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第2课
物联网系统和反馈控制—物联网的控制技术
（清华大学版）八年级
上
1
核心素养目标
3
新知讲解
5
拓展延伸
7
板书设计
2
新知导入
4
课堂练习
6
课堂总结
课后作业
8
01
核心素养目标
信息意识
计算思维
数字化学习与创新
信息社会责任
明确物联网控制技术在使用过程中必须遵守相关的法律法规，如保护用户隐私、确保数据安全、遵守通信管理规定等。
能主动通过搜索引擎、在线问答平台等途径寻求帮助，解决关于物联网控制技术学习过程中的疑惑。
能通过绘制流程图、构建逻辑关系图等方式准确描述物联网控制技术在不同场景下的工作流程，展示数据在系统中的处理过程。
能够主动关注物联网控制技术领域的最新发展动态，包括新技术的出现、应用案例的拓展以及相关政策法规的变化等。
02
新知导入
本课中你将学习:
如何调节LED灯的颜色
如何利用蜂鸣器播放音乐
如何控制舵机
02
新知导入
物联网将万物连接在一起，那么万物能够执行的动作，就是物联网系统可以输出的“动作”。这里的“动作”包括信息显示、声音报警、开灯开锁、打开阀门、启动电机等各种操作。这些操作由不同的输出设备完成比如共享单车用电磁镇来实现“开锁”，智能窗帘用电机来打开或关闭窗帘面这些输出设备往往以模块的形式接入智能终端，因而也称为输出模块。
02
新知导入
03
新知讲解
一、显示模块
文本、图像、光效是最常见的输出信号。在各种显示设备中，显示器和显示屏对我们来说最为熟悉。但智能终端因为体积小，选择的显示模块也会比较小。如图 2.2.1所示，某品牌的电子秤采用的是 OLED 显示屏:如图2.2.2所示，某品牌的电子计分器主要通过LED数码管来显示具体数字。
图2.2.1使用OLED显示屏的电子秤
图2.2.2 使用LED数码管的电子计分器
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新知讲解
1.常见的显示模块
利用显示模块可以将温度、数量、重量、日期、时间等信息显示出来，同时我们也可以用不同颜色的灯光表示各种信息，让物联网终端的人机交互方式更直观。物联网系统中常见的显示模块如表 2.2.1所示。
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新知讲解
名称 用途 图示
LED灯模块 全彩LED灯模块可以通过控制内置的三种颜色灯珠的亮度调制出多种颜色
WS2812B全彩LED灯带 WS2812B全彩LED灯带是个集控制与发光电路于一体的智能外控LED光源，通过代码能够控制LED灯带产生各种奇幻的效果
数码管 显示简单的数字，常用于制作一个简单的定时器、计数器等
表2.2.1常见的显示模块
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新知讲解
名称 用途 图示
8x8LED点阵 显示矩阵模块 常用于户外门头单红屏、户外全彩 屏、室内全彩屏等。LED点阵显示矩阵模块可显示汉字、图形、动画及英文字符等
LCD液晶屏 LCD液晶屏可显示2行，每行16个 字符
OLED显示屏 OLED显示屏可显示图像和文字。掌控板上的屏幕就是 OLED 显示屏
表2.2.1常见的显示模块
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新知讲解
2.LED的连接和编程
LED(light emitting diode)也叫作发光二极管,是一种能够将电能转化为可见光的固态半导体器件。不同的半导体材料能显示不同的颜色。常见的LED只能发出一种颜色的光;能发出多种颜色的光，并且能够自由调节灯光色彩的LED叫作全彩LED，也称为RGB LED，这种LED的灯珠中内置了三颗颜色分别是红(R)、绿(G)、蓝(B)的LED。如图 2.2.3 所示，根据RGB 混色原理，红、绿、蓝三色混合便可以得到各种颜色的 LED。
图2.2.3 RGB混色原理
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新知讲解
多个 LED 连在一起，就形成了 LED灯带、LED 点阵屏等不同的显示模块。LED灯带和LED点阵屏在生活中随处可见，比如在大街上或校园里，经常会看到一些尺寸巨大的LED显示屏在播放广告、视频等。当我们走近 LED大屏幕仔细观察时，就会发现其由一个个小小的点组成，这些点就是全彩LED。全彩LED与某开源扩展板的接线如图2.2.4所示。
图2.2.4全彩LED与某开源硬件扩展板的接线示意
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新知讲解
