资源简介

普 通 高 中 教 科 书
《通用技术》选择性必修6：智能家居应用设计
第二章 智能家居与物联通信
第 三 节 简易物联网设计
教学设计
教学背景
清晨，天慢慢亮了，卧室自动响起轻柔的音乐把你唤醒；房间亮起柔和的灯光；智能卫浴会为你自动调整洗浴水温；智能厨房会为你自动烹饪早餐……
你是不是觉得这样的智能生活离我们还很遥远？
实现人民对美好生活的向往是我们现代化建设的出发点和落脚点。随着国家坚持把发展经济的着力点放在实体经济上，推进新型工业化，加快建设制造强国、质量强国、航天强国、交通强国、网络强国、数字中国的进程，我国的科学技术得到了高速的发展。这种带有科幻色彩的生活场景，已经逐渐走进了人们的生活。小到智能电灯、智能门锁，大到智能卧室、智能厨房，各种各样的智能产品已经渐渐地融入了我们的生活，这些就是同学们将在本书学习的内容——智能家居。
教学目标：
知识与技能目标:
1.采用物联网组网技术，能根据给定应用场景，进行需求分析，画出系统控制的框架图，进行简易物联网系统的设计和优化。
2.对无线通信组网原理和各种传感器有感性认识。
3.学会对传感器进行选型和布局。
教学内容分析:
第一章从与同学们生活密切相关的典型实例开始，通过调查、讨论等活动，使同学们了解智能家居的系统特征及技术标准，感悟智能科技应用对家庭生活方式的影响，形成亲近、运用智能科技的积极情感。
第二章通过对物联网技术的技术构成、结构特征、技术标准及传感器的介绍，使同学们了解物联网通信标准在智能家居领域的应用，并通过简单的物联网系统的设计，了解物联网的应用，理解智能家居与物联网的关联性。
第三章通过实例展示了各种智能家居产品，并让同学们亲历一个智能家居产品的设计过程，掌握简易智能家居产品的安装与调试，同时理解组网、通信和传感器等的原理和功能。
第四章是一个较为完整的智能家居的设计、优化与搭建过程，通过情景描述的方式，使同学们掌握与用户进行沟通的方法，并学会需求分析。通过本章的学习，同学们还会学到智能家居的设计原则及对方案进行优化的方法。
学情分析:
学生对智能家居认识有限，他们需要感受先进技术在家庭生活中的运用，需要一个集通信、计算、控制等技术于一体的应用性学习窗口。
智能家居融合了物联网、人工智能、生物技术、大数据、自动控制等先进技术，意在创设一种智慧感知、协调控制、智能互联、方便快捷的家居生活环境。
教学重难点:
采用物联网组网技术，能根据给定应用场景，进行需求分析，画出系统控制的框架图，进行简易物联网系统的设计和优化。
学会对传感器进行选型和布局。
教学策略:
始终强调实践，在书中设置了“讨论”“分析”“思考”“知识窗”等栏目。这些栏目的设置，为同学们自主学习、合作学习和探究学习提供了方便。
教学准备:
展示用的图片、其他技术产品、多媒体课件。
教学过程:
情景导入:
老师：本节课我们学习《通用技术》选择性必修6：智能家居应用设计　第二章 智能家居与物联通信第 三 节 简易物联网设计。
互联网将人与人通过网络连接起来，随着射频识别技术的出现，人们开始思考能否将物也连接到互联网中，将物与物、物与人都通过网络连接起来，形成一种新兴的网络，这就是物联网。以智能手机、平板电脑等为代表的移动终端的出现，使互联网进入了移动互联网时代，推动了物联网的新发展，加快了智能家居走向成熟的步伐。
智能家居是一个基于网络的智能控制系统，它通过家庭网络把各种设备，如音频设备、视频设备、照明设备、窗帘控制、空调控制、安全系统等连接在一起。
一、需求分析
案例
业务员小王经常到全国各地出差。有一次，他在外出差一个多月，回到家时发现家里被盗了。由于小区的个别摄像头年久失修，加之小区存在许多死角并无摄像监控，无法查找线索。报警后，警察也束手无策，小王很是烦恼。
后来经朋友介绍，他了解到智能家居可以解决他的烦恼，他希望能够安装一套智能安防报警系统。当有人进入小王家时，他能够通过智能手机立即发现；当出现煤气泄漏、厨房着火等情况时，系统也能进行预警，从而消除安全隐患。
为了节省预算，小王希望不改变原有装修，用最少的投入、最简便的解决方案。
在了解小王的需求后，你觉得小王家的智能安防报警系统应该如何设计？分析小王的需求，确定智能安防报警系统的施工方案。
需求分析。由于小王经常出差，家中没人，为了保障安全，小王需要在家中安装一套智能安防报警系统，在该系统中需要做到：当有人进入小王家时，系统就会报警；当煤气泄漏、厨房着火时，系统也会报警。
根据需求分析，为小王绘制了一张如图2-11（参见教材P31）所示的智能安防报警系统项目图。
讨论
智能安防报警系统是智能家居必备系统之一。图2-11（参见教材P31）中的火焰传感器、人体感应传感器在智能安防报警系统中有何作用。
二、简易设计
小王家简易智能安防报警系统的设计将选择适当的传感器，并用ZigBee组网。针对非法入侵的情况，可采用门磁传感器、人体感应传感器等；针对消防安全保障，可采用火焰传感器和气体传感器。在组网方式上，可用ZigBee采集所有传感器信息。系统模块通信结构如图2-12（参见教材P31）所示。
