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(共44张PPT)
第五单元 第15课
自动通风系统的开发与实现
（河北大学版）八年级
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
关注物联网设备的数据安全与隐私保护，避免系统被恶意操控或数据泄露。
尝试使用微控制器和物联网平台搭建简易的自动通风系统，提升硬件编程与系统集成能力。
拆解系统开发流程，能够分析自动通风系统的工作流程，设计数据采集、传输与控制的逻辑结构。
认识自动通风系统的物联网架构，明确传感器、微控制器的核心作用，增强对物理环境数据的敏感度。
02
新知导入
如何实现设计方案？如何在众多传感器产品中挑选合适的一款？哪些型号的微控制器既可以采集传感器数据，又可以通过Wi-Fi传输数据？系统各个部分涉及的软件代码将按照何种流程运行？在这一课，我们一起体验实现设计方案的过程。
问题情境
02
新知导入
03
新知讲解
一、硬件设计
1.硬件选型
需匹配接口类型（含外观与协议），按功能需求选择模块。（详细内容见教材p114页）
实践与探究
表5-3 二氧化碳浓度监测装置硬件选型表
03
新知讲解
示例传感器的特性参数，如图5-6。
示例传感器输出电压低，直接采样微控制器会损失精度，所以成品模块会加电压放大电路方便采样。（详细内容见教材p115页）
图5-6 示例传感器输出电压-二氧化碳浓度特性曲线
03
新知讲解
试一试
尝试为新风机遥控装置进行硬件选型，完成表5-4。
名称 要求 选型 备注
红外模块 可学习新风机红外遥控脉冲信号，无需编写复杂脉冲代码 可学习型红外模块 能快速匹配新风机遥控指令
微控制器 支持网络（如 Wi-Fi）、引脚充足适配红外模块、低功耗。 ESP32 集成 Wi-Fi，性能稳定
表5-4 新风机遥控装置硬件选型表
03
新知讲解
常见红外模块分两种：
输入脉冲信号来发射红外光。
可学习脉冲信号串并存储，通过简单选择信号就能调出并发射对应脉冲。（详细内容见教材p116页）
图5-7 两种红外模块工作方式
03
新知讲解
第一种红外模块需在微控制器写入新风机启停脉冲信号串。
第二种可通过红外遥控器让模块自动学习记录。选能自动学习记录的模块，能省记录、编写工作，降低系统实现难度。（详细内容见教材p116页）
03
新知讲解
提示
多数传感器模块电路接口至少有 3 根接线，用多个不同模块易接线错误且故障难排查。可选择集成化接口模块，既方便插线、降低故障率，还能提升外观整洁度。（详细内容见教材p117页）
图5-8 传感器模块的接口
不同接口协议的适用场景
UART 适合短距离稳定传输（如传感器 - 微控制器）。
I2C 适合多模块共用引脚（如多个传感器）。
SPI 适合高速传输（如存储模块）。
小知识
03
新知讲解
03
新知讲解
2.硬件系统搭建
硬件系统搭建是按方案连接各模块以实现功能，集成化接口模块可用一条线缆直连，常规通用模块需对应好每根接线。 （详细内容见教材p117页）
图5-9 硬件系统搭建
03
新知讲解
试一试
无论采用哪种接线方式，都需要记录每个模块所使用的端口名称或序号即记录端口对应规则，便于后期软件设计时正确对应。将硬件端口对应规则记录在表5-5中。
模块 模块上端口 开发板上端口
二氧化碳浓度传感器 集成接口 IO9
红外模块 VCC、GND、TX、RX 3.3V、GND、RX2、TX2
表 5-5 硬件端口对应规则表
03
新知讲解
二、软件设计
编写程序前要绘流程图规划软件功能与控制流程，这很重要，能帮我们清晰理解和设计软件工作内容、环节逻辑及整体架构，还便于团队交流合作与后续维护升级。 （详细内容见教材p118页）
03
新知讲解
1.二氧化碳浓度监测装置软件设计
二氧化碳浓度监测装置软件主要功能是定期检测浓度并通过网络发数据，程序初期完成网络连接，之后进入浓度检测和数据发送的循环，实现实时读取发送数据。
图5-10 二氧化碳浓度监测装置程序流程图
03
新知讲解
我们编写 MicroPython代码控制整个流程：
进行网络连接时，微控制器模块需要连接至Wi-Fi网络。
