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第2课
物联网原理和数据采集—物联网的终端设备
（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
深刻认识到物联网终端设备在信息采集、传输和处理过程中存在的安全风险。
能够自主利用网络资源、电子书籍、在线课程等多种数字化学习资源，深入学习物联网终端设备的相关知识。
能够理解物联网终端设备在数据采集、传输和处理过程中涉及的基本逻辑关系。
能够观察生活中物联网终端设备的使用情况，分析其如何采集、传输和处理信息，以及对人们生活和工作方式带来的改变。
02
新知导入
本课中你将学习:
什么是智能终端和开源硬件
怎样对智能终端进行编程
智能终端的 I/O 引脚有哪些模式
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新知导入
自行车、电饭煲、电冰箱等物品之所以能接入物联网系统，并响应用户的管理，是因为在这些物品的内部集成了单片机系统。借助单片机系统，自行车就可以“升级”为物联网终端，能够联网接受开锁指令并实时定位；电饭煲和电冰箱也摇身一变，成为智能家电，接受主人的管理，实时“汇报”自己的状态。
02
新知导入
03
新知讲解
一、智能终端和开源硬件
我们常常把物联网设备称为终端设备或者智能终端。这里的终端（terminal）是指具备输入和输出功能，但数据处理能力较弱的设备，其本质是一台计算机。在物联网系统中，智能终端负责连接物品与网络。随着蓝牙、Wi-Fi技术的普及，各种具备联网功能的智能终端产品被不断地研发出来，其中价格低廉且性能强大的开源硬件成为技术爱好者最主要的选择之一。
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新知讲解
1.智能终端
智能终端一般采用单片机系统。单片机是集成在一块芯片上的微型计算机，具有体积小、成本低的特点，可以直接嵌入或集成到其他设备中。国际上通常把这种单片机称为微控制器单元（MCU）。图1.2.1所示的是芯片 Hi3716，它广泛应用于各类机顶盒设备；图1.2.2是基于ESP32芯片的网络模块，它的体积很小，广泛应用于各类物联网设备。
图1.2.1 芯片H3716
图1.2.2ESP32
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新知讲解
2.开源硬件
开源硬件（open source hardware）中的“硬件”，是指计算机硬件，是计算机系统中由电子、机械和光电元件等组成的各种物理装置的总称。开源硬件等同于“开源”的智能终端，其遵循开源许可协议，将硬件电路原理图、材料清单、设计图以及相关工具等资料分享出来，供他人使用和再创作。
开源硬件产品丰富，种类齐全。据不完全统计，当前市场上的开源硬件有上百种。表1.2.1中罗列了在中小学课堂中应用较为广泛的三款开源硬件。
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新知讲解
开源硬件 简介 图示
Arduino Arduino源自意大利的一个艺术学院,在创客空间中非常流行。经过多年的发展,开发出了很多个版本,分别适用于不同的开发需求
行空板 行空板是一款专为Python学习和使用设计的新一代国产开源硬件,采用单板计算机架构,集成LCD彩屏、Wi-Fi或蓝牙、多种常用传感器和丰富的拓展接口
掌控板 掌控板是国内教育团队为中小学创客教育开发的一款开源硬件。其尺寸较小,可以用于智能穿戴、电子饰品等各种DIY作品的制作
表1.2.1 常见的开源硬件
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新知讲解
你知道吗
在1997年，美国著名程序员布鲁斯·佩伦斯(BrucePerens)最早发起了“开源硬件认证计划”。开源硬件出现后，电子爱好者拥有了简单而便宜的工具，可以通过设计、开发去实现自己的创意。在全球各地，大大小小的开源社区不断涌现，推动了创客运动的发展。
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新知讲解
你知道吗
在我国，创客运动关注青少年的科技创新和动手实践，成为综合学习、跨学科学习的典型代表。开源硬件具有价格低廉、资源丰富等特征，在创客教育中独具优势。目前，许多开源硬件已经进入学校课堂，成为创客教育的必备工具。
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知识拓展
物联网终端设备有哪些特点？
具备感知能力：能够收集数据，像温湿度传感器可感知环境温湿度并转换为电信号或数字信号。
可通信：通过有线（如以太网）或无线（像Wi-Fi、蓝牙、Zigbee等）方式传输数据到其他设备或服务器。
高度自动化：可以自动采集和传输数据，按照设定程序和规则运行，基本无需人工持续干预。
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知识拓展
物联网终端设备有哪些特点？
小巧便携或易于安装部署：有的终端设备体积小，便于安装在各种环境，如智能手环便于携带，监控摄像头安装灵活。
具备一定的智能性：能进行简单数据处理，像智能电表可对电量数据初步处理后再传输。
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新知讲解
二、智能终端的编程
