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
第三章 智能家居简易产品设计
第 三 节 产品方案实现
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.通过开源的设计平台构建智能家居产品原型。
2.应用工具进行程序设计和智能产品的硬件配置，设计制作产品的原型。
3.掌握简易智能家居产品的安装与调试。
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:
学生对智能家居产品设计认识有限，他们需要学习有关智能家居产品设计的知识。
现代家庭通常都有电视机、音响、电冰箱、空调、洗衣机等各类家用电器，也有窗帘、门锁、电灯等设备。通过应用计算机、通信和控制技术，将这些电器和设备互联起来，构建一个智能家居系统，实现家居安防、互动娱乐、通信和电器设备的远程控制等服务，已经成为未来家庭生活的发展趋势。本章通过学习简易智能家居产品的原型构建、程序设计、硬件配置，以达到初步掌握智能家居产品一般设计方法的目的。
教学重难点:
通过开源的设计平台构建智能家居产品原型。
应用工具进行程序设计和智能产品的硬件配置，设计制作产品的原型。
掌握简易智能家居产品的安装与调试。
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　第三章 智能家居简易产品设计第 三 节 产品方案实现。
在上节内容中，我们根据小明的需求和实际情况，设计了两个方案，并分析了这两个方案的关键技术。这节我们将根据这两个方案，完成对应产品的制作和测试。
一、产品制作
（一）方案1
1．工作任务
根据方案1的系统框图，可以知道方案1需要用到的设备与材料清单如表3-1所示，实物如图3-17（参见教案P47）所示。其中传感器拓展板V5是为了方便Arduino UNO主控板连接蓝牙模块和继电器模块，不是必需的材料。
表3-1 方案1所需设备与材料清单
设备名称 数量 备注
Arduino UNO主控板 1块
传感器拓展板V5 1块 方便Arduino UNO主控板连接蓝牙模块和继电器模块
蓝牙模块 1个
继电器模块 1个
灯泡 1个
灯泡底座 1个
连接线 1批
电源线 数条
本次任务主要内容如表3-2所示。
表3-2 任务主要内容
工作任务 具体任务描述
设备安装与线路连接 将Arduino UNO主控板、传感器拓展板V5、蓝牙模块、继电器模块、灯泡、灯泡底座等设备对照电路原理图和实物连线图接线
Arduino UNO主控板程序设计 编写Arduino UNO主控板的程序，使Arduino UNO主控板能够通过继电器模块控制灯泡
手机控制端APP程序设计 编写手机控制端的APP程序，使手机能够通过蓝牙通信控制Arduino　UNO主控板，进而控制灯泡
测试 下载安装程序，并测试系统的功能
2．设备安装与线路连接
产品电路原理图和实物连线图如图3-18（参见教案P47）、图3-19（参见教案P48）所示。
3．Arduino UNO主控板程序设计
手机通过蓝牙与蓝牙模块通信，蓝牙模块再通过串口与Arduino UNO主控板通信。当Arduino UNO主控板通过串口收到数值16时，Arduino UNO主控板的数字端口5输出高电平，使继电器吸合，灯泡的电路联通，灯泡亮起来；当Arduino UNO主控板通过串口收到数值17时，Arduino UNO主控板的数字端口5输出低电平，使继电器断开，灯泡的电路断开，灯泡熄灭。
打开Ardunio开发编程环境Arduino IDE，输入下列代码：
　　Arduino程序代码必须包含以下两个部分：
（1）setup( )的作用是初始化变量，设置管脚模式，调用库函数等，此函数只运行一次。