控制一个 LED 需要一个支持 PWM 的引脚，控制一个普通的全彩 LED 则需要三个支持PWM 的引脚。为了节省引脚资源，让编程更加简单，LED灯带一般采用专用的芯片，如WS2812B、SK6812、PLK6812等。这种LED灯带通过一个数字引脚发送数字信号，即可控制多个LED呈现出不同的色彩，基于 WS2812B 芯片的 LED 灯带与某开源硬件扩展板的接线图如图2.2.5所示。
图2.2.5LED灯带与某开源硬件扩展板的接线示意
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新知讲解
某开源硬件板载的全彩LED也是通过 WS2812B 芯片来控制，下面的参考代码可以使其板载的三个全彩 LED显示不同的颜色及亮度。
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新知讲解
3.显示屏的连接和编程
智能终端中使用的显示屏一般有两种:LCD和OLED显示屏。LCD显示屏就是我们常说的液晶显示屏，其优点是耗电量低、辐射低。OLED显示屏能够自发光，对比度高，因而受到越来越多用户的喜爱，应用领域也更为广泛。
LCD、OLED显示模块和智能终端的连接一般采用12C接口。连接模块前，要查看开源硬件的接口说明书。有些开源硬件内置了显示屏，其连接方式一般也采用I2C，如掌控板。
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新知讲解
pinpong 库提供了 OLED 显示模块的库。在前面的学习中，我们已经体验过用pinpong库在某开源硬件的 OLED 显示屏上显示文本信息。实际上，我们还可以用它在 OLED 上显示图片。下面这段代码将一张图片转化为可以在OLED上显示的信息，效果如图 2.2.6 所示。
图2.2.6屏幕载入图片
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知识拓展
如何保障物联网控制技术的安全性？
加密通信：对物联网设备与控制端之间传输的数据进行加密处理，例如采用 SSL/TLS 等加密协议，确保数据在网络传输过程中不被窃取或篡改。
网络访问控制：设置严格的网络访问权限，只允许授权的设备和用户访问物联网系统。
设备认证与授权：在设备接入物联网系统时，进行严格的认证流程，核实设备的身份合法性。
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知识拓展
如何保障物联网控制技术的安全性？
数据存储安全：选择安全可靠的存储介质和存储方式来存放物联网控制相关的数据。
数据处理安全：在对物联网控制数据进行处理时，如分析、运算等，要确保数据处理过程的合法性和安全性。
安全监测与应急响应：建立全面的安全监测体系，对物联网控制技术相关的网络活动、设备状态、数据流向等进行实时监测。
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新知讲解
二、声音模块
如果智能终端能够发出声音，就显得智能、亲切很多。如果能使用人类的语音，那么人机交互的体验就会更好。
1.常见的声音模块
蜂鸣器是一种常见的声音模块，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、定时器等产品。如图2.2.7所示，常见的计算机主板上一般都有蜂鸣器模块。在控制蜂鸣器的数字引脚上输出特定频率的电信号，蜂鸣器将发出不同的声音。
图2.2.7主板上的蜂鸣器
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新知讲解
下面的代码是利用某开源硬件板载蜂鸣器发出单个节拍。
图2.2.8带劝率放大器的喇叭模块
除蜂鸣器以外，有些智能终端可以直接合成并输出音频信号，只要经过功率放大器，就能在普通扬声器(喇叭)上输出声音。这种声音的质量要远高于用蜂鸣器调制出的声音。有些厂商设计了非常小巧的内置功率放大器的小喇叭，非常适合在智能终端上使用，如图2.2.8所示。
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新知讲解
有些智能终端虽然不能直接输出音频信号，但是借助一些扩展模块，也能输出质量较高的声音。图2.2.9所示的是一款音频录放模块，只要给引脚输出高电平，就能播放预先录制的声音。图2.2.10所示的是一款语音合成模块，只要将中英文的文本信息发给它，就能转化为语音。
图2.2.9音频录放模块
图2.2.10语音合成模块
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新知讲解
2.声音模块的连接和编程
不同的声音模块采用的技术不同，和智能终端的连接方式也各不相同需要查阅模块说明书才能正确连接。一般来说，蜂鸣器模块和音频录放模块仅需用 3P线连接任意一个数字引脚即可，而语音合成模块则支持12C和UART两种通信方式，需要连接特定的引脚，与某开源硬件扩展板的接线图如图 2.2.11 所示。
