資源簡介

普 通 高 中 教 科 書
《通用技術》選擇性必修6：智能家居應用設計
第二章 智能家居與物聯通信
第 三 節 簡易物聯網設計
教學設計
教學背景
清晨，天慢慢亮了，臥室自動響起輕柔的音樂把你喚醒；房間亮起柔和的燈光；智能衛浴會為你自動調整洗浴水溫；智能廚房會為你自動烹飪早餐……
你是不是覺得這樣的智能生活離我們還很遙遠？
實現人民對美好生活的向往是我們現代化建設的出發點和落腳點。隨著國家堅持把發展經濟的著力點放在實體經濟上，推進新型工業化，加快建設制造強國、質量強國、航天強國、交通強國、網絡強國、數字中國的進程，我國的科學技術得到了高速的發展。這種帶有科幻色彩的生活場景，已經逐漸走進了人們的生活。小到智能電燈、智能門鎖，大到智能臥室、智能廚房，各種各樣的智能產品已經漸漸地融入了我們的生活，這些就是同學們將在本書學習的內容——智能家居。
教學目標：
知識與技能目標:
1.采用物聯網組網技術，能根據給定應用場景，進行需求分析，畫出系統控制的框架圖，進行簡易物聯網系統的設計和優化。
2.對無線通信組網原理和各種傳感器有感性認識。
3.學會對傳感器進行選型和布局。
教學內容分析:
第一章從與同學們生活密切相關的典型實例開始，通過調查、討論等活動，使同學們了解智能家居的系統特征及技術標準，感悟智能科技應用對家庭生活方式的影響，形成親近、運用智能科技的積極情感。
第二章通過對物聯網技術的技術構成、結構特征、技術標準及傳感器的介紹，使同學們了解物聯網通信標準在智能家居領域的應用，并通過簡單的物聯網系統的設計，了解物聯網的應用，理解智能家居與物聯網的關聯性。
第三章通過實例展示了各種智能家居產品，并讓同學們親歷一個智能家居產品的設計過程，掌握簡易智能家居產品的安裝與調試，同時理解組網、通信和傳感器等的原理和功能。
第四章是一個較為完整的智能家居的設計、優化與搭建過程，通過情景描述的方式，使同學們掌握與用戶進行溝通的方法，并學會需求分析。通過本章的學習，同學們還會學到智能家居的設計原則及對方案進行優化的方法。
學情分析:
學生對智能家居認識有限，他們需要感受先進技術在家庭生活中的運用，需要一個集通信、計算、控制等技術于一體的應用性學習窗口。
智能家居融合了物聯網、人工智能、生物技術、大數據、自動控制等先進技術，意在創設一種智慧感知、協調控制、智能互聯、方便快捷的家居生活環境。
教學重難點:
采用物聯網組網技術，能根據給定應用場景，進行需求分析，畫出系統控制的框架圖，進行簡易物聯網系統的設計和優化。
學會對傳感器進行選型和布局。
教學策略:
始終強調實踐，在書中設置了“討論”“分析”“思考”“知識窗”等欄目。這些欄目的設置，為同學們自主學習、合作學習和探究學習提供了方便。
教學準備:
展示用的圖片、其他技術產品、多媒體課件。
教學過程:
情景導入:
老師：本節課我們學習《通用技術》選擇性必修6：智能家居應用設計　第二章 智能家居與物聯通信第 三 節 簡易物聯網設計。
互聯網將人與人通過網絡連接起來，隨著射頻識別技術的出現，人們開始思考能否將物也連接到互聯網中，將物與物、物與人都通過網絡連接起來，形成一種新興的網絡，這就是物聯網。以智能手機、平板電腦等為代表的移動終端的出現，使互聯網進入了移動互聯網時代，推動了物聯網的新發展，加快了智能家居走向成熟的步伐。
智能家居是一個基于網絡的智能控制系統，它通過家庭網絡把各種設備，如音頻設備、視頻設備、照明設備、窗簾控制、空調控制、安全系統等連接在一起。
一、需求分析
案例
業務員小王經常到全國各地出差。有一次，他在外出差一個多月，回到家時發現家里被盜了。由于小區的個別攝像頭年久失修，加之小區存在許多死角并無攝像監控，無法查找線索。報警后，警察也束手無策，小王很是煩惱。
后來經朋友介紹，他了解到智能家居可以解決他的煩惱，他希望能夠安裝一套智能安防報警系統。當有人進入小王家時，他能夠通過智能手機立即發現；當出現煤氣泄漏、廚房著火等情況時，系統也能進行預警，從而消除安全隱患。
為了節省預算，小王希望不改變原有裝修，用最少的投入、最簡便的解決方案。
在了解小王的需求后，你覺得小王家的智能安防報警系統應該如何設計？分析小王的需求，確定智能安防報警系統的施工方案。
需求分析。由于小王經常出差，家中沒人，為了保障安全，小王需要在家中安裝一套智能安防報警系統，在該系統中需要做到：當有人進入小王家時，系統就會報警；當煤氣泄漏、廚房著火時，系統也會報警。
根據需求分析，為小王繪制了一張如圖2-11（參見教材P31）所示的智能安防報警系統項目圖。
討論
智能安防報警系統是智能家居必備系統之一。圖2-11（參見教材P31）中的火焰傳感器、人體感應傳感器在智能安防報警系統中有何作用。
二、簡易設計
小王家簡易智能安防報警系統的設計將選擇適當的傳感器，并用ZigBee組網。針對非法入侵的情況，可采用門磁傳感器、人體感應傳感器等；針對消防安全保障，可采用火焰傳感器和氣體傳感器。在組網方式上，可用ZigBee采集所有傳感器信息。系統模塊通信結構如圖2-12（參見教材P31）所示。