（2）loop( )函数是一个循环函数，函数内的语句周而复始地循环执行，功能类似于C语言中的main( )。
程序编写完毕后，单击“编译”按钮。如果程序格式正确，在界面下方会提示“编译完毕”。输入时注意区分字母的大小写。在单击“下载”按钮前，先要将蓝牙模块取下来。因为蓝牙模块和下载都占用同一个串口，相互冲突。单击“下载”按钮后，界面下方出现“下载中......”提示，同时Arduino UNO主控板上的TX和RX的灯也会点亮。程序下载完毕后，界面下方会提示“下载完毕”。
4．手机控制端APP程序设计
下面我们来编写手机控制端的APP程序，手机安装该程序后就可以通过蓝牙信号去控制Arduino UNO主控板了。
手机控制端的程序可以使用App Inventor软件开发。App Inventor是一款基于Web的Android应用开发工具。它是通过可视化的积木模块来实现的，并用积木模块定义不同的功能，具有简单易学的优点，主要是面向没有编程经验的初学者。App Inventor有离线版和在线版两种开发方式。在线版是直接在App Inventor网站上开发。
打开App Inventor软件，新建一个“Lightcontrol”项目后就可以进入App Inventor开发环境的设计界面，如图3-20（参见教案P50）所示。
（1）组件设计。
首先，在组件面板区选择所需要的控件，将其拖到工作面板区。然后，在工作面板区或组件列表区选中需要修改属性的组件，这时候组件属性区会相应地显示被选中组件的属性列表。最后，在组件属性区对选中组件的属性进行编辑。
本项目界面设计思路：在屏幕上方显示一个熄灭灯泡的图案，当手指触摸它时，熄灭灯泡的图案换成点亮灯泡的图案。在屏幕下方有两个按钮，一个是“搜索蓝牙”，另一个是“连接蓝牙”。事先从网上找到并下载一个熄灭灯泡的图案（light1.png）和一个点亮灯泡的图案（light2.png）。如果没有找到png格式的图案，也可以使用jpg格式的图案。组件设计如图3-21（参见教案P50）所示。
①因为按钮组件既可以响应手指点击的动作，也可以显示图片，所以把一个按钮控件拖入工作面板区，并将熄灭灯泡的图案显示在按钮组件的表面。具体步骤如下：
在组件面板区的用户界面栏中找到按钮控件，拖到工作面板区，得到一个名为“按钮1”的组件。
b．把按钮1的组件属性区中的文本内容删除，将宽度栏修改为200，高度栏修为300。
c．点击组件列表区的Screen1，然后在组件属性区把标题项改为“LightControl”，水平对齐栏修改为居中。
d．在素材区单击“上传文件”，将事先下载好的熄灭灯泡的图案（light1.png）和点亮灯泡的图案（light2.png）文件添加到项目中。
e．选取按钮，然后在组件属性区单击图像栏，选中熄灭灯泡的图案（light1.png）。
②手机和主控板使用蓝牙通信，所以需要为程序加入蓝牙组件。具体步骤如下：
a．在组件面板区选择通信连接栏，找到蓝牙服务器控件。在用户界面栏找到对话窗控件，将其拖到工作面板区。这两个控件是不可见的，显示在模拟器下面。
b．在组件面板区选择界面布局栏，找到水平布局控件，将其拖到工作面板区。使用水平布局控件的目的是把接下来放置的按钮、列表显示框等控件排列整齐。
c．在组件面板区的用户界面栏找到列表选择框控件，拖到工作面板区水平布局框内，得到一个名为“列表选择框”的组件。把组件属性区中的文本内容修改为“搜索蓝牙”，文字大小栏改为18。
d．在组件面板的用户界面栏找到按钮控件，拖到工作面板区水平布局控件框内，得到一个名为“按钮2” 的组件。把组件属性区中的文本内容修改为“连接蓝牙”，文字大小栏改为18。
（2）逻辑设计。
需要为组件添加行为，使程序能够对一些动作做出反应，如触摸屏幕会变换图像、发出声音等。单击逻辑设计按钮进入逻辑设计界面，在左侧列表中找到需要编写响应的组件，单击它，在它的右侧会产生该组件可以创建的事件列表类型。选择一种需要的事件块并拖到右边的编辑区，为事件编写相应的内容。
