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(共47张PPT)
第3课
物联网系统和反馈控制--物联网系统的搭建
（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
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。
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。
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。
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。
02
新知导入
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
02
新知导入
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。
02
新知导入
03
新知讲解
一、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。
图2.3.1 物联网系统搭建流程示意
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新知讲解
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。
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新知讲解
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。
图2.3.2 某物联网服务平台
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新知讲解
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。
03
新知讲解
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。
03
新知讲解
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。
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知识拓展
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？
物联网服务平台选择
功能需求：确保平台支持所需功能，如数据存储、分析可视化等。
兼容性：选择与现有设备和协议兼容的平台。
扩展性：平台应支持未来的扩展需求，能够处理更多设备和数据。
安全性：确保平台有强大的安全措施，如数据加密、身份验证等。
社区支持：选择有活跃社区和良好文档支持的平台。
03
知识拓展
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？
智能终端选择
硬件性能：根据应用需求选择合适的处理器、内存和存储。
功耗：考虑设备的能耗，尤其是电池供电的设备。
连接性：确保设备支持所需通信协议（如Wi-Fi、蓝牙、Zigbee等）。
耐用性：根据使用环境选择耐用的设备。
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知识拓展
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？
编程语言选择
性能：选择性能优越的语言，如C/C++用于嵌入式开发，Python用于快速原型开发。
生态系统：考虑语言的库和框架支持，便于快速开发和集成。
学习曲线：选择团队成员熟悉的语言，降低学习成本。
跨平台支持：确保所选语言能够在不同平台上运行，便于设备间的互操作性。
03
新知讲解
二、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了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。
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新知讲解
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。
图2.3.3 SIoT服务器
03
新知讲解
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。
图2.3.4 访问服务器的网页管理端
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。
03
知识拓展
MQTT协议的操作原理是什么？
MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一种轻量级的消息传输协议，主要用于物联网设备之间的通信。其操作原理如下：
发布/订阅模式：MQTT采用发布/订阅模式，客户端可以发布消息到特定主题（Topic），也可以订阅感兴趣的主题。
Broker（代理服务器）：所有的消息都通过MQTT Broker进行转发客户端不直接通信，而是通过Broker进行消息的发送和接收。
03
知识拓展
MQTT协议的操作原理是什么？
消息质量等级：MQTT支持三种消息质量等级（QoS）：
- QoS 0：最多一次（At most once），消息可能丢失。
- QoS 1：至少一次（At least once），确保消息送达，但可能重复。
- QoS 2：只有一次（Exactly once），确保消息送达且不重复。
保持连接：MQTT支持长连接，客户端可以保持与Broker的连接，定期发送心跳包以保持连接活跃。
轻量级：MQTT协议头部小，适合带宽受限和资源有限的设备。
03
新知讲解
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。
03
新知讲解
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。
03
新知讲解
然后，使用publish发送消息。其中，IOT_pubTopic是消息的主题名称，SIoT中可以自行定义这个主题的名称，test/001、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。
03
新知讲解
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(sub_cb)。当名称等于变量IOT_pubTopic的主题接收到消息时，就会运行一次回调函数sub_cb。
03
新知讲解
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。
03
新知讲解
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。
03
新知讲解
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。
03
新知讲解
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。
03
新知讲解
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。
03
新知讲解
探索
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。
03
新知讲解
一、引言
物联网（IoT）是将物理设备连接到互联网的技术，能够实现数据的收集、传输和分析。本次活动旨在通过搭建一个简单的物联网应用，加深对物联网的理解。
二、项目目标
搭建一个基于MQTT协议的温度监测系统，能够实时监测温度并将数据上传至MQTT Broker。
三、系统架构
硬件：使用树莓派作为智能终端，DHT11温度传感器用于数据采集。
软件：使用Python编写数据采集和上传程序，使用Mosquitto作为MQTT Broker。
“搭建一个简单的物联网应用”研究报告
03
新知讲解
四、实施步骤
1. 硬件搭建：将DHT11传感器连接至树莓派，确保连接正确。
2. 软件环境搭建：在树莓派上安装Python及相关库（如paho-mqtt）。安装Mosquitto Broker。
3. 编写代码：编写Python程序，定时读取温度数据并通过MQTT发布到指定主题。
4. 测试与验证：使用MQTT客户端订阅主题，验证数据是否成功上传。
五、结果与讨论
通过本次活动，我们成功搭建了一个简单的温度监测系统，能够实时监测和上传温度数据。我们认识到物联网的潜力和应用场景，同时也体会到在搭建过程中遇到的挑战，如设备连接问题、数据格式处理等。希望能在此基础上扩展更多功能，如数据存储、可视化等。
“搭建一个简单的物联网应用”研究报告
04
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。
挑战
表 2.3.1 项目实施记录表
搭建的物联网应用名称
选择的物联网服务平台
硬件清单
代码编程
实现效果
04
课堂练习
挑战
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
04
课堂练习
挑战
表 2.3.1 项目实施记录表
代码编程
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。
05
拓展延伸
常见的物联网应用搭建项目内容
1、智能家居控制系统
远程控制家中的灯光、空调等设备。
硬件：ESP8266、继电器模块、传感器。
2、智能农业监测系统
监测土壤湿度、温度等环境参数。
硬件：Arduino、土壤湿度传感器、温度传感器。
05
拓展延伸
常见的物联网应用搭建项目内容
3、智能停车管理系统
监测停车位的占用情况。
硬件：超声波传感器、ESP32。
4、健康监测系统
监测心率、血压等健康数据。
硬件：心率传感器、Arduino、蓝牙模块。
05
拓展延伸
如何搭建LED的远程控制物联网应用
一、硬件需求
微控制器：ESP8266或ESP32
LED灯：1个LED灯（可以使用RGB LED）
电阻：220Ω（用于LED）
面包板：用于连接电路
跳线：用于连接各个组件
二、软件需求
开发环境：Arduino IDE
库：ESP8266WiFi库、WebServer库
三、实现步骤
1. 电路连接： 将LED的正极连接到微控制器的GPIO引脚（如D2），负极连接到地（GND）并通过220Ω电阻连接。
05
拓展延伸
如何搭建LED的远程控制物联网应用
2. 代码编程：
05
拓展延伸
如何搭建LED的远程控制物联网应用
2. 代码编程：
3. 上传代码：将代码上传到ESP8266/ESP32。
4. 访问控制：在浏览器中输入ESP的IP地址，使用 `/led/on` 和 `/led/off` 来控制LED的开关
四、实现效果
通过访问特定的URL，可以远程控制LED灯的开关状态。
05
拓展延伸
SIOT库的常见功能
设备管理：注册和管理物联网设备。
数据采集：从传感器收集数据并上传到云端。
远程控制：通过API或Web界面控制设备状态。
消息推送：向设备发送指令或通知。
数据存储：将设备数据存储在云端数据库中。
安全性：提供数据加密和身份验证功能。
07
课堂总结
1
引入新知内容
物联网系统和反馈控制--物联网系统的搭建
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
1
2
3
4
5
08
板书设计
物联网系统和反馈控制--物联网系统的搭建
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
09
课后作业
01
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？
09
课后作业
02
请同学们总结MQTT服务器搭建的步骤。
https://www.21cnjy.com/recruitment/home/fine

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