資源簡介

(共47張PPT)
第3課
物聯網系統和反饋控制--物聯網系統的搭建
（清華大學版）八年級
上
1
核心素養目標
3
新知講解
5
拓展延伸
7
板書設計
2
新知導入
4
課堂練習
6
課堂總結
課后作業
8
01
核心素養目標
信息意識
計算思維
數字化學習與創新
信息社會責任
在設計和實施物聯網系統時，能夠考慮其對社會和環境的影響并確保技術的公平使用，避免數字鴻溝和不平等現象。
可以在學習完物聯網系統搭建流程、MQTT 服務器、MQTT 客戶端編程后結合所學進行簡單的物聯網應用搭建。
能將復雜的物聯網系統問題分解為更小的可管理部分，理解MQTT 服務器搭建、物聯網系統搭建流程等的操作原理。
能夠了解物聯網系統搭建流程，以及理解數據在物聯網中的重要性，能夠識別和獲取有用的數據。
02
新知導入
本課中你將學習:
物聯網系統搭建的流程是什么
如何設置 MOTT服務器
如何對 MOTT 客戶端進行編程
02
新知導入
前面我們已經學習了很多的物聯網知識，是時候大顯身手真正動手搭建一個完整的物聯網應用了。這一課將從搭建物聯網服務器開始，選擇合適的物聯網終端、傳感器和執行器，搭建一個簡單而又完整的物聯網應用系統模型。
02
新知導入
03
新知講解
一、物聯網系統搭建流程
搭建一個物聯網系統，需要經歷物聯網服務平臺選擇、智能終端選擇編程語言選擇三個階段，如圖 2.3.1所示。
圖2.3.1 物聯網系統搭建流程示意
03
新知講解
1.物聯網服務平臺的選擇
通過對“MQTT通信機制”的學習，我們知道控制端與被控制端的通信需要服務器進行中轉。這個中轉站統稱為“物聯網服務平臺”，它可以提供設備管理、數據存儲、數據處理及數據分析等服務。作為個人用戶，我們可以直接使用網絡上已經搭建好的物聯網服務平臺，以實現智能終端與網絡甚至是手機端的連接。除了網絡平臺，我們還可以選擇在本地建立服務器，將數據存儲在本地。
03
新知講解
常見的物聯網服務平臺有OneNET、阿里云等，我們也可以在本地自建MQTT服務器。某物聯網服務平臺的產品管理界面如圖2.3.2所示。用戶登錄這些平臺后便可以設置物聯網項目，將各種智能終端采集到的數據上傳到該項目中，通過軟、硬件結合，搭建一套物聯網信息收集系統。
圖2.3.2 某物聯網服務平臺
03
新知講解
OneNET和阿里云雖然功能強大，但其用戶主要是企業，不適合為中小學的物聯網教學提供服務。SIoT是一個開源MQTT服務器，它擁有數據接收、存儲和導出等功能，支持多種操作系統，無須部署、一鍵運行，尤其適用于中小學的物聯網教學。
SIoT的使用方法非常簡單。軟件運行后，不需要任何注冊和設置，利用特定“Topic”的名稱(“項目名稱/設備名稱”)，就能自動在數據庫中添加項目和設備名稱，并將消息數據存入數據庫。
03
新知講解
2.智能終端的選擇
如果僅僅需要完成簡單的數據采集工作，大部分開源硬件都能勝任。在將數據上傳至物聯網時，有的開源硬件需要外接聯網模塊，而有的開源硬件則自帶了Wi-Fi功能，如ESP32、ESP8266等芯片都已經提供了聯網功能，使用很方便。但如果想要實現更加復雜的語音、錄像功能，則需要選擇功能更豐富的智能終端。
03
新知講解
3.編程語言的選擇
我們一般使用功能強大且較為主流的Python語言進行編程，對于部分基于C語言進行編程的智能終端，可以借助pinpong庫直接在計算機端運行 Python 代碼，通過串口進行通信，便可實現感知和控制。
03
知識拓展
搭建物聯網時，對物聯網服務平臺選擇、智能終端選擇、編程語言選擇有哪些要求和注意事項？
物聯網服務平臺選擇
功能需求：確保平臺支持所需功能，如數據存儲、分析可視化等。
兼容性：選擇與現有設備和協議兼容的平臺。
擴展性：平臺應支持未來的擴展需求，能夠處理更多設備和數據。
