資源簡(jiǎn)介

中小學(xué)教育資源及組卷應(yīng)用平臺(tái)
第2.3課《物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和反饋控制--物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的搭建》教學(xué)設(shè)計(jì)
課題 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和反饋控制--物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的搭建 單元 第二單元 學(xué)科 信息科技 年級(jí) 八年級(jí)
核心素養(yǎng)目標(biāo) 信息意識(shí)：能夠了解物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)搭建流程，以及理解數(shù)據(jù)在物聯(lián)網(wǎng)中的重要性，能夠識(shí)別和獲取有用的數(shù)據(jù)。計(jì)算思維：能將復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)問(wèn)題分解為更小的可管理部分，理解MQTT 服務(wù)器搭建、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)搭建流程等的操作原理。數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新：可以在學(xué)習(xí)完物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)搭建流程、MQTT 服務(wù)器、MQTT 客戶端編程后結(jié)合所學(xué)進(jìn)行簡(jiǎn)單的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用搭建。信息社會(huì)責(zé)任：在設(shè)計(jì)和實(shí)施物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，能夠考慮其對(duì)社會(huì)和環(huán)境的影響并確保技術(shù)的公平使用，避免數(shù)字鴻溝和不平等現(xiàn)象。
教學(xué)重點(diǎn) 認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)如何獲取信息并了解數(shù)據(jù)在生活中的應(yīng)用。
教學(xué)難點(diǎn) 掌握獲取數(shù)據(jù)背后信息的方式并能有效地幫助更好的生活等。
教學(xué)過(guò)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 第2.3課 《物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和反饋控制--物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的搭建》板書(shū)課題。1.本課中你將學(xué)習(xí)：物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)搭建的流程是什么如何設(shè)置 MOTT服務(wù)器如何對(duì) MOTT 客戶端進(jìn)行編程2.前面我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了很多的物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)，是時(shí)候大顯身手真正動(dòng)手搭建一個(gè)完整的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用了。這一課將從搭建物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器開(kāi)始，選擇合適的物聯(lián)網(wǎng)終端、傳感器和執(zhí)行器，搭建一個(gè)簡(jiǎn)單而又完整的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)模型。3.播放視頻 學(xué)習(xí)新知引入觀看教學(xué)視頻。 初步明確本課所有知識(shí)點(diǎn)。將學(xué)生的注意吸引到課堂。
講授新課 新知講解：板書(shū)課題。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)搭建流程搭建一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，需要經(jīng)歷物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)選擇、智能終端選擇編程語(yǔ)言選擇三個(gè)階段，如圖 2.3.1所示。1.物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)的選擇 通過(guò)對(duì)“MQTT通信機(jī)制”的學(xué)習(xí)，我們知道控制端與被控制端的通信需要服務(wù)器進(jìn)行中轉(zhuǎn)。這個(gè)中轉(zhuǎn)站統(tǒng)稱(chēng)為“物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)”，它可以提供設(shè)備管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)分析等服務(wù)。作為個(gè)人用戶，我們可以直接使用網(wǎng)絡(luò)上已經(jīng)搭建好的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)智能終端與網(wǎng)絡(luò)甚至是手機(jī)端的連接。除了網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，我們還可以選擇在本地建立服務(wù)器，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地。常見(jiàn)的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)有OneNET、阿里云等，我們也可以在本地自建MQTT服務(wù)器。某物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)的產(chǎn)品管理界面如圖2.3.2所示。用戶登錄這些平臺(tái)后便可以設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目，將各種智能終端采集到的數(shù)據(jù)上傳到該項(xiàng)目中，通過(guò)軟、硬件結(jié)合，搭建一套物聯(lián)網(wǎng)信息收集系統(tǒng)。OneNET和阿里云雖然功能強(qiáng)大，但其用戶主要是企業(yè)，不適合為中小學(xué)的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)提供服務(wù)。SIoT是一個(gè)開(kāi)源MQTT服務(wù)器，它擁有數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ)和導(dǎo)出等功能，支持多種操作系統(tǒng)，無(wú)須部署、一鍵運(yùn)行，尤其適用于中小學(xué)的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)。 