采集二氧化碳浓度数据是读传感器引脚输出电压，示例传感器放大电路把电压放大到 2V 方便微控制器采样，程序可写采样转换指令，微控制器用 ADC 采集转换模拟信号，程序要设计相关功能，还有监测浓度的参考程序。
采用MQTT协议，微控制器向服务器发送二氧化碳浓度传感器的监测数据。（详细内容和代码见教材p119，120页）
03
新知讲解
试一试
将各个功能的程序进行整合，形成可运行的完整程序。
提示：需将代码中 SSID、PASSWORD、USERNAME、PROJECT_NAME、CLIENT_ID、mqtt服务器地址 等替换为实际环境的配置信息。
程序运行流程：先连接 WiFi 网络，再初始化 CO 传感器并配置 MQTT 客户端，最后进入循环 —— 周期性读取传感器电压数据并通过 MQTT 发送至指定主题。
03
新知讲解
2.云平台服务程序设计
云平台服务程序用于处理二氧化碳浓度数据、判断是否超阈值并发送新风机控制指令，流程图含循环和分支结构。 （详细内容见教材p121页）
图5-11云平台服务程序流程图
03
新知讲解
在云平台 “组件” 页创建 “二氧化碳浓度电压” 图表组件，对应 MQTT 主题 “CO2_Level”。
在 “逻辑” 页通过拖拽图形模块编写程序，需考虑传感器电压输出特性。
涉及两个 MQTT 主题 ——“CO2_Level”（传感器传浓度数据）和 “Fresh_air”（云平台传新风机启停指令）。 （详细内容见教材p121页）
图5-13云平台服务参考程序
图5-12图表组件
03
新知讲解
“CO2_Level” 主题传输的是传感器输出电压字符串，程序将其转为浮点型后与阈值（如 1.2）比较。
若浓度超阈值，向 “Fresh_air” 主题发布 “ON” 指令；否则发布 “OFF” 指令。
云平台服务程序是软件体系核心，其设计思路和算法效率直接影响项目实现效果与人性化设计，且有较大优化空间。 （详细内容见教材p122页）
03
新知讲解
从程序流程图来看，你认为云平台服务参考程序还有哪些可以优化的地方 请结合测试中出现的现象进一步提出改进方案，并进行测试。
试一试
阈值滞后：设启动（1.2）和关闭（1.0）两阈值，避免新风机频繁启停；测试 1.0~1.2 波动稳定性。
数据滤波：取连续 5 次 “CO2_Level” 数据平均值再比对，减少噪声误差；测试数据波动下判断稳定性。
03
新知讲解
试一试
3.异常处理：加 MQTT 自动重连和数据校验，异常时跳过；测试断网恢复及非数字数据容错性。
4.指令优化：增状态标记，仅状态变化时发新指令；测试连续触发同一指令时发送量是否减少。
03
新知讲解
3.新风机遥控装置软件设计
新风机遥控装置的核心工作是监听服务器控制指令，识别后生成红外信号启停新风机。
程序以分支结构解析指令，指令错误则不操作，无指令时持续监听（流程见图 5-14）。（详细内容见教材p122，123页）
图5-14新风机遥控装置程序流程图
03
新知讲解
红外模块与微控制器通过 UART 串口传输数据，程序需引入 UART 串口配置和调用语句。
新风机遥控装置通过 MQTT 协议订阅、监听主题获取指令，程序中配置客户端、设定主题等操作与之前类似，但订阅主题和接收消息需用新语句。（详细内容和代码见教材p123页）
03
新知讲解
根据程序代码片段，结合流程图，尝试完成新风机遥控装置的软件设计。
试一试
要完成新风机遥控装置的软件设计，可按照以下步骤整合程序逻辑：
导入依赖库并配置硬件接口。
编写指令解析与红外控制函数。
实现网络连接与 MQTT 监听逻辑。
03
新知讲解
三、测试验证
测试验证是产品投入使用前的最后一个环节，该环节要对整个软硬件系统进行运行测试，评估其是否能够完整实现预期功能，达到预期效果。测试验证分为测试准备、实验室测试和现场安装调试三个阶段。
03
新知讲解
1.测试准备
测试准备阶段需完成电源连通、网络搭建、云服务启动等工作，为系统测试和安装提供条件，且需记录相关工作。 （详细内容见教材p125页）
表5-6自动通风系统测试准备工作清单
03
新知讲解
根据自动通风系统的工作过程，将测试准备工作内容填写在表5-6中。
试一试
准备工作 完成情况
红外模块对遥控器信号的学习 已完成
搭建测试无线局域网 已完成
启动云服务 已完成
二氧化碳浓度传感器硬件连接与端口配置 已完成
