資源簡介

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信息技術 4.2模擬停車場自動收費系統的搭建與調試
課題 模擬停車場自動收費系統的搭建與調試 單元 第四單元 學科 信息技術 年級 八年級
教材分析 信息技術是一門知識性、技能性與創新性相結合的學科。現階段，信息技術教育的理念已發生了質的飛躍，從單純的技能訓練上升為全面的信息素養的培養。教材以提高全體學生信息素養、養成學生自主學習意識和能力、培養學生數字化創新精神，從生活中發現問題、明確任務、確立目標、分析任務。在探究過程中逐步找到解決問題的方法。實用的小技巧，適時點撥關鍵操作。旨在幫助學生掌握信息時代生存與發展必需的基礎知識和基礎技能，養成信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任的核心素養。
教學目標 1、信息意識：了解物聯網應用系統對信息社會發展的作用,具有自主動手解決問題、掌握核心技術的意識。2、計算思維：學會運用計算思維解決停車場自動收費系統中的問題，包括數據采集、傳輸、處理、計算功能的實現等。3、數字化學習與創新：通過搭建和調試停車場自動收費系統，熟悉數字技術的應用，掌握數字化學習和創新的能力。4、信息社會責任：培養對信息社會的責任感和道德意識，關注數據安全和隱私保護等問題。
重點 一、程序設計二、模塊連接三、系統運行與調試
難點 如何提高模擬停車場自動收費系統的性能和可靠性？
教學過程
教學環節 教師活動 學生活動 設計意圖
導入新課 通過實地考察，馬寧把自己的想法描述出來了，但他還不知道該如何具體實施，模擬停車場自動收費系統真的能做出來嗎 一般來說，制作一個物聯網應用系統的作品具體需要哪些步驟 我們在本節解決馬寧的上述疑問，根據前面學習的物聯網原理與知識，使用智能開發板、智能終端、傳感器、執行器，模擬停車場自動收費系統的實現過程，并對系統進行調試。本節我們自己動手，搭建一個簡易的物聯網應用系統并進行調試，通過搭建與調試作品，深入了解物聯網應用中的數據采集、傳輸、處理與反饋過程。 觀看視頻了解模擬停車場自動收費系統的搭建與調試。 幫助學生理解模擬停車場自動收費系統的搭建與調試，打開課堂。
講授新課 一、程序設計1.收費系統應用場景：（1）根據停車場自動收費系統程序的具體應用場景，可以分為 RFID 射頻卡初始化及充值部分和 RFID 感應收費部分，這兩個部分對應的功能都能夠在一個智能開發板上完成，最終通過按智能開發板上的 A、B 按鍵即可分別實現。（2）首先實現 RFID 射頻卡初始化及充值功能。將要識別的 RFID 射頻卡置于智能開發板的 RFID感應區，當按下智能開發板的A鍵后，感應區掃描 RFID射頻卡，并初始化 RFID 射頻卡，同時給 RFID 射頻卡的電子錢包充值。RFID 射頻卡初始化及充值的程序如圖 4.2.1 所示。（3）然后實現 RFID 感應收費功能。它是停車場自動收費系統中實現物聯網應用的主要環節。通過物聯網，系統從RFID 射頻卡的電子錢包中扣費,并將電子錢包中的余額信息發送到用戶的手機上。（4）一般地，物聯網應用系統的程序可以分為傳感器感知部分、數據傳輸部分、執行器控制部分與實驗平臺接收部分。下面我們進行設計與編寫代碼。RFID 感應收費的實現過程是:按下智能開發板的 B鍵，RFID 感應區實時掃描 RFID 射頻卡，當感應到 RFID 射頻卡時進行扣費，按照以上過程編寫的程序與模擬運行后終端接收的消息如圖4.2.2和圖 4.2.3 所示。