安全性：確保平臺有強大的安全措施，如數據加密、身份驗證等。
社區支持：選擇有活躍社區和良好文檔支持的平臺。
03
知識拓展
搭建物聯網時，對物聯網服務平臺選擇、智能終端選擇、編程語言選擇有哪些要求和注意事項？
智能終端選擇
硬件性能：根據應用需求選擇合適的處理器、內存和存儲。
功耗：考慮設備的能耗，尤其是電池供電的設備。
連接性：確保設備支持所需通信協議（如Wi-Fi、藍牙、Zigbee等）。
耐用性：根據使用環境選擇耐用的設備。
03
知識拓展
搭建物聯網時，對物聯網服務平臺選擇、智能終端選擇、編程語言選擇有哪些要求和注意事項？
編程語言選擇
性能：選擇性能優越的語言，如C/C++用于嵌入式開發，Python用于快速原型開發。
生態系統：考慮語言的庫和框架支持，便于快速開發和集成。
學習曲線：選擇團隊成員熟悉的語言，降低學習成本。
跨平臺支持：確保所選語言能夠在不同平臺上運行，便于設備間的互操作性。
03
新知講解
二、MQTT 服務器搭建
MQTT是物聯網應用的核心協議，之前介紹的幾種物聯網服務平臺它們的共同之處是都使用了MQTT協議來完成物聯網信息傳輸。接下來就以 SIoT為例，在局域網中搭建一個私人的 MOTT 服務器。
03
新知講解
1.運行服務器程序
以windows操作系統為例，下載與當前操作系統匹配的SIoT程序雙擊運行執行文件，屏幕會彈出命令提示符窗口，如圖2.3.3所示。這個窗口顯示的是服務器后臺運行的細節，在整個過程中，不要關閉窗口，否則服務器進程也會一同關閉。
圖2.3.3 SIoT服務器
03
新知講解
2.訪問 Web 管理端
SIoT 提供了 Web 管理功能，即 SIoT在啟動 MQTT服務的同時，還啟動了 Web服務。SIoT的運行窗口中列出了本機的I地址，我們可通過這個IP 地址訪問自己的 Web 服務器。
圖2.3.4 訪問服務器的網頁管理端
SIoT的Web服務器的默認端口號為8080。如圖2.3.4所示，我們在瀏覽器中輸入 http://本機IP:8080，即可訪問服務器的網頁管理端。如果在本機訪問，使用 http://localhost:8080 和http://127.0.0.1:8080，也能夠順利訪問。
03
知識拓展
MQTT協議的操作原理是什么？
MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一種輕量級的消息傳輸協議，主要用于物聯網設備之間的通信。其操作原理如下：
發布/訂閱模式：MQTT采用發布/訂閱模式，客戶端可以發布消息到特定主題（Topic），也可以訂閱感興趣的主題。
Broker（代理服務器）：所有的消息都通過MQTT Broker進行轉發客戶端不直接通信，而是通過Broker進行消息的發送和接收。
03
知識拓展
MQTT協議的操作原理是什么？
消息質量等級：MQTT支持三種消息質量等級（QoS）：
- QoS 0：最多一次（At most once），消息可能丟失。
- QoS 1：至少一次（At least once），確保消息送達，但可能重復。
- QoS 2：只有一次（Exactly once），確保消息送達且不重復。
保持連接：MQTT支持長連接，客戶端可以保持與Broker的連接，定期發送心跳包以保持連接活躍。
輕量級：MQTT協議頭部小，適合帶寬受限和資源有限的設備。
03
新知講解
三、MQTT 客戶端編程
MQTT的官方團隊提供了很多編程語言的MQTT客戶端范例，包括 C++、Visual Basic、Python等。對于Python語言，最常用的庫是采用MQTT 協議的 siot。
siot 庫最大的特點是同時支持Python和MicroPython，代碼簡潔且容易理解，通過 pip install siot 命令即可完成安裝。