SIoT的使用方法非常簡(jiǎn)單。軟件運(yùn)行后，不需要任何注冊(cè)和設(shè)置，利用特定“Topic”的名稱(chēng)(“項(xiàng)目名稱(chēng)/設(shè)備名稱(chēng)”)，就能自動(dòng)在數(shù)據(jù)庫(kù)中添加項(xiàng)目和設(shè)備名稱(chēng)，并將消息數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。2.智能終端的選擇 如果僅僅需要完成簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集工作，大部分開(kāi)源硬件都能勝任。在將數(shù)據(jù)上傳至物聯(lián)網(wǎng)時(shí)，有的開(kāi)源硬件需要外接聯(lián)網(wǎng)模塊，而有的開(kāi)源硬件則自帶了Wi-Fi功能，如ESP32、ESP8266等芯片都已經(jīng)提供了聯(lián)網(wǎng)功能，使用很方便。但如果想要實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的語(yǔ)音、錄像功能，則需要選擇功能更豐富的智能終端。3.編程語(yǔ)言的選擇 我們一般使用功能強(qiáng)大且較為主流的Python語(yǔ)言進(jìn)行編程，對(duì)于部分基于C語(yǔ)言進(jìn)行編程的智能終端，可以借助pinpong庫(kù)直接在計(jì)算機(jī)端運(yùn)行 Python 代碼，通過(guò)串口進(jìn)行通信，便可實(shí)現(xiàn)感知和控制。知識(shí)拓展1、搭建物聯(lián)網(wǎng)時(shí)，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)選擇、智能終端選擇、編程語(yǔ)言選擇有哪些要求和注意事項(xiàng)？MQTT 服務(wù)器搭建MQTT是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的核心協(xié)議，之前介紹的幾種物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)它們的共同之處是都使用MQTT協(xié)議來(lái)完成物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸。接下來(lái)就以 SIoT為例，在局域網(wǎng)中搭建一個(gè)私人的 MOTT 服務(wù)器。1.運(yùn)行服務(wù)器程序 以windows操作系統(tǒng)為例，下載與當(dāng)前操作系統(tǒng)匹配的SIoT程序雙擊運(yùn)行執(zhí)行文件，屏幕會(huì)彈出命令提示符窗口，如圖2.3.3所示。這個(gè)窗口顯示的是服務(wù)器后臺(tái)運(yùn)行的細(xì)節(jié)，在整個(gè)過(guò)程中，不要關(guān)閉窗口，否則服務(wù)器進(jìn)程也會(huì)一同關(guān)閉。2.訪問(wèn) Web 管理端 SIoT 提供了 Web 管理功能，即 SIoT在啟動(dòng) MQTT服務(wù)的同時(shí)，還啟動(dòng)了 Web服務(wù)。SIoT的運(yùn)行窗口中列出了本機(jī)的I地址，我們可通過(guò)這個(gè)IP 地址訪問(wèn)自己的 Web 服務(wù)器。SIoT的Web服務(wù)器的默認(rèn)端口號(hào)為8080。如圖2.3.4所示，我們?cè)跒g覽器中輸入 http://本機(jī)IP:8080，即可訪問(wèn)服務(wù)器的網(wǎng)頁(yè)管理端。如果在本機(jī)訪問(wèn)，使用 http://localhost:8080 和http://127.0.0.1:8080，也能夠順利訪問(wèn)。知識(shí)拓展1、MQTT協(xié)議的操作原理是什么？三、MQTT 客戶端編程MQTT的官方團(tuán)隊(duì)提供了很多編程語(yǔ)言的MQTT客戶端范例，包括 C++、Visual Basic、Python等。對(duì)于Python語(yǔ)言，最常用的庫(kù)是采用MQTT 協(xié)議的 siot。 siot 庫(kù)最大的特點(diǎn)是同時(shí)支持Python和MicroPython，代碼簡(jiǎn)潔且容易理解，通過(guò) pip install siot 命令即可完成安裝。1.MQTT 消息的發(fā)送 發(fā)送一條MQTT消息，首先要連接MQTT服務(wù)器。SIoT連接參數(shù)的關(guān)鍵代碼如下，在實(shí)際編寫(xiě)過(guò)程中可以將代表本機(jī)IP地址的127.0.0.1,替換成局域網(wǎng)內(nèi)運(yùn)行SIoT服務(wù)的計(jì)算機(jī)IP地址，IOT_pubTopic可自行命名。然后，使用publish發(fā)送消息。其中，IOTpubTopic是消息的主題名稱(chēng)，SIoT中可以自行定義這個(gè)主題的名稱(chēng)，test001、value是消息的內(nèi)容。下面代碼的功能是每隔1秒向服務(wù)器發(fā)送一次消息。2.MQTT 消息的訂閱 siot采用回調(diào)函數(shù)的方式來(lái)處理消息的訂閱過(guò)程。以下面的代碼為例，siot.subscribe的兩個(gè)參數(shù)分別是要訂閱的消息名稱(chēng)(IOT pubTopic)和接收到消息要運(yùn)行的回調(diào)函數(shù)名稱(chēng)(subcb)。當(dāng)名稱(chēng)等于變量IOTpubTopic的主題接收到消息時(shí)，就會(huì)運(yùn)行一次回調(diào)函數(shù)subcb。回調(diào)函數(shù)sub cb默認(rèn)的三個(gè)參數(shù)中，關(guān)鍵參數(shù)是msg，msg.topic為消息的主題，msg.payload 是收到的消息內(nèi)容。代碼中的sub_cb函數(shù)，僅僅是將收到的消息打印出來(lái)。常見(jiàn)的做法是將收到的消息內(nèi)容放在一個(gè)全局變量中，然后再用其他函數(shù)進(jìn)行處理。如下面的代碼片段中，回調(diào)函數(shù)iot subscribe將接收到的消息存到了一個(gè)字典變量msg map中。閱讀回調(diào)函數(shù)，顧名思義就是一個(gè)被作為參數(shù)傳遞的函數(shù)。將函數(shù)B作為參數(shù)傳到函數(shù)A里，當(dāng)函數(shù)A執(zhí)行完成后，再執(zhí)行傳進(jìn)去的函數(shù)B，這個(gè)過(guò)程就叫作回調(diào)。3.物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的協(xié)同工作 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的各個(gè)終端設(shè)備要實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作，依靠的是基于消息主題和內(nèi)容的“協(xié)議”。這里的“協(xié)議”是指一個(gè)約定的規(guī)則，如共同訂閱什么主題的消息，消息內(nèi)容分別代表什么含義等。