（5）上面介紹的程序中還有許多不完善的地方，例如，應該設置當檢測到車輛安全通過后再落下擋車閘桿的機制，又如，當 RFID 射頻卡中的錢包有錢時，就不應初始化錢包了。請同學們按照前面敘述的系統應具備的功能，將想要制作的停車場自動收費系統的程序編寫出來，并進一步完善。助力知識：在編寫物聯網應用系統的程序時，可以根據描述功能的流程圖來編寫實現各個功能的程序，如按下 B 鍵進行 RFID 感應扣費的程序，就是根據4.1 節的圖 4.1.2 所示的 RFID 刷卡停車自動收費流程圖編寫的，編寫程序時邏輯要合理，語法要正確。知識拓展：1、數據庫管理：引入數據庫管理系統（DBMS）來存儲和管理停車場數據，例如車輛信息、停車記錄和收費記錄等。通過使用SQL語言進行數據庫操作，可以實現數據的快速檢索、備份和恢復等功能。2、前端開發技術：采用現代化的前端開發技術，如HTML、CSS和JavaScript，可以構建更美觀、交互性更強的用戶界面。還可以考慮使用前端框架和庫，如React、Angular或Vue.js，以提高開發效率和用戶體驗。二、模塊連接1.編寫模擬停車場自動收費系統的程序后，我們需要根據物聯網應用需要實現的功能與實現方式的分解圖來對各個模塊進行連接。在模擬停車場自動收費系統中，模塊的連接主要分為感知模塊的連接與執行器的連接，感知模塊主要使用 RFID 閱讀器實現對 RFID 射頻卡數據的采集，然后將數據通過 I2C 引腳傳輸到智能開發板中。將執行器連接到智能開發板的 PO 引腳上，當接收到智能開發板的命令時，執行相應的動作。圖 4.2.4 為模擬停車場自動收費系統各模塊的連接示意圖。助力知識：1.智能開發板上有若干個實現輸入輸出數字量和模擬量的引腳(見圖4.2.5 的左圖)，2 個連接直流電機的引腳(M1、M2)，還有 2 個連接集成電路的 I2C 引腳。在連接傳感器與智能開發板時，可以利用程序指令中的提示選擇對應的引腳號，如圖 4.2.5 的右圖所示。知識拓展：無線通信技術：應用無線通信技術，如Wi-Fi、藍牙、LoRaWAN或NB-IoT等，實現停車場設備和服務器之間的遠程通信。這樣可以消除有線網絡的限制，并方便地擴展系統的覆蓋范圍。2、車輛識別和認證：結合車牌識別技術、RFID標簽或車載傳感器等，對進入停車場的車輛進行身份識別和認證。這樣可以確保只有授權的車輛才能使用停車場，并提供更精確的計費和管理。三、系統運行與調試1.連接好各個模塊后，需要將程序指令刷入智能開發板，然后運行程序，測試系統的效果。例如，在模擬停車場自動收費系統中，我們通過讀取 RFID 射頻卡的信息，來實現收費、收費信息的傳輸與擋車閘桿的升降。在進行系統測試時，就需要檢查刷卡后智能終端顯示的余額是否正確，擋車閘桿是否實現了正常升降。對系統的測試可以分為兩個部分，程序功能調試與硬件模塊測試。在進行程序功能調試時，需要注意程序是否完整、是否存在邏輯錯誤.是否能夠實現系統的既定功能，發現程序出現報錯信息時，應檢查程序中是否有語法錯誤，是否出現指令缺失。例如，在編寫按下 B 鍵實現 RFID感應收費的程序時，用藍牙發送消息要注意數據的類型轉換，即需要將其他的數據類型轉換為藍牙可發送的字節數據，如圖 4.2.6 所示。在進行硬件模塊測試時，需要通過運行效果來檢查系統功能是否能正常實現。如果出現錯誤，可以從硬件的連接與硬件設備故障兩方面來進行測試與糾正。首先，檢查硬件連接是否正確，每條引腳線是否一一對應;檢查電源中的電量是否充足，用數據線連接電源，檢查程序能否正常運行其次，檢查硬件設備是否出現故障，例如按下 A 鍵無法實現相應效果時可以用智能開發板連接 RFID 閱讀器，編寫采集 RFID 射頻卡信息的程序將閱讀器返回的數據打印(在控制臺顯示)出來，檢查能否正常采集與反饋數據，如圖4.2.7 所示3。