智能终端本质上是一台可编程的计算机，需要用特定的软件编写程序，使其能执行相应的工作。不同的智能终端，使用的编程语言和软件也不同。
1. 智能终端的编程软件
虽然支持智能终端编程的软件有很多，但从其编程形式上进行区分，一般分为“块语言”编程与纯文本代码编程两种。
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新知讲解
Mixly 和 ArduBlock 等编程软件属于“块语言”编程，Arduino IDE、Python IDLE 和 Thony 等编程软件属于纯文本代码编程。同时，越来越多的编程软件能兼顾两种编程方式，比如 mPython 和 Mind+。常用的几款智能终端编程软件如表 1.2.2所示。
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新知讲解
编程软件 “块语言”编程 纯文本代码编程 备 注
ArduBlock √ 为 Arduino 设计的图形化编程软件
Arduino IDE √ 建立在C/C++的基础上、保留了C/C++的语法规范
mPython √ √ 为MicroPython 和 Python 设计的编程软件
Mind+ √ √ 基于Blockly开发的编程软件
表1.2.2 常用的智能终端编程软件
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新知讲解
程序编写完后，编程软件一般还要执行“编译”的工作，再上传（或下载）到智能终端上执行。经过编译后，不管是“块语言”还是纯文本代码，最终都会变成智能终端能够执行的代码。如图1.2.3所示，分别使用“块语言”编程和纯文本代码编程，在某开源硬件的 OLED显示屏上输出“你好，中国！”。
图1.2.3 “块语言”编程和纯文本代码编程
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新知讲解
将编译好的程序上传到智能终端的方式有很多，如通过SD卡、网络、串口等，其中通过串口设备上传程序是最通用的方式。因此，给智能终端编写程序之前，需要先安装智能终端的串口设备驱动程序。不同的智能终端使用的转串口芯片可能并不一样，需要参考说明书来安装相应的驱动程序，如图1.2.4所示。
图1.2.4两种不同的转串口芯片驱动程序
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新知讲解
阅读
常见的单片机一般用C语言来编写程序，相对来说难度比较高。为此，计算机工程师达米安·乔治(Damien George)设计了MicroPython，用来给单片机编程。
MicroPython是Python的一个精简版本，基于Python 3.4 的语法。 目前，MicroPython支持32bit的ARM处理器(Pyboard)和ESP8266、ESP32 等处理器。
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新知讲解
阅读
为了适应嵌入式微控制器，MicroPython裁剪了大部分的Python 标准库。如json、re等常用库，在MicroPython 中则以u开头,命名为 ujson、ure，表示这些是针对 MicroPython 开发的标准库。
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新知讲解
2..用Python程序控制智能终端
虽然很多智能终端不能直接运行Python代码，但借助pinpong库，也能用 Python 代码控制常见的智能终端。
pinpong库是一个Python硬件控制库。其原理是给智能终端烧录一个特定程序，使智能终端可以通过串口与计算机通信，进而执行各种命令。目前 pinpong库支持多种常见的智能终端，如Arduino、掌控板等。
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新知讲解
按照 pinpong 的语法编写代码，即可控制相关的智能终端。下面Python程序的实现效果是在某开源硬件的 OLED 显示屏上输出 “你好，中国！"需要注意的是,“Board("handpy").begin()”中的“handpy”是智能終端的名称，如果接入的是 Arduino UNO 板，则将"handpy”改为“UNO” 即可。
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新知讲解
阅读
根据程序是否采用编译上传的形式，可以将智能终端的编程方式划分为主机模式和交互模式两大类。
主机模式是最经典的编程模式，编写程序文件后，一般要先编译为智能终端能够识别的语言(如机器语言)，再上传到智能终端。智能终端运行程序，执行相应的指令。交互模式则是给智能终端上传一个带通信功能的程序(也称固件)，然后通过串口发送指令，智能终端根据接收到的指令，执行并反馈信息。pinpong 采用的是典型的交互模式，其固件是基于 Firmata 通信协议开发的。
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新知讲解
探索
某款开源硬件自带OLED显示屏，我们可以使用“块语言Python、MicroPython等多种不同的编程方式，在 OLED 显示屏上输出相同的信息。
请选择一个mPython 软件，体验用“块语言”、Python、MicroPython在开源硬件屏幕上输出信息的过程，然后比较其区别。