03
新知講解
1.MQTT 消息的發送
發送一條MQTT消息，首先要連接MQTT服務器。SIoT連接參數的關鍵代碼如下，在實際編寫過程中可以將代表本機IP地址的127.0.0.1,替換成局域網內運行SIoT服務的計算機IP地址，IOT_pubTopic可自行命名。
03
新知講解
然后，使用publish發送消息。其中，IOT_pubTopic是消息的主題名稱，SIoT中可以自行定義這個主題的名稱，test/001、value是消息的內容。下面代碼的功能是每隔1秒向服務器發送一次消息。
03
新知講解
2.MQTT 消息的訂閱
siot采用回調函數的方式來處理消息的訂閱過程。以下面的代碼為例，siot.subscribe的兩個參數分別是要訂閱的消息名稱(IOT_pubTopic)和接收到消息要運行的回調函數名稱(sub_cb)。當名稱等于變量IOT_pubTopic的主題接收到消息時，就會運行一次回調函數sub_cb。
03
新知講解
回調函數sub_cb默認的三個參數中，關鍵參數是msg，msg.topic為消息的主題，msg.payload 是收到的消息內容。代碼中的sub_cb函數，僅僅是將收到的消息打印出來。常見的做法是將收到的消息內容放在一個全局變量中，然后再用其他函數進行處理。
03
新知講解
如下面的代碼片段中，回調函數iot_subscribe將接收到的消息存到了一個字典變量msg_map中。
03
新知講解
閱讀
回調函數，顧名思義就是一個被作為參數傳遞的函數。將函數B作為參數傳到函數A里，當函數A執行完成后，再執行傳進去的函數B，這個過程就叫作回調。
03
新知講解
3.物聯網終端設備的協同工作
物聯網系統的各個終端設備要實現協同工作，依靠的是基于消息主題和內容的“協議”。這里的“協議”是指一個約定的規則，如共同訂閱什么主題的消息，消息內容分別代表什么含義等。以一個物聯網灌溉系統為例，智能終端訂閱TopicID為wz/001的主題消息，當接收到的消息值為“5”時，就打開電磁閥5秒；當接收到的消息值為“0”時，就關閉電磁閥。而給TopicID為wz/001的主題發送消息的既可以是手機App，也可以是另一個終端，如負責數據處理和協同工作的程序。
03
新知講解
探索
1、通過前面的學習，相信大家對物聯網技術已經有了較深入的了解，現在同學們可以嘗試動手搭建一個簡單的物聯網應用了，比如LED的遠程控制。請同學們使用一臺計算機作為MQTT服務器，采用一款開源硬件作為智能終端進行實踐。
03
新知講解
探索
2、請以小組為單位，通過“搭建一個簡單的物聯網應用”活動，加深對物聯網的理解，撰寫研究報告，并制作PPT進行交流分享。
03
新知講解
一、引言
物聯網（IoT）是將物理設備連接到互聯網的技術，能夠實現數據的收集、傳輸和分析。本次活動旨在通過搭建一個簡單的物聯網應用，加深對物聯網的理解。
二、項目目標
搭建一個基于MQTT協議的溫度監測系統，能夠實時監測溫度并將數據上傳至MQTT Broker。
三、系統架構
硬件：使用樹莓派作為智能終端，DHT11溫度傳感器用于數據采集。
軟件：使用Python編寫數據采集和上傳程序，使用Mosquitto作為MQTT Broker。
“搭建一個簡單的物聯網應用”研究報告
03
新知講解
四、實施步驟
1. 硬件搭建：將DHT11傳感器連接至樹莓派，確保連接正確。
2. 軟件環境搭建：在樹莓派上安裝Python及相關庫（如paho-mqtt）。安裝Mosquitto Broker。
3. 編寫代碼：編寫Python程序，定時讀取溫度數據并通過MQTT發布到指定主題。
4. 測試與驗證：使用MQTT客戶端訂閱主題，驗證數據是否成功上傳。
五、結果與討論