以一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)灌溉系統(tǒng)為例，智能終端訂閱TopicID為wz/001的主題消息，當(dāng)接收到的消息值為“5”時(shí)，就打開(kāi)電磁閥5秒；當(dāng)接收到的消息值為“0”時(shí)，就關(guān)閉電磁閥。而給TopicID為wz/001的主題發(fā)送消息的既可以是手機(jī)App，也可以是另一個(gè)終端，如負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和協(xié)同工作的程序。探索1、通過(guò)前面的學(xué)習(xí)，相信大家對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)有了較深入的了解，現(xiàn)在同學(xué)們可以嘗試動(dòng)手搭建一個(gè)簡(jiǎn)單的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用了，比如LED的遠(yuǎn)程控制。請(qǐng)同學(xué)們使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)作為MQTT服務(wù)器，采用一款開(kāi)源硬件作為智能終端進(jìn)行實(shí)踐。 2、請(qǐng)以小組為單位，通過(guò)“搭建一個(gè)簡(jiǎn)單的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用”活動(dòng)，加深對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的理解，撰寫(xiě)研究報(bào)告，并制作PPT進(jìn)行交流分享。（出示“搭建一個(gè)簡(jiǎn)單的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用”研究報(bào)告）四、課堂練習(xí)選擇一種物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)，如果是本地自建的服務(wù)器，請(qǐng)通過(guò)測(cè)試確保其能夠正常使用。結(jié)合前面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)智能終端、通信、感知控制的學(xué)習(xí)，根據(jù)已擬定的項(xiàng)目方案，搭建一個(gè)簡(jiǎn)單的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用并填寫(xiě)表 2.3.1。表 2.3.1 項(xiàng)目實(shí)施記錄表搭建的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用名稱(chēng)智能溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選擇的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)ThingSpeak硬件清單微控制器：ESP8266溫濕度傳感器：DHT11面包板：用于連接電路跳線：用于連接各個(gè)組件代碼編程見(jiàn)ppt實(shí)現(xiàn)效果通過(guò)ThingSpeak平臺(tái)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫濕度數(shù)據(jù)，并在網(wǎng)頁(yè)上查看。五、拓展延伸1.常見(jiàn)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用搭建項(xiàng)目?jī)?nèi)容2.如何搭建LED的遠(yuǎn)程控制物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用3.SIOT庫(kù)的常見(jiàn)功能 學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)搭建流程。學(xué)習(xí)知識(shí)拓展。學(xué)習(xí)MQTT 服務(wù)器搭建學(xué)習(xí) MQTT 客戶端編程內(nèi)容。學(xué)習(xí)回調(diào)函數(shù)。完成課堂探究練習(xí)。完成課堂練習(xí)。進(jìn)行課外知識(shí)拓展。 初步學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)搭建流程，明確幾大步驟，為本課研究打下基礎(chǔ)，并鍛煉學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和觀察能力。拓寬學(xué)生知識(shí)體系。引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)MQTT 服務(wù)器搭建，并圖文結(jié)合詳細(xì)地介紹每一步操作，加深對(duì)本課知識(shí)內(nèi)容的理解和掌握。引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)本課第三點(diǎn)知識(shí)內(nèi)容，并結(jié)合多種案例進(jìn)行內(nèi)容講述，讓理論知識(shí)更加生動(dòng)、易懂。完善教材所提及的知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)體系的拓展和深化。通過(guò)探究的模式加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的全方位灌輸，增強(qiáng)課堂互動(dòng)性和趣味性。考查學(xué)生的學(xué)以致用能力，知識(shí)轉(zhuǎn)化和落地能力，在課堂練習(xí)考察中進(jìn)行查漏補(bǔ)缺。拓寬學(xué)生知識(shí)面。
課堂小結(jié) 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和反饋控制--物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的搭建1、引入新知內(nèi)容2、學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)搭建流程3、認(rèn)識(shí)MQTT 服務(wù)器搭建4、MQTT 客戶端編程5、進(jìn)行相關(guān)知識(shí)拓展 總結(jié)回顧 對(duì)本節(jié)課內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)概括。
課后作業(yè) 學(xué)完本節(jié)課，說(shuō)一說(shuō)在搭建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)遇見(jiàn)的困難有哪些？你們是如何解決的？請(qǐng)同學(xué)們總結(jié)MQTT服務(wù)器搭建的步驟。 布置作業(yè) 拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)能力
課堂板書(shū) 觀看板書(shū) 強(qiáng)調(diào)教學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容。
21世紀(jì)教育網(wǎng) www.21cnjy.com 精品試卷·第 2 頁(yè) （共 2 頁(yè)）
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