1．傳感模塊選擇
根據小王的需求，傳感模塊選擇如下：
（1）人體感應傳感模塊。
運用紅外線技術，可探測到模塊周圍人體存在情況。無論人體是移動還是靜止，感應電路都能發出有人的識別信號，達到探測人體的目的。因此，人體感應傳感模塊可應用于人體感應控制方面，以實現紅外防盜。
（2）門磁傳感模塊。
門磁傳感模塊是最簡單的傳感器模塊，它由兩部分組成：磁鐵和干簧管。干簧管是一種磁敏的特殊開關，它的兩個觸點由特殊材料制成，被封裝在真空玻璃管里。當磁鐵接近它時，干簧管的兩個節點就會吸合在一起，電路導通。門磁傳感器的干簧管部分安裝在門框上，磁鐵部分安裝在門上。當門關閉時，磁鐵和干簧管靠在一起，模塊輸出為短路狀態；當門被打開時，磁鐵和干簧管被分開，干簧管斷開，輸出開路信號，由此可檢測到門窗開關狀態。
（3）氣體傳感模塊。
氣體傳感模塊通過監測氣體的濃度來實現火災防范。氣體傳感模塊所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫，當傳感器所處環境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。氣體傳感模塊使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。氣體傳感模塊對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其他可燃蒸氣的檢測也非常理想。
（4）火焰傳感模塊。
火焰傳感器是感知火源的傳感器。火焰是由各種燃燒生成物、高溫氣體及無機物質為主體的高溫固體微粒構成的。火焰的熱輻射包括離散光譜的氣體輻射和連續光譜的固體輻射，其對應火焰溫度的1～2 μm近紅外波長范圍內具有最大的輻射強度。因此，火焰傳感模塊利用紅外線對火焰非常敏感的特點，特制紅外線接收管來檢測火焰，把火焰的亮度轉化為開關的通斷信號。
2．網絡選擇
為了滿足用戶的需求及應用的方便性，網絡選擇如下：
根據用戶的需求，在本項目中需要有線網絡和無線網絡并存。
有線網絡連接在布線施工上非常不便，具有很大的局限性，而且無法將各種移動設備穩定、高速地聯網。相對有線網絡的局限性，無線通信技術不僅能夠克服其弊端，消除有線網絡對接入設備的位置限制，還能夠節省有線網絡傳輸介質的成本。在無線網絡通信技術中，ZigBee技術和Wi-Fi技術被普遍采用。
本設計中，各個傳感器采用ZigBee技術組網，而控制端（如平板電腦、計算機等）采用無線路由器接入。由于ZigBee與無線路由器的網絡協議并不相同，所以在它們中間要加一個協議轉換器。ZigBee網絡采集各路傳感器信號，通過協議轉換器可以轉換成無線路由
器能傳輸的格式，供控制端接收。同樣，控制端通過無線路由器發出的指令，經協議轉換器，也可轉換成ZigBee能傳輸的格式，從而控制傳感器的工作。
三、優化改進
小王的需求是在不改變原來室內裝修的基礎上完成系統的安裝，而在原設計方案中，尚存在以下問題：
（1）無線路由器與計算機的連接是用有線的方式，這會影響室內的美觀。
（2）小王出差在外，想看清闖入家中的人，這在原方案中是不能做到的。
為了能滿足小王的需求，現將原設計方案進行優化，計算機和無線路由器采用Wi-Fi連接，并增加攝像的功能，使小王能查看家中情況，如圖2-13（參見教材P33）所示。
討論
1．攝像頭的組網方式是否可以繼續改進，如何改進？
2．請分析改進后的方案對小王的家居生活會帶來哪些便利，優點在哪里，缺點在哪里。
學習評價
　　　　　　　　　評價內容 評價方式
自評 互評 師評
能闡述物聯網基本概念與特征
了解物聯網的結構及技術構成
了解物聯網的應用，理解智能家居與物聯網的關聯性
熟悉溫度、濕度、光照、煙霧等傳感器，了解傳感器的標準接口
采用物聯網組網技術，能根據給定的應用場景進行需求分析，畫出系統控制的框架圖，進行簡易物聯網系統的設計和優化
對智能家居設備的無線組網原理、各種傳感器形成感性認識，學會對傳感器進行選型和布局
說明：A—優秀，B—良好，C—合格，D—待改進
通過本章的學習，你的核心素養得到了哪些發展？
課后作業
習 題
通過互聯網或圖書館查閱相關資料，ZigBee的網絡拓撲結構有 ＿＿＿＿、 ＿＿＿＿、 ＿＿＿＿。
板書設計
第二章 智能家居與物聯通信
第 三 節 簡易物聯網設計
一、需求分析
二、簡易設計
1．傳感模塊選擇
2．網絡選擇
三、優化改進
教學反思
通用技術
選擇性必修6：智能家居應用設計
普 通 高 中 教 科 書
主 編 劉瓊發
副 主 編：李 榕 周衛星 朱美健 席春玲
本 冊 主 編：謝勝利 周衛星
本冊副主編：肖 明 毛潤政
編 寫 人 員：凌星星 曹宏欽 朱志琦 劉 方
廣東教育出版社
廣東科技出版社

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