新风机遥控装置硬件连接与程序部署 已完成
表5-6自动通风系统测试准备工作清单
03
新知讲解
2.实验室测试
实验室测试在实验室搭建系统做功能测试，不涉及实际安装，借仪器量化性能指标不达预期可调试。
如用空气质量检测仪测新风机 CO 阈值、红外遥控有效性，指标可记录为系统说明书参数。 （详细内容见教材p125页）
03
新知讲解
对实验室内搭建的自动通风系统进行测试，将测试数据记录在表5-7中。
试一试
表5-7自动通风系统测试数据表
项目 设计指标 测试数据
开启新风机二氧化碳浓度（体积分数） 0.08% 0.08%
关闭新风机二氧化碳浓度（体积分数） 0.06% 0.06%
新风机红外遥控响应时间 ≤1s 0.8s
系统网络连接稳定性（连续运行小时数） ≥24h 24h
03
新知讲解
3.现场安装调试
系统经实验室测试达标后，可在教室现场安装调试并投入使用；过程中需解决传感器安装位置、红外遥控稳定性等意外问题，需通过集思广益、合作讨论优化方法。（详细内容见教材p126页）
04
课堂练习
1.自动通风系统中，CO 传感器输出电压需放大的主要原因是（ ）。
传感器电压过高易烧微控制器 B. 微控制器采样量程大于传感器输出电压
C. 放大后数据传输更快 D. 降低环境干扰
完成单项选择题：
2.新风机遥控装置选择 “可学习型红外模块” 的优势是（ ）。
传输距离更远 B. 无需编写红外脉冲信号串代码
C. 功耗更低 D. 支持多台新风机控制
B
B
04
课堂练习
感知层：CO 传感器（采集浓度数据）、红外模块（执行控制指令）。
网络层：Wi-Fi（微控制器与云平台通信）、MQTT 协议（数据传输）。
应用层：云平台（数据处理与指令下发）、新风机（通风执行）。
3.请简述自动通风系统的物联网三层架构（感知层、网络层、应用层）在本课中的具体体现，每层至少举 1 个实例。
05
拓展延伸
在我们的生活中，嵌入式系统的应用可谓无处不在。
嵌入式系统是一种专门用于执行特定任务的计算机系统，通常包含一个或多个微处理器或微控制器，以及其他硬件和软件。
嵌入式系统常用于控制和监测各种设备和系统，如汽车、航空航天设备、医疗设备、家用电器、工业自动化设备等。
嵌入式系统通常具有高可靠性、低功耗、紧凑的设计和实时响应等特点。
拓展与深化
05
拓展延伸
查阅资料，了解嵌入式系统的发展，尤其是国产嵌入式系统的发展现状。
试一试
国产嵌入式系统发展现状 —— 华为鸿蒙智联、瑞芯微 RK 系列芯片，在智能家居、工业控制领域应用广泛，支持低功耗和多设备联动，自主可控性提升。
05
拓展延伸
云平台数据存储的常见方式
关系型数据库：存结构化数据，支持复杂查询与事务。
非关系型数据库：灵活存非 / 半结构化数据，Redis 可缓存提速。
时序数据库：优化存储时序数据，高效查询。
对象存储：存大量非结构化文件，高扩展且适合长期保存。
05
拓展延伸
低功耗设计对自动通风系统的意义
低功耗设计对自动通风系统的核心意义是降能耗成本、延设备寿命、适配多场景：
1.减少长期运行成本，因系统需 24 小时监测（如 CO 传感器），低功耗可大幅节电，多设备部署时节能更显著。
2.延长关键部件寿命，降低硬件负载与发热，减缓老化、减少维护。
3.适配灵活安装，电池供电场景下能延长续航，避免频繁充换电。
05
拓展延伸
二氧化碳传感器工作原理
06
课堂总结
1
硬件设计
自动通风系统的开发与实现
2
软件设计
3
测试验证
4
完成课堂练习
5
进行相关知识拓展
1
2
3
4
5
07
板书设计
自动通风系统的开发与实现
1、硬件设计
2、软件设计
3、测试验证
4、完成课堂练习
5、进行知识拓展
课后作业。
1、自动通风系统的网络安全风险安全防护建议。
08
课后作业
围绕 “自动通风系统的网络安全风险”（如 MQTT 账户被盗导致风机误操作、传感器数据被篡改），结合具体场景（如教室风机被恶意关闭），提出 2-3 条安全防护建议（如定期更换 MQTT 密码、给传感器数据加校验码、限制云平台访问权限），字数不少于 200 字。
https://www.21cnjy.com/recruitment/home/fine

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