(a) l2C连接
(b) UART连接
图2.2.11语音合成模块与某开源硬件扩展板的接线示意
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新知讲解
探索
当向蜂鸣器中输入的频率有一定的规律时，只要与延时语句进行结合，就可以演奏出一首美妙的乐曲。
请自行选择想要演奏的乐曲，根据本节所学知识编写程序，体验蜂鸣器的神奇功能。
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新知讲解
探索
const int buzzerPin = 8;
#define NOTE_C4 262 // 其他音符频率定义省略
void setup() {
pinMode(buzzerPin, OUTPUT);}
// 《茉莉花》部分音符序列数组，对应频率表示
int jasmineSong[] = {NOTE_C4, NOTE_D4, NOTE_E4, NOTE_C4};
// 音符时长设置
int noteDuration = 400;
03
新知讲解
探索
void loop() {
for (int i = 0; i < sizeof(jasmineSong) / sizeof(jasmineSong[0]); i++) {
// 播放音符函数（省略具体实现，类似前面示例通过频率和延时发声）
playNote(jasmineSong[i], noteDuration);
delay(150);
}
}
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知识拓展
如何更新物联网设备的加密算法？
了解设备特性与限制：详细研究物联网设备的硬件规格、处理能力、存储容量等参数。不同设备在这些方面存在差异，这会影响到可采用的加密算法以及更新方式。
开发更新程序：由专业的软件开发团队或设备制造商的研发人员，针对所选的加密算法开发相应的更新程序。这个程序要能够实现将旧的加密算法替换为新的加密算法的功能，包括对设备上与加密相关的代码段进行修改、更新密钥管理系统等。
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知识拓展
如何更新物联网设备的加密算法？
通知用户：对于企业级用户，通常需要与企业的 IT 部门或相关负责人进行沟通协调，提供详细的更新方案和时间表，确保企业能够合理安排设备的更新工作。
安全性验证：进行进一步的安全性验证工作，如再次模拟黑客攻击等方式，检验更新后的设备在面对安全威胁时的抵御能力。通过与更新前的安全测试结果对比，直观地了解更新加密算法对设备安全性的提升效果。
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新知讲解
三、电动执行模块
如果把传感器比作人的感觉器官，那么执行模块就相当于人的四肢电动执行模块收到从控制系统发出的信号后，将其转换成机械运动，通过各种简单的动作来改变其物理环境，比如电动机转动、磁铁吸合等。
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新知讲解
1.常见的电动执行模块
电动执行模块也称为电动执行器，按所用的驱动能源可以分为气动、电动和液压等;按输出位移的形式可以分为旋转和线性等。在物联网系统中执行器可以简单分为两类:一类是开关型，如继电器、电磁锁、电阀等另一类是电机型，如直流电动机、舵机、步进电动机等。具体如表2.2.2所示。
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新知讲解
表2.2.2 常见的电动执行模块
名称 用途 图示
继电器 通过控制小电流电路的通断，实现对高电压大电流电路的控制
电磁锁和电磁阀 利用通电线圈产生磁力的原理来设计。电磁阀在家用电器中使用最为广泛
直流电动机 能够实现设备的旋转运动，如 风扇的转动
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新知讲解
表2.2.2 常见的电动执行模块
名称 用途 图示
舵机 能够比较精确地控制和保持输出轴的角度
步进电动机 能精确控制旋转圈数
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新知讲解
阅读
线性执行器能够让物体沿直线运动，生活中随处可见，如国旗升降装置、电动窗帘等。图2.2.12中的电动窗帘滑轮固定架的一端设有窗帘电动机，电动机输出轴上装有主动轮，主动轮和从动轮上套有牵引绳，牵引绳上设有触动换向开关的左定位块和右定位块。电动机和换向开关通过导线连接遥控电信号接收器，当接收器接收到打开或关闭的信号时，电动窗帘就会通过两个传动轮，带动牵引绳直线往复运动。而旋转执行器则能控制电动机旋转一定的角度，如方向控制。