通過本次活動，我們成功搭建了一個簡單的溫度監測系統，能夠實時監測和上傳溫度數據。我們認識到物聯網的潛力和應用場景，同時也體會到在搭建過程中遇到的挑戰，如設備連接問題、數據格式處理等。希望能在此基礎上擴展更多功能，如數據存儲、可視化等。
“搭建一個簡單的物聯網應用”研究報告
04
課堂練習
選擇一種物聯網服務平臺，如果是本地自建的服務器，請通過測試確保其能夠正常使用。結合前面對物聯網智能終端、通信、感知控制的學習，根據已擬定的項目方案，搭建一個簡單的物聯網應用并填寫表 2.3.1。
挑戰
表 2.3.1 項目實施記錄表
搭建的物聯網應用名稱
選擇的物聯網服務平臺
硬件清單
代碼編程
實現效果
04
課堂練習
挑戰
表 2.3.1 項目實施記錄表
搭建的物聯網應用名稱 智能溫濕度監測系統
選擇的物聯網服務平臺 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：用于連接各個組件
04
課堂練習
挑戰
表 2.3.1 項目實施記錄表
代碼編程
實現效果 通過ThingSpeak平臺，可以實時監測溫濕度數據，并在網頁上查看。
05
拓展延伸
常見的物聯網應用搭建項目內容
1、智能家居控制系統
遠程控制家中的燈光、空調等設備。
硬件：ESP8266、繼電器模塊、傳感器。
2、智能農業監測系統
監測土壤濕度、溫度等環境參數。
硬件：Arduino、土壤濕度傳感器、溫度傳感器。
05
拓展延伸
常見的物聯網應用搭建項目內容
3、智能停車管理系統
監測停車位的占用情況。
硬件：超聲波傳感器、ESP32。
4、健康監測系統
監測心率、血壓等健康數據。
硬件：心率傳感器、Arduino、藍牙模塊。
05
拓展延伸
如何搭建LED的遠程控制物聯網應用
一、硬件需求
微控制器：ESP8266或ESP32
LED燈：1個LED燈（可以使用RGB LED）
電阻：220Ω（用于LED）
面包板：用于連接電路
跳線：用于連接各個組件
二、軟件需求
開發環境：Arduino IDE
庫：ESP8266WiFi庫、WebServer庫
三、實現步驟
1. 電路連接： 將LED的正極連接到微控制器的GPIO引腳（如D2），負極連接到地（GND）并通過220Ω電阻連接。
05
拓展延伸
如何搭建LED的遠程控制物聯網應用
2. 代碼編程：
05
拓展延伸
如何搭建LED的遠程控制物聯網應用
2. 代碼編程：
3. 上傳代碼：將代碼上傳到ESP8266/ESP32。
4. 訪問控制：在瀏覽器中輸入ESP的IP地址，使用 `/led/on` 和 `/led/off` 來控制LED的開關
四、實現效果
通過訪問特定的URL，可以遠程控制LED燈的開關狀態。
05
拓展延伸
SIOT庫的常見功能
設備管理：注冊和管理物聯網設備。
數據采集：從傳感器收集數據并上傳到云端。
遠程控制：通過API或Web界面控制設備狀態。
消息推送：向設備發送指令或通知。
數據存儲：將設備數據存儲在云端數據庫中。
安全性：提供數據加密和身份驗證功能。
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課堂總結
1
引入新知內容
物聯網系統和反饋控制--物聯網系統的搭建
2
學習物聯網系統搭建流程
3
認識MQTT 服務器搭建
4
MQTT 客戶端編程
5
進行相關知識拓展
1
2
3
4
5
08
板書設計
物聯網系統和反饋控制--物聯網系統的搭建
1.進行新知引入
2.學習新知講解
3.完成課堂練習
4.進行知識拓展
09
課后作業
01
學完本節課，說一說在搭建物聯網系統時遇見的困難有哪些？你們是如何解決的？
09
課后作業
02
請同學們總結MQTT服務器搭建的步驟。
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