助力知識：完成模擬停車場自動收費系統的具體操作流程如下:將程序刷入智能開發板后，控制臺會顯示“刷入成功”的信息，打開手機藍牙 App，找到名稱為“RFID”(名稱可以在程序指令中自己設定)的藍牙設備，將該設備與智能手機連接，連接成功后會在 App 頂端顯示“連接成功”的信息。將RFID 射頻卡靠近 RFID 感應區,首先按下 A 鍵給 RFID 射頻卡初始化并充值，然后按下B 鍵進行 RFID 感應收費及向智能手機發送數據，此時控制臺會顯示藍牙連接成功的信息，接著就可以在智能手機上收到反饋的余額信息了。項目實施：模擬停車場自動收費系統制作與調試1.各小組根據本項目要完成的系統的功能，編寫程序并連接各個模塊。2.小組成員進行分工合作，對系統的功能進行測試。3.根據測試結果思考并嘗試對系統的功能進行優化4.再次完成系統測試，并把結果填寫在表 4.2.1中。知識拓展：日志記錄與分析：實現系統的日志記錄功能，將關鍵事件、錯誤和異常信息等記錄到日志文件中。通過分析日志，可以追蹤問題、監測系統運行狀況，并進行故障排查和性能優化。2、調試工具與技術：使用調試工具和技術來定位和解決系統中的問題。例如，在開發環境中使用調試器進行代碼單步調試，或者使用性能分析工具來檢測系統的瓶頸并進行性能調優。鞏固練習：1.物聯網應用系統制作過程一般包括哪6類？答：（1）需求分析與定義 （2）系統設計與架構（3）開發與編碼 （4）測試與驗證 （5）部署與上線 （6）運維與優化2.完成模擬停車場自動收費系統的基礎功能后，以小組為單位進行討論，從實際需求出發，對系統設計進行拓展。例如，當前系統的停車收費方式為按次收費，而真實場景中通常是按時收費的，請同學們嘗試修改程序，完成實現按時收費的模擬停車場自動收費系統，要實現按時收費，需要用到如圖 4.2.8 所示的編程軟件中關于時間的模塊。 學生通過RFID，學習了解模擬停車場自動收費系統的搭建與調試。學習物聯網應用系統的程序編寫過程。學習拓展延伸。學習系統的實際操作中模塊連接的過程。學習數字量和模擬量的引腳。 學習拓展延伸知識學習系統運行與調試，并加以模擬實踐。學習模擬停車場自動收費系統的具體操作流程。學生進行鞏固實施，并完成表格。學習拓展延伸知識學生根據鞏固練習完成題目，加深對知識的理解。 引導學生用收費系統應用，為之后模塊連接作對比。提高學生篩選信息和信息處理的能力。幫助學生更多地了解物聯網應用系統的程序編寫過程。拓寬學生知識面。幫助學生更多地了解系統的實際操作中模塊連接的過程。增進學生對系統的實際操作中模塊連接的過程的認知。幫助學生更多地了解智能開發板上輸入輸出數字量和模擬量的引腳。拓寬學生知識面。引導學生明確系統運行與調試的重要性，培養學生動手操作能力。培養學生動手操作能力。進一步明確停車場自動收費系統的具體操作流程。引導學生將所學知識和具體實踐相結合。拓寬學生知識面鞏固所學知識。
布置作業 如何提高模擬停車場自動收費系統的性能和可靠性？ 完成作業 培養學生查閱資料的能力，分析解決問題的能力
課堂小結 模擬停車場自動收費系統的搭建與調試需要明確停車場自動收費系統的功能和要求，包括收費標準、計費方式、停車位管理等方面的需求。在搭建完成后，對系統進行全面地測試和調試，驗證系統的正常運行。測試包括模擬車輛進入和離開停車場，驗證計費準確性等。根據實際情況對系統進行優化，提高可靠性和性能。 分組總結歸納 鍛煉學生的總結能力，邏輯思維、語言表達能力。