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新知讲解
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从运动类型来看，线性执行器执行往复运动，旋转执行器执行旋转运动。这两种执行器一般都是利用电动机来实现的，其控制原理是一致的。只要将旋转执行器连接到相应的机械装置上，将旋转运动转换成往复运动，就变成了线性执行器。
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新知讲解
阅读
图2.2.12电动窗帘
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新知讲解
2.继电器的连接与编程
一般利用智能终端的引脚输出功能对执行器进行控制。只要给执行器发送特定的电信号，就可以让执行器“动”起来。继电器与电磁阀的编程控制十分简单，只需要给连接继电器和电磁阀的引脚输出高、低电平的数字信号，即可实现开和关的状态变化图2.2.13是继电器与某开源硬件扩展板的连接示意图。下面的参考代码是将继电器与扩展板的 P1引脚连接，在串口输入“1”或者“0”，就能听到继电器状态变化的“嗒嗒”声。
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新知讲解
图2.2.13继电器与某开源硬件扩展板接线示意
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新知讲解
3.舵机的连接与编程
舵机的工作过程是把所接收到的电信号转换成电动机或舵机轴上的角位移或角速度输出。大部分的舵机都使用3P线，它跟智能终端的连接和传感器模块类似。图2.2.14是SG90舵机与某开源硬件扩展板的接线图，舵机连接在扩展板的P1引脚。
图2.2.14SG90舵机与某开源硬件扩展板的接线示意
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新知讲解
用pinpong库控制舵机，需要导入舵机模块(Servo)，再使Servo(pin_obj)设置引脚模式，然后用 Servo.write_angle(value)方法控制舵机转动到指定角度。
参考代码如下:
03
新知讲解
探索
除了用代码直接设定舵机的角度，还可以外接一个旋钮传感器，根据旋钮传入的模拟值来调整舵机的旋转情况。请同学们通过USB数据线连接开源硬件与计算机，运行相关程序，观察旋钮传感器转动时舵机的转动情况，并填写表2.2.3。已知旋钮旋转效值范围为0~1023，舵机转动数值范围0~180。
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新知讲解
探索
请以小组为单位开展“舵机的控制”活动，对执行模块进行更深入的认识，并进行交流分事。
表2.2.3 实践数据记录表
旋钮状态 舵机状态
200 约 36（计算方式：200/1023×180 ≈ 36，实际观察可微调此对应关系）
400 约 72（计算方式：400/1023×180 ≈ 72）
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新知讲解
4.电动机的连接与编程
我们以带风扇的130直流电动机为例，该电动机不需要专门的电动机驱动，使用智能终端的引脚就能轻松驱动起来。图 2.2.15是其与某开源硬件扩展板的接线图，130直流电动机连接在扩展板的P1引脚。
图2.2.15直流电动机与某开源硬件扩展板的接线示意
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新知讲解
编程控制该直流电动机的过程，本质上是控制模拟输出，也就是PWM输出的过程。首先要设置引脚的模式为Pin.PWM，然后用write_analog给引脚设置模拟值。下面的参考范例是将电动机与开源硬件的P1引脚连接并设置引脚值为255。
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知识拓展
目前主流的物联网控制技术有哪些？
Wi-Fi：是一种广泛应用的无线局域网技术。它能够提供较高的数据传输速率，适用于大数据量的传输场。
蜂窝移动网络技术：4G 网络已经广泛应用于物联网领域，为物联网设备提供了高速的数据传输能力和较好的移动性支持。5G 网络则具有更高的传输速率、更低的延迟和更大的连接数量，能够满足物联网应用对于高速率、低延迟、高可靠性的需求，如自动驾驶、远程医疗、工业互联网等。随着 5G 网络的不断普及，其在物联网领域的应用将会越来越广泛。
