资源简介

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第2.3课《物联网系统和反馈控制--物联网系统的搭建》教学设计
课题 物联网系统和反馈控制--物联网系统的搭建 单元 第二单元 学科 信息科技 年级 八年级
核心素养目标 信息意识：能够了解物联网系统搭建流程，以及理解数据在物联网中的重要性，能够识别和获取有用的数据。计算思维：能将复杂的物联网系统问题分解为更小的可管理部分，理解MQTT 服务器搭建、物联网系统搭建流程等的操作原理。数字化学习与创新：可以在学习完物联网系统搭建流程、MQTT 服务器、MQTT 客户端编程后结合所学进行简单的物联网应用搭建。信息社会责任：在设计和实施物联网系统时，能够考虑其对社会和环境的影响并确保技术的公平使用，避免数字鸿沟和不平等现象。
教学重点 认识数据如何获取信息并了解数据在生活中的应用。
教学难点 掌握获取数据背后信息的方式并能有效地帮助更好的生活等。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 第2.3课 《物联网系统和反馈控制--物联网系统的搭建》板书课题。1.本课中你将学习：物联网系统搭建的流程是什么如何设置 MOTT服务器如何对 MOTT 客户端进行编程2.前面我们已经学习了很多的物联网知识，是时候大显身手真正动手搭建一个完整的物联网应用了。这一课将从搭建物联网服务器开始，选择合适的物联网终端、传感器和执行器，搭建一个简单而又完整的物联网应用系统模型。3.播放视频 学习新知引入观看教学视频。 初步明确本课所有知识点。将学生的注意吸引到课堂。
讲授新课 新知讲解：板书课题。物联网系统搭建流程搭建一个物联网系统，需要经历物联网服务平台选择、智能终端选择编程语言选择三个阶段，如图 2.3.1所示。1.物联网服务平台的选择 通过对“MQTT通信机制”的学习，我们知道控制端与被控制端的通信需要服务器进行中转。这个中转站统称为“物联网服务平台”，它可以提供设备管理、数据存储、数据处理及数据分析等服务。作为个人用户，我们可以直接使用网络上已经搭建好的物联网服务平台，以实现智能终端与网络甚至是手机端的连接。除了网络平台，我们还可以选择在本地建立服务器，将数据存储在本地。常见的物联网服务平台有OneNET、阿里云等，我们也可以在本地自建MQTT服务器。某物联网服务平台的产品管理界面如图2.3.2所示。用户登录这些平台后便可以设置物联网项目，将各种智能终端采集到的数据上传到该项目中，通过软、硬件结合，搭建一套物联网信息收集系统。OneNET和阿里云虽然功能强大，但其用户主要是企业，不适合为中小学的物联网教学提供服务。SIoT是一个开源MQTT服务器，它拥有数据接收、存储和导出等功能，支持多种操作系统，无须部署、一键运行，尤其适用于中小学的物联网教学。 SIoT的使用方法非常简单。软件运行后，不需要任何注册和设置，利用特定“Topic”的名称(“项目名称/设备名称”)，就能自动在数据库中添加项目和设备名称，并将消息数据存入数据库。2.智能终端的选择 如果仅仅需要完成简单的数据采集工作，大部分开源硬件都能胜任。在将数据上传至物联网时，有的开源硬件需要外接联网模块，而有的开源硬件则自带了Wi-Fi功能，如ESP32、ESP8266等芯片都已经提供了联网功能，使用很方便。但如果想要实现更加复杂的语音、录像功能，则需要选择功能更丰富的智能终端。3.编程语言的选择 我们一般使用功能强大且较为主流的Python语言进行编程，对于部分基于C语言进行编程的智能终端，可以借助pinpong库直接在计算机端运行 Python 代码，通过串口进行通信，便可实现感知和控制。知识拓展1、搭建物联网时，对物联网服务平台选择、智能终端选择、编程语言选择有哪些要求和注意事项？MQTT 服务器搭建MQTT是物联网应用的核心协议，之前介绍的几种物联网服务平台它们的共同之处是都使用MQTT协议来完成物联网信息传输。接下来就以 SIoT为例，在局域网中搭建一个私人的 MOTT 服务器。1.运行服务器程序 以windows操作系统为例，下载与当前操作系统匹配的SIoT程序双击运行执行文件，屏幕会弹出命令提示符窗口，如图2.3.3所示。这个窗口显示的是服务器后台运行的细节，在整个过程中，不要关闭窗口，否则服务器进程也会一同关闭。2.访问 Web 管理端 SIoT 提供了 Web 管理功能，即 SIoT在启动 MQTT服务的同时，还启动了 Web服务。SIoT的运行窗口中列出了本机的I地址，我们可通过这个IP 地址访问自己的 Web 服务器。SIoT的Web服务器的默认端口号为8080。如图2.3.4所示，我们在浏览器中输入 http://本机IP:8080，即可访问服务器的网页管理端。如果在本机访问，使用 http://localhost:8080 和http://127.0.0.1:8080，也能够顺利访问。知识拓展1、MQTT协议的操作原理是什么？三、MQTT 客户端编程MQTT的官方团队提供了很多编程语言的MQTT客户端范例，包括 C++、Visual Basic、Python等。