板書 一、程序設計二、模塊連接三、系統運行與調試 學習、記憶及勾畫知識點 明確教學內容及重點和難點
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第11課 模擬停車場自動收費
系統的搭建與調試
電子工業出版社第三冊
教學目標
1、信息意識：了解物聯網應用系統對信息社會發展的作用,具有自主動手解決問題、掌握核心技術的意識。
2、計算思維：學會運用計算思維解決停車場自動收費系統中的問題，包括數據采集、傳輸、處理、計算功能的實現等。
3、數字化學習與創新：通過搭建和調試停車場自動收費系統，熟悉數字技術的應用，掌握數字化學習和創新的能力。
4、信息社會責任：培養對信息社會的責任感和道德意識，關注數據安全和隱私保護等問題。
情境描述
通過實地考察，馬寧把自己的想法描述出來了，但他還不知道該如何具體實施，模擬停車場自動收費系統真的能做出來嗎 一般來說，制作一個物聯網應用系統的作品具體需要哪些步驟 我們在本節解決馬寧的上述疑問，根據前面學習的物聯網原理與知識，使用智能開發板、智能終端、傳感器、執行器，模擬停車場自動收費系統的實現過程，并對系統進行調試。
情境描述
本節我們自己動手，搭建一個簡易的物聯網應用系統并進行調試，通過搭建與調試作品，深入了解物聯網應用中的數據采集、傳輸、處理與反饋過程。
新知導入
活動1 程序設計
新知講解
1.收費系統應用場景：
（1）根據停車場自動收費系統程序的具體應用場景，可以分為 RFID 射頻卡初始化及充值部分和 RFID 感應收費部分，這兩個部分對應的功能都能夠在一個智能開發板上完成，最終通過按智能開發板上的 A、B 按鍵即可分別實現。
新知講解
（2）首先實現 RFID 射頻卡初始化及充值功能。將要識別的 RFID 射頻卡置于智能開發板的 RFID感應區，當按下智能開發板的A鍵后，感應區掃描 RFID射頻卡，并初始化 RFID 射頻卡，同時給 RFID 射頻卡的電子錢包充值。RFID 射頻卡初始化及充值的程序如圖 4.2.1 所示。
圖 4.2.1 按下 A 鍵完成初始化及充值的程序
新知講解
（3）然后實現 RFID 感應收費功能。它是停車場自動收費系統中實現物聯網應用的主要環節。通過物聯網，系統從RFID 射頻卡的電子錢包中扣費,并將電子錢包中的余額信息發送到用戶的手機上。
圖 4.2.2 按下 B 鍵完成 RFID 感應扣費的程序
新知講解
（4）一般地，物聯網應用系統的程序可以分為傳感器感知部分、數據傳輸部分、執行器控制部分與實驗平臺接收部分。下面我們進行設計與編寫代碼。RFID 感應收費的實現過程是:按下智能開發板的 B鍵，RFID 感應區實時掃描 RFID 射頻卡，當感應到 RFID 射頻卡時進行扣費，按照以上過程編寫的程序與模擬運行后終端接收的消息如圖4.2.2和圖 4.2.3 所示。
圖 4.2.3 終端接收的消息
新知講解
（5）上面介紹的程序中還有許多不完善的地方，例如，應該設置當檢測到車輛安全通過后再落下擋車閘桿的機制，又如，當 RFID 射頻卡中的錢包有錢時，就不應初始化錢包了。請同學們按照前面敘述的系統應具備的功能，將想要制作的停車場自動收費系統的程序編寫出來，并進一步完善。
助力知識
1.在編寫物聯網應用系統的程序時，可以根據描述功能的流程圖來編寫實現各個功能的程序，如按下 B 鍵進行 RFID 感應扣費的程序，就是根據4.1 節的圖 4.1.2 所示的 RFID 刷卡停車自動收費流程圖編寫的，編寫程序時邏輯要合理，語法要正確。