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知识拓展
物联网的关键技术有哪些？
传感器技术：这是物联网感知物理世界的基础。例如，压力传感器能感知物体的压力变化。
云计算技术：提供强大的计算和存储能力。物联网设备产生海量数据，通过云计算平台进行存储和分析。
大数据技术：用于处理和分析物联网收集到的大量复杂数据。从众多用户的智能健康设备收集的健康数据。
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知识拓展
物联网的关键技术有哪些？
数据加密技术：确保物联网设备传输和存储的数据安全。在金融物联网应用中，对涉及资金交易等敏感数据进行加密，防止数据泄露和篡改。
身份认证技术：对物联网设备进行身份识别。只有通过认证的设备才能接入网络，就像用户登录网站需要账号密码一样，设备接入物联网也需要合法身份。
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新知讲解
三、智能终端的 I/O 引脚
给智能终端编程的核心工作，是控制引脚的输入/输出（input/output，I/O）状态。引脚（pin，常称为管脚、针脚）是指从集成电路（芯片）内部电路引出的与外围电路的接线，是智能终端与外接设备沟通的桥梁。通过引脚既可以读取外接设备的数据，也可以驱动外接设备，即实现数据信号的输入与输出。
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新知讲解
如果智能终端某个引脚连接的是传感器，那么要设置这个引脚为“输入”模式，通过读取引脚电信号来获取传感器的数据。如果引脚连接的是LED 灯或电机模块之类的执行器，则要将它设置力“输出”模式，通过对该引脚输出特定的信号来让执行器执行某些动作。不同的引脚具备不同的功能，具体功能需要参照智能终端的引脚说明。常见的两种开源硬件的部分引脚如图 1.2.5所示。
图1.2.5 常见的两种开源硬件的部分引脚示意
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新知讲解
1.引脚信号的输出
根据输出信号的不同，可以将引脚的信号输出分为数字输出和模拟输出。
（1） 数字输出
使用智能终端控制执行器时，以高电平和低电平的形式输出的控制信号叫作数字信号，一般而言，数字0表示低电平（OV），数字1表示高电平。开源硬件的工作电压不同，高电平对应的电压也不同，有的为5V，有的为3.3V，有的则是3V等。通过数字输出，可以控制物联网系统中设备状态的变化，如灯的亮与灭、继电器的吸合与释放、电机的启动与关闭等。
03
新知讲解
（2）模拟输出
很多时候，我们需要让智能终端输出介于高、低电平之间的电压，如1.5V、2.7V等，让 LED发生明暗之间的变化。这种连续变化的物理量叫作模拟量，其所表达的信息称为模拟信号。但智能终端的引脚并不能输出真正意义上的模拟信号，一般要通过特殊的方式“调制”出来，比如脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)就是一种常用的方法。很多智能终端会提供相应的PWM引脚，专门用于模拟输出。
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新知讲解
阅读
要让一段电路中有电流，它的两端就要有电压。电源的作用就是给用电器的两端提供电压。我们经常将抽象的电学概念用水的具体现象进行类比，比如用水流来类比电流，用水压类比电压。电压的单位是伏特，简称伏，符号是 V。
电平是电路方面的常用名词。同样以水来类比，电平可以理解为“水平面”。高电平就像水库“满”的状态，低电平就像水库“空”的状态。
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新知讲解
2.引脚信号的输入
输入信号也分为两种，即数字输入和模拟输入。
（1） 数字输入
智能终端通过读取引脚电平状态获取外接设备的高、低电平信号，如开关的接通与断开、按钮的按下和弹起等都是典型的数字输入信号。
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新知讲解
（2）模拟输入
模拟输入是指智能终端从模拟引脚读取模拟量形式的电压值。需要注意的是，不同智能终端对模拟电压的量化精度是不同的，这是由芯片的性能决定的。比如，有的开源硬件默认采用10位（范围是 0~1023），有的则是12位（范围是0~4095）。
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新知讲解
3.引脚的读/写控制
pinpong库提供了Pin类,用于实现对引脚的I/O控制。首先要设置引脚的模式,然后对引脚进行读/写控制。
pinpong库将引脚模式分为四种,分别为Pin.IN(数字输入模式)、Pin.OUT(数字输出模式)、Pin.ANALOG(模拟输入模式)和Pin.PWM（模拟输出模式),如表1.2.3所示。
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新知讲解
语法 参数说明 范例 说明
Pin(pin,mode) pin为引脚设置 Pin(Pin.P0,Pin.IN) Pin.PO设置0号引脚的输入/输出模式
mode为模式设置 Pin.IN是数字输入模式
Pin.OUT是数字输出模式
Pin.ANALOG是模拟输入模式
Pin.PWM是模拟输出模式