对于Python语言，最常用的库是采用MQTT 协议的 siot。 siot 库最大的特点是同时支持Python和MicroPython，代码简洁且容易理解，通过 pip install siot 命令即可完成安装。1.MQTT 消息的发送 发送一条MQTT消息，首先要连接MQTT服务器。SIoT连接参数的关键代码如下，在实际编写过程中可以将代表本机IP地址的127.0.0.1,替换成局域网内运行SIoT服务的计算机IP地址，IOT_pubTopic可自行命名。然后，使用publish发送消息。其中，IOTpubTopic是消息的主题名称，SIoT中可以自行定义这个主题的名称，test001、value是消息的内容。下面代码的功能是每隔1秒向服务器发送一次消息。2.MQTT 消息的订阅 siot采用回调函数的方式来处理消息的订阅过程。以下面的代码为例，siot.subscribe的两个参数分别是要订阅的消息名称(IOT pubTopic)和接收到消息要运行的回调函数名称(subcb)。当名称等于变量IOTpubTopic的主题接收到消息时，就会运行一次回调函数subcb。回调函数sub cb默认的三个参数中，关键参数是msg，msg.topic为消息的主题，msg.payload 是收到的消息内容。代码中的sub_cb函数，仅仅是将收到的消息打印出来。常见的做法是将收到的消息内容放在一个全局变量中，然后再用其他函数进行处理。如下面的代码片段中，回调函数iot subscribe将接收到的消息存到了一个字典变量msg map中。阅读回调函数，顾名思义就是一个被作为参数传递的函数。将函数B作为参数传到函数A里，当函数A执行完成后，再执行传进去的函数B，这个过程就叫作回调。3.物联网终端设备的协同工作 物联网系统的各个终端设备要实现协同工作，依靠的是基于消息主题和内容的“协议”。这里的“协议”是指一个约定的规则，如共同订阅什么主题的消息，消息内容分别代表什么含义等。以一个物联网灌溉系统为例，智能终端订阅TopicID为wz/001的主题消息，当接收到的消息值为“5”时，就打开电磁阀5秒；当接收到的消息值为“0”时，就关闭电磁阀。而给TopicID为wz/001的主题发送消息的既可以是手机App，也可以是另一个终端，如负责数据处理和协同工作的程序。探索1、通过前面的学习，相信大家对物联网技术已经有了较深入的了解，现在同学们可以尝试动手搭建一个简单的物联网应用了，比如LED的远程控制。请同学们使用一台计算机作为MQTT服务器，采用一款开源硬件作为智能终端进行实践。 2、请以小组为单位，通过“搭建一个简单的物联网应用”活动，加深对物联网的理解，撰写研究报告，并制作PPT进行交流分享。（出示“搭建一个简单的物联网应用”研究报告）四、课堂练习选择一种物联网服务平台，如果是本地自建的服务器，请通过测试确保其能够正常使用。结合前面对物联网智能终端、通信、感知控制的学习，根据已拟定的项目方案，搭建一个简单的物联网应用并填写表 2.3.1。表 2.3.1 项目实施记录表搭建的物联网应用名称智能温湿度监测系统选择的物联网服务平台ThingSpeak硬件清单微控制器：ESP8266温湿度传感器：DHT11面包板：用于连接电路跳线：用于连接各个组件代码编程见ppt实现效果通过ThingSpeak平台，可以实时监测温湿度数据，并在网页上查看。五、拓展延伸1.常见的物联网应用搭建项目内容2.如何搭建LED的远程控制物联网应用3.SIOT库的常见功能 学习物联网系统搭建流程。学习知识拓展。学习MQTT 服务器搭建学习 MQTT 客户端编程内容。学习回调函数。完成课堂探究练习。完成课堂练习。进行课外知识拓展。 初步学习物联网系统搭建流程，明确几大步骤，为本课研究打下基础，并锻炼学生的学习能力和观察能力。拓宽学生知识体系。引导学生学习MQTT 服务器搭建，并图文结合详细地介绍每一步操作，加深对本课知识内容的理解和掌握。引导学生学习本课第三点知识内容，并结合多种案例进行内容讲述，让理论知识更加生动、易懂。完善教材所提及的知识点内容，引导学生进行知识体系的拓展和深化。通过探究的模式加深对所学知识的全方位灌输，增强课堂互动性和趣味性。考查学生的学以致用能力，知识转化和落地能力，在课堂练习考察中进行查漏补缺。拓宽学生知识面。
课堂小结 物联网系统和反馈控制--物联网系统的搭建1、引入新知内容2、学习物联网系统搭建流程3、认识MQTT 服务器搭建4、MQTT 客户端编程5、进行相关知识拓展 总结回顾 对本节课内容进行总结概括。
课后作业 学完本节课，说一说在搭建物联网系统时遇见的困难有哪些？你们是如何解决的？请同学们总结MQTT服务器搭建的步骤。 布置作业 拓展学生的学习能力
课堂板书 观看板书 强调教学重点内容。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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