，包括软硬件名称、类型等元器件              规格      数量   主要用途掌控掌控板          2.0      1块   采集传感器数据，并发送至blynk物联网Micro扩展板                  1块    连接传感器等温湿度传感器        DHT11     1个   监测温湿度大气压传感器        BMP388    1个   监测大气压模拟环境光传感器    PT550   1个   监测环境光雨滴传感器          FC-37    1个   监测降雨量土壤湿度传感器      V2        1个    监测土壤湿度声音传感器（可选）  板载      1个   监测声音强度

LED灯条            SW2812     5珠   显示电量

3.7V锂电池         28650      1个

充电模块            TP4056    1块    充电板

拔动开关            SK-12F14

椴木板              若干

3D打印              若干             外壳打印

制作过程

（包括至少 5 个步骤，每个步骤需配合图片和文字说明）

1、初步构思：

我们想到借鉴传统气象站的模式，使用掌控板连接传感器的方式，实时监测气象，并通过掌控板实时将气象数据显示在屏幕上，方便学生查看。屏幕只能显示数值，数据存储、分析都要我们先记录后输入EXECL表格，形成可视化，使用感不够友好。

通过连接多种传感器，气象站可以同时监测多种数据，使得其使用范围扩大，能够很好地满足学生的需求。

使用掌控板连接各类传感器，通过WIFI将采集数据上传到blynk服务器，运用手机blynk app显示采集到的数值或折线图，图形直观精美；编程软件使用图形化编程工具mind+，简单易懂；Blynk服务器可在本地电脑上搭建；如果服务器要长期开启，可以在学校Synology（群晖系统）上搭建，甚至可以作端口映射、外网穿透，外网也可以使用， 通过 4G网络连接，让我们享受Blynk 物联网的快速便捷，脱离网络环境带来的许多困扰，让我们专注科技创新与智能创意的实现。

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本项目使用掌控板2.0+扩展板，具体连接如上图；主要应用温湿度传感器、大气压传感器、模拟环境光传感器、雨滴传感器和掌控板板载的声音传感器等5种传感器，测量6种数据。

序号

传感器

型号

连接针脚

测量数据

单位

备注

1

温湿度传感器

DHT11

P0

温度

°C

湿度

%rh

2

大气压传感器

BMP388

IIC

大气压

kPa

可以测量温度、大气压、海拔三个数据，本项目只用来测量大气压;

3

模拟环境光传感器

PT550

P1

光强

lux

虽然掌控板本身携带有环境光传感器，为了让光强更准确，使用外接传感器。

4

雨滴传感器

FC-37

P2

降雨量

A/D

模拟量 AO 电压输出

5

声音传感器

板载

声音强度

A/D

掌控板板载

模拟量 AO 电压输出

2、外形结构讨论鉴于传统气象站不便移动，难以收纳的缺点，我们也进行了重新设计。通过激光雕刻，3D 打印的方式制作外壳，监测站重量大幅度减轻，学生单手便可轻松拿取，同时将外壳设计成胶囊状，能有效保护内部电子元件，在使用完成后能够及时回收，小体积也方便收纳。

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3、设计定位为学生劳动课使用–气象监测胶囊

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模型制作，激光切割、拼装与3D打印

考虑到作品制作的完整性与难易程度，胶囊外壳使用3D打印，下部使用绿色材料，头部使用透明材料；里面掌控板及传感器安装暂时使用3mm椴木板切割，方便制作。

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顶部安装雨量传感器，微微倾斜，方便排水；以下是laserMaker激光切割图。

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6、硬件连接设计

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6、编程使用掌控板连接各类传感器，通过WIFI将采集数据上传到blynk服务器，运用手机blynk app显示采集到的数值或折线图，图形直观精美；编程软件使用图形化编程工具mind+，简单易懂；Blynk服务器可在本地电脑上搭建。

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编程要注意：1）打开手机Blynk  App，注册自己的blynk帐号，并将授权码复制到微信或发送到邮箱；2）主控板选择“掌控板”；A、用户库调用Blynk库；B、传感器选择GHT11、BMP388；C、模拟环境光传感器、雨滴传感器使用“读取模拟引脚”；

D、声音传感器使用“板载传感器”；3）初始化：A、 WIFI帐号、密码；B 、BMP388C 、将授权码填入blynk的初始化模块，还有blynk服务器的IP地址；4）设置对应测量数值的变量；5）Blynk定时器时间设置1000毫秒；6）将变量发送到对应的Blynk虚拟引脚；7）为了操作方便，掌控板显示屏只四组常见的测量数值；