本程序主要组件设计思路逻辑框架图如图3-22（参见教案P51）、图3-23（参见教案P52）、图3-24（参见教案P52）所示。
实现步骤如下：
①对屏幕进行初始化。
在没有完成“搜索蓝牙”之前，“连接蓝牙”按钮处于非活动状态，即不可点击。
a．点击逻辑设计界面左侧的Screen1选项卡，在Screen1右边会弹出一个列表，选择“当Screen1.初始化”，并拖曳到右侧空白编辑区。
b．点击Screen1选项卡，选择按钮2，从按钮2右边列表中选择“设置按钮2.启用为”，并拖曳到“Screen1.初始化”框内。
c．点击内置块选项卡，选择逻辑，从逻辑右边列表中选择“假”，并拖曳到右边“设置按钮2.启用为”的槽口处连接在一起，如图3-25（参见教案P53）所示。
②“搜索蓝牙”键设计。
利用列表选择框组件实现“搜索蓝牙”键展开功能，将手机已存储配对过的设备做成一个列表供我们选择。
定义一个全局变量DeviceMac，用来存放选择后的蓝牙Mac地址。
a．从内置模块选项卡找到变量，选择“初始化全局变量为”，并拖曳到右边编辑区，并将变量名修改为DeviceMac。
b．从内置模块选项卡中找到文本，选择文本，拖曳到右边DeviceMac的槽口，将文本修改为“ok”，完成DeviceMac初始化赋值，如图3-26（参见教案P53）所示。
在选择蓝牙前，列表选择框１组件需要先列出手机配对过的设备清单。在选择蓝牙后，全局DeviceMac保存从列表中选择的Mac地址，并将“连接蓝牙”按钮激活。“搜索蓝牙”列表框设计见图3-27（参见教案P53）。
③“连接蓝牙”键设计。
“连接蓝牙”键设计见图3-28（参见教案P54）。
④“灯泡按钮”键设计。
当点击熄灭灯泡的图案按钮时，把熄灭灯泡的图案换成点亮灯泡的图案，并通过蓝牙向ArduinoUNO主控板发送命令数值16；再次点击按钮时，把点亮灯泡的图案换成熄灭灯泡的图案，并通过蓝牙向Arduino UNO主控板发送命令数值17。“灯泡按钮”键设计见图3-29（参见教案P54）。
（3）下载程序。
在App Inventor在线设计网站点击“打包apk”菜单，就可以把设计好的程序打包为apk，然后就可以安装到手机里了。
讨论
从前面的程序和主要组件设计思路逻辑框架图中我们看出，用手机控制时正确的操作顺序应该是先通过“搜索蓝牙”列表选择框1搜索并选择正确的蓝牙设备，再通过“连接蓝牙”按钮2连接蓝牙设备，最后通过“灯泡”按钮1去控制灯泡亮或者熄灭。
1．如果某同学操作顺序错了，程序会怎样运行？
2．如果某同学操作顺序没有错，但在“搜索蓝牙”时，没有选择控制灯泡的蓝牙模块，而是选择了其他的蓝牙设备，最后当他点击“灯泡”按钮1时，手机会向他选择的蓝牙设备发送数字信息吗？手机还能控制灯泡的亮或者熄灭吗？
3．在题2的情况中，如果他要断开这个蓝牙设备，可以怎样操作？如果他要重新选择蓝牙设备连接，可以怎样操作？
（二）方案2
1．工作任务
方案2的项目蓝图如图3-30（参见教案P55）所示，需要用到的设备与材料清单如表3-3所示，实物如图3-31（参见教案P55）所示。
表3-3 设备与材料清单
设备名称 数量 备注
触摸开关 1个 RF433通信
家居网关 1个
灯泡、灯座 1个
86开关底盒 2个
路由器 1个 无线路由器
移动终端 1个 手机或平板电脑
网线、电源线 1批 电源线大于1mm
本次任务的主要内容如表3-4所示。
表3-4 任务主要内容
工作任务 具体任务描述
设备安装 将智能开关、灯泡、灯座、86开关底盒、路由器、家居网关等设备，按照安装位置图固定在实训架的指定位置上
线路连接 1. 用电源线正确连接智能开关、灯座 2. 触摸开关，可以控制灯的开关 3. 所有线路连接正确，不存在短路、断路情况，安装顺利，线路安排恰当 4. 正确连接路由器、电脑、移动终端等设备