知識拓展
1、數據庫管理：引入數據庫管理系統（DBMS）來存儲和管理停車場數據，例如車輛信息、停車記錄和收費記錄等。通過使用SQL語言進行數據庫操作，可以實現數據的快速檢索、備份和恢復等功能。
知識拓展
2、前端開發技術：采用現代化的前端開發技術，如HTML、CSS和JavaScript，可以構建更美觀、交互性更強的用戶界面。還可以考慮使用前端框架和庫，如React、Angular或Vue.js，以提高開發效率和用戶體驗。
活動2 模塊連接
新知講解
1.編寫模擬停車場自動收費系統的程序后，我們需要根據物聯網應用需要實現的功能與實現方式的分解圖來對各個模塊進行連接。在模擬停車場自動收費系統中，模塊的連接主要分為感知模塊的連接與執行器的連接，感知模塊主要使用 RFID 閱讀器實現對 RFID 射頻卡數據的采集，然后將數據通過 I2C 引腳傳輸到智能開發板中。將執行器連接到智能開發板的 PO 引腳上，當接收到智能開發板的命令時，執行相應的動作。圖 4.2.4 為模擬停車場自動收費系統各模塊的連接示意圖。
新知講解
圖 4.2.4 模擬停車場自動收費系統中各模塊連接示意圖
助力知識
1.智能開發板上有若干個實現輸入輸出數字量和模擬量的引腳(見圖4.2.5 的左圖)，2 個連接直流電機的引腳(M1、M2)，還有 2 個連接集成電路的 I2C 引腳。在連接傳感器與智能開發板時，可以利用程序指令中的提示選擇對應的引腳號，如圖 4.2.5 的右圖所示。
圖 4.2.5 引腳連接類型及指令中選擇引腳的提示
知識拓展
1、無線通信技術：應用無線通信技術，如Wi-Fi、藍牙、LoRaWAN或NB-IoT等，實現停車場設備和服務器之間的遠程通信。這樣可以消除有線網絡的限制，并方便地擴展系統的覆蓋范圍。
知識拓展
2、車輛識別和認證：結合車牌識別技術、RFID標簽或車載傳感器等，對進入停車場的車輛進行身份識別和認證。這樣可以確保只有授權的車輛才能使用停車場，并提供更精確的計費和管理。
活動3 系統運行與調試
新知講解
1.連接好各個模塊后，需要將程序指令刷入智能開發板，然后運行程序，測試系統的效果。例如，在模擬停車場自動收費系統中，我們通過讀取 RFID 射頻卡的信息，來實現收費、收費信息的傳輸與擋車閘桿的升降。在進行系統測試時，就需要檢查刷卡后智能終端顯示的余額是否正確，擋車閘桿是否實現了正常升降。對系統的測試可以分為兩個部分，程序功能調試與硬件模塊測試。
新知講解
2.在進行程序功能調試時，需要注意程序是否完整、是否存在邏輯錯誤.是否能夠實現系統的既定功能，發現程序出現報錯信息時，應檢查程序中是否有語法錯誤，是否出現指令缺失。例如，在編寫按下 B 鍵實現 RFID感應收費的程序時，用藍牙發送消息要注意數據的類型轉換，即需要將其他的數據類型轉換為藍牙可發送的字節數據，如圖 4.2.6 所示。
圖 4.2.6 數據類型的轉換
新知講解
3.在進行硬件模塊測試時，需要通過運行效果來檢查系統功能是否能正常實現。如果出現錯誤，可以從硬件的連接與硬件設備故障兩方面來進行測試與糾正。首先，檢查硬件連接是否正確，每條引腳線是否一一對應;檢查電源中的電量是否充足，用數據線連接電源，檢查程序能否正常運行其次，檢查硬件設備是否出現故障，例如按下 A 鍵無法實現相應效果時可以用智能開發板連接 RFID 閱讀器，編寫采集 RFID 射頻卡信息的程序將閱讀器返回的數據打印(在控制臺顯示)出來，檢查能否正常采集與反饋數據，如圖4.2.7 所示。
新知講解
圖 4.2.7 檢查能否正常采集與反饋數據
助力知識