表1.2.3 引脚模式设置
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新知讲解
不同的引脚模式，对应不同的读/写方法，具体如表1.2.4所示
引脚模式 语法 说明
Pin.IN Pin.read_digital() 返回外接设备传回的引脚电平值
Pin.ANALOG Pin.read_analog() 返回外接设备传回的模拟值
Pin.OUT Pin.write_digital(value) 给控制设备设置电平值
Pin.PWM Pin.write_analog(value) 给控制设备设置模拟值
表1.2.4 I/O引脚的度/写方法
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新知讲解
以某开源硬件为例，其按钮 A、按钮 B 分别对应引脚 P5 和P11，在P6上接一个蜂鸣器（发声装置）。下面这段代码的功能是：当按钮 A 和按钮B 的状态不一致时，就发出警报声，同时屏幕上显示按钮的状态，按钮状态默认是1，按下则是0。
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知识拓展
物联网的应用场景有哪些？
智能交通：智能物流方面，在运输车辆和货物上安装传感器，实现对货物位置和状态的实时追踪，同时优化运输路线，提高物流效率。
智能农业：精准农业方面，利用传感器监测土壤湿度、肥力、酸碱度等，根据数据进行精准灌溉和施肥，提高农作物产量和质量。
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知识拓展
物联网的应用场景有哪些？
智慧医疗：远程医疗监测，患者佩戴可穿戴医疗设备，如智能手环、智能血压计等，医护人员可以远程监控患者的生命体征数据。
智能工业：设备状态监测和预测性维护。通过在生产设备上安装传感器，收集温度、振动等数据，分析设备健康状况，提前发现故障隐患，减少停机时间。
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课堂练习
传感器是最常见的输入设备，有按钮传感器、触摸传感器等。在很多物联网作品中，都需要根据传感器输入的数值来执行下一步动作。
但传感器输入的数值究竟是多少呢？请以按钮传感器为例，给某款开源硬件编写程序读取按钮传感器的数值，完成数字输入实验活动，并填写表 1.2.5。
实验内容：输入数字信号，观察输出结果。
实验准备：开源硬件、按钮传感器、USB 数据线、计算机。
挑战
04
课堂练习
挑战
按钮状态 数字输入数值
按下 1
弹起 0
表1.2.5 实验数据记录表
05
拓展延伸
物联网的发展面临哪些挑战？
1、设备漏洞风险
许多物联网设备在设计时过于注重功能和便利性，而忽视了安全措施。
2、网络运营成本
物联网设备需要通过网络进行连接和通信，这就需要运营商提供稳定、高效的网络服务。
05
拓展延伸
物联网的发展面临哪些挑战？
3、技术研发人才
物联网是一个融合了多种技术的领域，需要具备多学科知识的技术研发人才。
4、隐私保护法规
物联网设备收集的大量用户数据涉及到用户的隐私和个人信息安全。
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拓展延伸
如何应对物联网的安全问题？
操作系统安全：设备厂商选择物联网设备的操作系统时，要优先考虑有活跃团队或社区支持的系统，以便及时获得安全更新和漏洞修复。
使用安全通信协议：在物联网设备之间的通信中，采用安全的通信协议，如 HTTPS、TLS、DTLS 等。
数据备份与恢复：定期对物联网系统中的数据进行备份，以防止数据丢失。
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拓展延伸
物联网终端的主要特征有哪些？
多种通信方式：具备通过有线（如以太网）或无线（如 Wi-Fi、蓝牙、Zigbee、4G/5G 等）方式与其他设备、平台或网络进行数据传输的能力。
易于安装部署：另一些物联网终端则具有易于安装部署的特点，能够方便地安置在各种不同的环境中。
数据传输及时准确：确保采集到的数据能够按照要求及时、准确地传送到指定的目的地，以便进行后续的分析、处理和应用。
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课堂总结
1
引入新知内容
物联网原理和数据采集--物联网的终端设备
2
学习智能终端和开源硬件
3
了解智能终端的编程
4
智能终端I/O引脚
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进行相关知识拓展
1
2
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板书设计
物联网原理和数据采集--物联网的终端设备
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
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课后作业
01
学完本节课，说一说物联网的设备终端有哪些特点？
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课后作业
02
请同学们总结一下智能终端的 I/O 引脚模式。
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