资源简介

中小学教育资源及组卷应用平台
第1.2课《物联网原理和数据采集—物联网的终端设备》教学设计
课题 物联网原理和数据采集—物联网的终端设备 单元 第一单元 学科 信息科技 年级 八年级
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。
教学重点 物联网终端设备的概念和分类。
教学难点 物联网终端设备的工作原理。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 第1.2课 《物联网原理和数据采集—物联网的终端设备》板书课题。1.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2.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。3.播放视频 学习新知引入观看教学视频。 初步明确本课所有知识点。将学生的注意吸引到课堂。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
建立在C/C++的基础上、保留了C/C++的语法规范
为MicroPython 和 Python 设计的编程软件
Mind+ √ √ 基于Blockly开发的编程软件
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！”。
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。
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(DamienGeorge)设计了MicroPython，用来给单片机编程。
MicroPyi1on是Python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。
为了适应嵌入式微控制器，MicroPydon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 MicroPyton 开发的标准库。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
（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。
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。
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
（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）。
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。
Pin.PO设置0号引脚的输入/输出模式
Pin.IN是数字输入模式
mode为模式设置
Pin.OUTT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
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。
物联网的应用场景有哪些？
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。
按钮状态数字输入数值按下1弹起0五、拓展延伸1.物联网的发展面临哪些挑战？2.如何应对物联网的安全问题？3.物联网终端的主要特征有哪些？ 学习智能终端和开源硬件。学习知识拓展。学习智能终端的编程。学习知识拓展。学习知识拓展。学习知识拓展。学习智能终端的I/O引脚。学习知识拓展。完成课堂探究练习。学习课外知识拓展。 初步学习智能终端和开源硬件，明确原理内容，为本课研究打下基础，并锻炼学生的学习能力和观察能力。拓宽学生知识体系。完善教材所提及的知识点内容，引导学生进行知识体系的拓展和深化拓宽学生知识体系。通过阅读的模式加深对所学知识的全方位灌输，增强课堂互动性和趣味性。通过探究的模式加深对所学知识的全方位灌输，增强课堂互动性和趣味性。。引导学生学习智能终端的I/O引脚，加深对本课知识内容的理解和掌握。通过阅读的模式加深对所学知识的全方位灌输，增强课堂互动性和趣味性。考查学生的学以致用能力，知识转化和落地能力，在课堂练习考察中进行查漏补缺。拓宽学生知识面。
课堂小结 物联网原理和数据采集--物联网的终端设备1、引入新知内容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5、进行相关知识拓 总结回顾 对本节课内容进行总结概括。
请同学们总结一下智能终端的 I/O 引脚模式。
布置作业 拓展学生的学习能力
课堂板书 观看板书 强调教学重点内容。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
HYPERLINK "http://www.21cnjy.com/" 21世纪教育网(www.21cnjy.com)

展开更多......

收起↑