7、调试

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七、成果（包括外观图片、功能介绍、演示效果等，并提供必要的使用说明）

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功能介绍：

开关隐藏在壳子底下，有充电模块，可充电；

电量正常，呼吸灯会渐亮渐灭，掌控板连接wifi，OLED屏有显示数据；

检测土壤湿度，须将土壤湿度传感器拔出，插入土壤中；

打开手机Blynk  App，进入本项目，即可看到折线图；八、创新与不足5.1创新之处1）多种数据监测：能同时监测温度，湿度，光强，大气压，雨量、土壤湿度等6种常用数据；2）远程访问：通过Blynk 物联网，学生通过手机可以远程实时访问、查看监测气象数据；3）电量提示：通过灯条显示剩余电量，能够提示使用者及时充电；4）轻便可携带：轻型胶囊状外壳，便于收纳、携带，缩减占地面积和重量。5.2 不足之处1)外壳为3D 打印，强度较低，使用寿命大大降低；2)工艺水平的影响，监测箱与胶囊外壳连接处有缝隙，下雨天时容易漏水。

九、结束语

本项目针对传统气象监测装置的不足，通过运用物联网与开源硬件传感技术对其进行了创新设计与制作，大大方便了学生在开展劳动课程与农作实践活动时气象数据的获取与使用，但在使用过程中也存在一些问题，课题组将在后续研究中不断加以改进和完善。

（基金项目名称：宁德市第五届研训基地校2023年度专项课题“义教信息科技课标下的跨学科主题教学实践研究”，课题编号：NDJKYZ23-47。）

参考文献：

[1]邬肖英,徐紫涵.一种便携式气象监测胶囊:202321470745[P][2024-03-22].

[2]苏霞,何盈庆,赵睿导师.基于4G远程数据传输的便携式智能气象站的开发[J].科研, 2017(2):00001-00002.

[3]刘亭,李日永.基于ARM的便携式气象站设计与实现[J].传感器世界, 2009(1):4.

DOI:10.3969/j.issn.1006-883X.2009.01.009.

[4]王文军,聂何婷,辛建官.基于Arduino和LabVIEW的便携式气象站设计[J].数码世界, 2018.DOI:10.3969/j.issn.1671-8313.2018.09.162.

[5]祝文静.基于GPRS无线通讯的便携式气象仪的设计与实现[D].安徽理工大学[2024-03-22].

[6]冒晓莉,杨博,张加宏.基于MSP430单片机的便携式气象仪设计[J].现代电子技术, 2013, 36(10):5.DOI:CNKI:SUN:XDDJ.0.2013-10-043.

九、队伍成员介绍和工作分工说明

本人完成全部设计制作，与指导老师多次交流，参考或借鉴了老师的一些建议。

十、团队工作讨论记录表（可自由增加讨论次数）

第一次讨论：

讨论时间：2023 年 2 月 21 日 16 点 30 分至 18 点 40 分 参会人数：3 人，缺席人数：0 人

主要讨论内容

如何改进传统气象站的缺陷

针对气象站的程序进行改进

主要决定项（会议达成的主要成果，包括对后续方案的决策等）

将外壳改进为方便携带的胶囊形状

2.在简单的气象监测程序上增加 blynk 物联网

下一步行动项

负责人

时间节点

1．将设想的胶囊状外壳模型通过 sketch up 程序简单绘 制出来

徐紫涵

2023 年2 月25 日

2．将 blynk 物联网相关程序添加到原有程序之上

徐紫涵

2023 年2 月22 日

3．开始制作相关 ppt

徐紫涵

2023 年2 月26 日

出席人员签到：徐紫涵，黄宣昊，吴承翰

提前约定下次会议时间：2023 年 3 月1 日

第二次讨论：

讨论时间：2023 年 3 月 1 日 16 点 30 分至 18 点 40 分 参会人数：3 人，缺席人数：0 人

主要讨论内容

ppt 制作相关内容

改进程序

3.如何制作外壳

（二）主要决定项（会议达成的主要成果，包括对后续方案的决策等）

1.制作外壳

2.制作相关 ppt

3.改进程序

下一步行动项

负责人

时间节点

1.开始制作外壳

徐紫涵

2023 年3 月5 日

2．完善相关程序

徐紫涵

2023 年3 月7 日

3．完善相关 ppt

徐紫涵

2023 年3 月8 日

出席人员签到：

提前约定下次会议时间：

2023 年 3 月20 日