1．传感模块选择
根据小王的需求，传感模块选择如下：
（1）人体感应传感模块。
运用红外线技术，可探测到模块周围人体存在情况。无论人体是移动还是静止，感应电路都能发出有人的识别信号，达到探测人体的目的。因此，人体感应传感模块可应用于人体感应控制方面，以实现红外防盗。
（2）门磁传感模块。
门磁传感模块是最简单的传感器模块，它由两部分组成：磁铁和干簧管。干簧管是一种磁敏的特殊开关，它的两个触点由特殊材料制成，被封装在真空玻璃管里。当磁铁接近它时，干簧管的两个节点就会吸合在一起，电路导通。门磁传感器的干簧管部分安装在门框上，磁铁部分安装在门上。当门关闭时，磁铁和干簧管靠在一起，模块输出为短路状态；当门被打开时，磁铁和干簧管被分开，干簧管断开，输出开路信号，由此可检测到门窗开关状态。
（3）气体传感模块。
气体传感模块通过监测气体的浓度来实现火灾防范。气体传感模块所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡，当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。气体传感模块使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。气体传感模块对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其他可燃蒸气的检测也非常理想。
（4）火焰传感模块。
火焰传感器是感知火源的传感器。火焰是由各种燃烧生成物、高温气体及无机物质为主体的高温固体微粒构成的。火焰的热辐射包括离散光谱的气体辐射和连续光谱的固体辐射，其对应火焰温度的1～2 μm近红外波长范围内具有最大的辐射强度。因此，火焰传感模块利用红外线对火焰非常敏感的特点，特制红外线接收管来检测火焰，把火焰的亮度转化为开关的通断信号。
2．网络选择
为了满足用户的需求及应用的方便性，网络选择如下：
根据用户的需求，在本项目中需要有线网络和无线网络并存。
有线网络连接在布线施工上非常不便，具有很大的局限性，而且无法将各种移动设备稳定、高速地联网。相对有线网络的局限性，无线通信技术不仅能够克服其弊端，消除有线网络对接入设备的位置限制，还能够节省有线网络传输介质的成本。在无线网络通信技术中，ZigBee技术和Wi-Fi技术被普遍采用。
本设计中，各个传感器采用ZigBee技术组网，而控制端（如平板电脑、计算机等）采用无线路由器接入。由于ZigBee与无线路由器的网络协议并不相同，所以在它们中间要加一个协议转换器。ZigBee网络采集各路传感器信号，通过协议转换器可以转换成无线路由
器能传输的格式，供控制端接收。同样，控制端通过无线路由器发出的指令，经协议转换器，也可转换成ZigBee能传输的格式，从而控制传感器的工作。
三、优化改进
小王的需求是在不改变原来室内装修的基础上完成系统的安装，而在原设计方案中，尚存在以下问题：
（1）无线路由器与计算机的连接是用有线的方式，这会影响室内的美观。
（2）小王出差在外，想看清闯入家中的人，这在原方案中是不能做到的。
为了能满足小王的需求，现将原设计方案进行优化，计算机和无线路由器采用Wi-Fi连接，并增加摄像的功能，使小王能查看家中情况，如图2-13（参见教材P33）所示。
讨论
1．摄像头的组网方式是否可以继续改进，如何改进？
2．请分析改进后的方案对小王的家居生活会带来哪些便利，优点在哪里，缺点在哪里。
学习评价
　　　　　　　　　评价内容 评价方式
自评 互评 师评
能阐述物联网基本概念与特征
了解物联网的结构及技术构成
了解物联网的应用，理解智能家居与物联网的关联性
熟悉温度、湿度、光照、烟雾等传感器，了解传感器的标准接口
采用物联网组网技术，能根据给定的应用场景进行需求分析，画出系统控制的框架图，进行简易物联网系统的设计和优化
对智能家居设备的无线组网原理、各种传感器形成感性认识，学会对传感器进行选型和布局
说明：A—优秀，B—良好，C—合格，D—待改进
通过本章的学习，你的核心素养得到了哪些发展？
课后作业
习 题
通过互联网或图书馆查阅相关资料，ZigBee的网络拓扑结构有 ＿＿＿＿、 ＿＿＿＿、 ＿＿＿＿。
板书设计
第二章 智能家居与物联通信
第 三 节 简易物联网设计
一、需求分析
二、简易设计
1．传感模块选择
2．网络选择
三、优化改进
教学反思
通用技术
选择性必修6：智能家居应用设计
普 通 高 中 教 科 书
主 编 刘琼发
副 主 编：李 榕 周卫星 朱美健 席春玲
本 册 主 编：谢胜利 周卫星
本册副主编：肖 明 毛润政
编 写 人 员：凌星星 曹宏钦 朱志琦 刘 方
广东教育出版社
广东科技出版社

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