完成模擬停車場自動收費系統的具體操作流程如下:將程序刷入智能開發板后，控制臺會顯示“刷入成功”的信息，打開手機藍牙 App，找到名稱為“RFID”(名稱可以在程序指令中自己設定)的藍牙設備，將該設備與智能手機連接，連接成功后會在 App 頂端顯示“連接成功”的信息。將RFID 射頻卡靠近 RFID 感應區,首先按下 A 鍵給 RFID 射頻卡初始化并充值，然后按下B 鍵進行 RFID 感應收費及向智能手機發送數據，此時控制臺會顯示藍牙連接成功的信息，接著就可以在智能手機上收到反饋的余額信息了。
項目實施
模擬停車場自動收費系統制作與調試
1.各小組根據本項目要完成的系統的功能，編寫程序并連接各個模塊。
2.小組成員進行分工合作，對系統的功能進行測試。
3.根據測試結果思考并嘗試對系統的功能進行優化
4.再次完成系統測試，并把結果填寫在表 4.2.1中。
表 4.2.1 模擬停車場自動收費系統測試表
測試內容 測試結果與存在的問題 解決方法
項目實施
表 4.2.1 模擬停車場自動收費系統測試表
測試內容 測試結果與存在的問題 解決方法
設備功能測試 數據采集不準確 定期對傳感器和攝像頭進行校準和維護，確保其正常運行和準確檢測車位狀態。
數據采集與處理測試 計費規則錯誤 數據處理算法優化：通過優化數據處理算法和計費規則，提高計費的準確性和一致性。
計費功能測試 用戶界面不友好 優化用戶界面的設計，使其更簡潔、直觀、易于使用。
知識拓展
1、日志記錄與分析：實現系統的日志記錄功能，將關鍵事件、錯誤和異常信息等記錄到日志文件中。通過分析日志，可以追蹤問題、監測系統運行狀況，并進行故障排查和性能優化。
知識拓展
2、調試工具與技術：使用調試工具和技術來定位和解決系統中的問題。例如，在開發環境中使用調試器進行代碼單步調試，或者使用性能分析工具來檢測系統的瓶頸并進行性能調優。
鞏固練習
1.物聯網應用系統制作過程一般包括哪6類？
（1）需求分析與定義 （2）系統設計與架構（3）開發與編碼 （4）測試與驗證
（5）部署與上線 （6）運維與優化
鞏固練習
2.完成模擬停車場自動收費系統的基礎功能后，以小組為單位進行討論，從實際需求出發，對系統設計進行拓展。例如，當前系統的停車收費方式為按次收費，而真實場景中通常是按時收費的，請同學們嘗試修改程序，完成實現按時收費的模擬停車場自動收費系統，要實現按時收費，需要用到如圖 4.2.8 所示的編程軟件中關于時間的模塊。
鞏固練習
圖 4.2.8 編程軟件中的時間模塊
課堂總結
模擬停車場自動收費系統的搭建與調試需要明確停車場自動收費系統的功能和要求，包括收費標準、計費方式、停車位管理等方面的需求。在搭建完成后，對系統進行全面的測試和調試，驗證系統的正常運行。測試包括模擬車輛進入和離開停車場，驗證計費準確性等。根據實際情況對系統進行優化，提高可靠性和性能。
課后作業
問：如何提高模擬停車場自動收費系統的性能和可靠性？
課后作業
答：
（1）硬件設備優化 （2）數據處理與算法優化
（3）網絡通信與數據傳輸優化 （4）異常處理與容錯機制
（5）安全與隱私保護 （6）實時監控與維護
（7）用戶反饋與改進
板書設計
模擬停車場自動收費系統的搭建與調試
一、程序設計
1.收費系統應用場景
二、模塊連接
1.收費系統模塊連接
三、系統運行與調試
1、RFID射頻卡的運行
四、課后作業：如何提高模擬停車場自動收費系統的性能和可靠性？
五、單元知識框架總結
謝謝
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