网络搭建 进入路由器设置界面，正确设置参数，使路由器可以接入互联网。设置路由器的Wi-Fi，使移动设备可以接入路由器
软件调试和功能调试 1. 在移动终端安装配套APP 2. 在APP中添加家居网关设备，并正确添加智能开关设备 3. 为APP中的灯光开关按钮学习RF433编码 4. 通过自主学习完成APP界面的制作
2．设备安装与线路连接
图3-32（参见教案P56）所示为设备安装时的剥线长度和触摸开关连线，图3-33（参见教案P56）所示为智能照明系统连线，图3-34（参见教案P57）所示为安装完成效果。
讨论
在安装与连线过程中，应该注意哪些安全事项？
3．网络搭建
（1）将家居网关与路由器连接，如图3-35（参见教案P57）所示。
（2）路由器设置。计算机端设置自动获取IP地址和DNS服务器（图3-36）（参见教案P57）；在计算机端登录路由器一般默认IP地址为192.168.1.1，以国内某公司路由器产品为例，路由器登录页面如图3-37（参见教案P58）所示，WLAN口上网设置页面如图3-38（参见教案P58）所示，路由器无线设置页面如图3-39（参见教案P58）所示。
二、产品测试
（一）方案１测试
在手机上安装好设计的apk程序，运行程序，点击“搜索蓝牙”列表选择框，选择正确的蓝牙客户端后，点击“连接蓝牙”按钮连接蓝牙客户端，再点击“点亮灯泡”图案和“熄灭灯泡”图案，看灯泡能否正常控制（图3-40）（参见教案P59）。
（二）方案2测试
1．软件测试
（1）打开手机或者平板电脑（移动终端为安卓系统），连接家居网关设备所在的路由器。在手机软件市场搜索对应的APP，下载并安装，如图3-41（参见教案P59）所示。
（ 2 ）运行APP，添加“反馈开关”设备（图3-42）（参见教案P60）。在屏幕上向左滑动手指，选择“我的设备”，在弹出的“添加设备”窗口选择“反馈开关”。在弹出的窗口中单击“扫描”，然后长按触摸开关 按钮3秒，直到 按钮闪烁。当提示“添加成功”时则添加设备成功，否则重复前面步骤。
2．功能测试
（1）返回至APP主界面，向右滑动屏幕，选择“反馈开关”。
（2）在“反馈开关”界面中单击 按钮，查看灯光是否开启（图3-43）（参见教案P60），再次按下 按钮，查看灯光是否关闭。
（3）在移动终端关闭Wi-Fi信号，通过4G信号控制灯光，若能正常控制，软件调试任务初步完成。
学习评价
　　　　　　　　　评价内容 评价方式
自评 互评 师评
知道智能家居产品的类别，能对一些标准的传感器，如人体感应传感器、门窗传感器等，进行简单的组装和体验
能从实际情境出发，确定智能家居系统的需求和功能
能从安全性、功耗等方面对智能家居系统进行分析，阐明智能家居的安全标准，会设计安全可靠、低功耗的智能家居产品
能结合蓝牙、Wi-Fi、RF433等接口标准和通信协议，理解网络组建、通信的原理与功能
能通过开源的设计平台构建智能家居产品原型，能进行相应的简单程序设计和智能产品的硬件配置
掌握简易智能家居产品的安装与调试
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
1．联系《普通高中教科书 通用技术 必修 技术与设计1》所学的“测试”相关知识，给方案1的作品写出测试的评价报告。
2．上网查阅资料，了解可开发手机APP的编程软件还有哪些。
板书设计
第三章 智能家居简易产品设计
第 三 节 产品方案实现
一、产品制作
方案1
方案2
二、产品测试
方案1测试
方案2测试
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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