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知识拓展
目前主流的物联网控制技术有哪些？
云平台控制技术：物联网云平台是物联网系统的核心组成部分，它可以实现对物联网设备的集中管理和控制。云平台通过收集和分析物联网设备上传的数据，为用户提供远程监控、设备管理、数据分析等服务。
射频识别技术（RFID）：RFID 是一种非接触式的自动识别技术，通过无线电信号识别目标对象并获取相关数据。RFID 系统由标签、阅读器和天线组成，标签中存储着物体的相关信息，阅读器通过天线与标签进行通信，读取标签中的信息。
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课堂练习
在现实生活中，不同的场景可能需要不同的 LED 颜色。通过编程,我们可以让 LED 呈现出不同的颜色如图 2.2.16所示。请参考资源包中的程序，修改程序中的参数，使开源硬件自带的 LED 呈现出不同的颜色，并填写表 2.2.4。
挑战
图2.2.16 开源硬件自带的LED可以呈现出不同的颜色
04
课堂练习
挑战
次数 R G B 得到颜色
1 255 0 0 红色
2 0 255 0 绿色
3 0 0 255 蓝色
4 255 255 0 黄色（因为红色和绿色混合得到黄色）
5 0 255 255 青色（绿色和蓝色混合得到青色）
表2.2.4 实验数据记录表
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拓展延伸
如何选择适合的物联网控制技术声音模块？
1、功耗方面
需要考虑声音模块的功耗，选择低功耗的声音模块。择最适合自身应用且能延长设备电池寿命的声音模块。
2、成本方面
在满足应用需求的前提下，要综合考虑成本因素。
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拓展延伸
如何选择适合的物联网控制技术声音模块？
3、接口类型方面
要根据与其他设备的连接需求选择合适的接口类型。如果是简单的音频连接，模拟接口可能就足够了。
4、功能需求方面
如果应用场景主要是采集声音，如安防系统监测异常声响，那么要重点关注声音模块的采集性能。
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拓展延伸
哪些因素会影响物联网控制技术的选择？
网络可靠性：在一些对网络可靠性要求较高的应用场景，如工业自动化中的生产线设备控制、金融领域的远程支付设备控制等，需要确保网络不会出现频繁中断或数据丢失的情况。
设备安全：要防止物联网设备被非法入侵、篡改或控制，对于一些关键设备，如远程医疗设备、工业自动化中的核心生产设备等，需要选择具有设备身份认证、访问控制等安全功能的控制技术。
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拓展延伸
哪些因素会影响物联网控制技术的选择？
功能扩展需求：对于一些物联网应用，随着业务发展可能会有新的功能需求，如智能家居系统最初可能只是控制灯光和电器，后来可能要增加智能安防、智能灌溉等功能。
传输距离：当物联网设备需要在较远距离进行通信和控制时，如智能农业中的大面积农田监测设备、智能物流中的长途运输货物跟踪设备等，就需要考虑选择低功耗广域网技术。
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拓展延伸
物联网控制技术的未来发展趋势是怎样的？
智能学习与适应性：通过机器学习和深度学习算法，物联网设备可以不断学习和适应新的环境和任务。
智能决策与自主控制：物联网设备将具备更强的智能决策能力，能够根据收集到的数据和预设的规则自动进行控制和调整。
高带宽与低延迟：5G 及未来更高版本的移动通信技术将为物联网提供更高速、稳定的网络连接，满足大量物联网设备同时接入和高速数据传输的需求。
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课堂总结
1
引入新知内容
物联网系统和反馈控制--物联网的控制技术
2
学习显示模块
3
声音模块
4
课堂练习
1
2
3
4
4
进行相关知识拓展
5
07
板书设计
物联网系统和反馈控制--物联网的控制技术
1.进行新知引入
2.学习新知讲解
3.完成课堂练习
4.进行知识拓展
08
课后作业
01
学完本节课，显示模块的分类有哪些？
08
课后作业
02
请同学们总结一下物联网控制技术有哪些特点？
https://www.21cnjy.com/recruitment/home/fine

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