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第2.1课《物联网系统和反馈控制—物联网的互联通信》教学设计
课题 物联网系统和反馈控制—物联网的互联通信 单元 第二单元 学科 信息科技 年级 八年级
核心素养目标 信息意识：能够认识到物联网互联通信在日常生活、工业生产、社会服务等多个领域的广泛应用。计算思维：能够将复杂的物联网互联通信系统抽象为信息发送端、传输通道、接收端等基本组成部分。数字化学习与创新：能够熟练运用互联网资源，搜索、收集有关物联网互联通信的相关知识、案例、技术文档等资料，用于自主学习和深入探究。信息社会责任：遵守物联网设备使用和互联通信的相关道德规范，如在设置智能摄像头等设备时确保其拍摄范围不涉及他人隐私区域。
教学重点 物联网的互联通信方式。
教学难点 理解反馈控制的原理和作用。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
物联网的控制技术可以操作哪些模块
如何用开源硬件、物联网平台实现一个物联网项目
2.物联网技术作为当今社会信息化发展的重要组成部分，已经深入我们生活的方方面面：手机扫码打开共享单车的车锁，远程遥控实现对家居灯光的控制，实时查看家居植物的生长状况....而物联网系统和反馈控制是这些物联网应用场景得以实现的关键，通过实时监测、数据传输和反馈控制，实现了物品之间的互联互通和远程控制。
通过连接家中的 Wi-Fi 网络实现与手机 APP 或其他设备的交互通信。
蓝牙耳机与手机的连接，方便用户接听电话、听音乐等。
部分手机支持 NFC 功能，可用于乘坐公交地铁时与公交卡读卡器进行近距离通信完成支付。
智能车载终端通过 4G/5G 网络与云端服务器连接，实现实时导航、车辆远程监控。
你知道吗？HTTP 协议是互联网上使用最广泛的网络通信协议，但在物联网方面，更多的人选择了MQTT协议。MQTT协议的设计非常简单，使物与物的连接变得十分灵活和便捷。因为不同的客户端之间并没有建立直接的网络连接，而是通过服务器进行中转沟通。只要它们发送和订阅的是同一个主题（TopicID），即可相互沟通。不仅如此，MQTT 协议的传输速度也更快。根据 3G 网络的测试结果，MQTT 协议的吞吐量比 HTTP 协议大93倍。3.本课中你将学习：开源硬件如何进行串口通信测试如何设置 MOTT服务器开源硬件怎样联网如何使用 HTTP 协议和开源硬件通信如何使用 MQTT 协议和开源硬件通信4.物联网开启了万物互联的时代，但要真正实现万物互联，首先要解决的就是万物之间的通信问题。虽然说物联网是互联网的延伸，但物联网的设备往往是泛在的（指无所不在）、移动的，比如成千上万的共享单车。针对这些散落在世界各个角落的物联网设备连接网络的需求，计算机科学家们又做了怎样的设计？发明了怎样的技术呢？3.播放视频 本单元新知识导入。学习新知引入观看教学视频。 初步明确本课所有知识点。初步明确本课所有知识点。将学生的注意吸引到课堂。
因技术的制约，早期的物联网往往采用有线方式，而后期则更多地使用无线方式。虽然说物联网通信是在计算机网络的基础上发展起来的，但是物联网的终端类型实在太多了。由于功耗和成本等因素的限制，有些设备还不能直接联网，需要借助物联网网关设备或者手机之类的终端进行“中转”。可见，相对于互联网来说，物联网的通信技术会更加复杂。
物联网的目标是实现万物互联，但是一些设备因为技术限制或者其他原因，不能直接连接互联网。那么，物联网网关就成为连接这些设备的重要纽带。
如图2.1.1 所示，物联网终端先通过蓝牙技术连接到网关，再经过网关的协议转换与云服务器通信。
串口是串行接口的简称，也称串行通信接口，是采用串行通信方式的扩展接口，如图2.1.2所示即为计算机串口。其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信。开源硬件一般利用USB 虚拟串口的方式与计算机进行通信。串口通信最大的优点是通用性好，大部分设备都能支持这种通信方式，但其通信速度比以太网慢得多，只适合低速率和小数据量的通信。
2.短距离无线传输
短距离无线传输主要指物联网终端之间及终端和物联网网关之间的通信，涉及蓝牙、紫蜂（ZigBee）、无线射频等技术。下面简要介绍蓝牙及ZigBee 技术。
（1） 蓝牙
蓝牙常用于固定设备和移动设备、移动设备和移动设备之间的短距离数据传输。比如共享单车服务中对自行车车锁的开启，很多系统选择的方案就是利用手机蓝牙功能发送“开锁”指令实现干预。蓝牙网络的特点是速率快、功耗低、安全性高。如图2.1.4所示的是自带板载天线的蓝牙模块，它可与各种蓝牙适配器、蓝牙手机配对使用
（2） ZigBee
ZigBee 是一种短距离、低功耗的无线通信技术。每个 ZigBee 网络节点既可以作数据采集和信号输出的终端，也可以中转别的网络节点传输过来的数据，类似于网络中继器。ZigBee 的最大优点是组网非常方便。如图 2.1.5所示的 XBee模块，就是采用了 ZigBee 技术的无线模块。
物联网的应用场景非常复杂，即使Wi-Fi 设备再普及，覆盖面再广，城市中也依旧存在一些无信号区域。如共享单车之类的服务，可能分散在城市各个角落，甚至可能骑行到郊区。长距离无线传输方案的首选肯定是移动无线通信技术。
随着移动无线通信技术的发展，移动无线通信终端模块的价格和通信资费都在不断下降。4G、5G设备能够快速、高质量地传输图像、音频、视频等数据。但其设备的功耗较大，对电源的要求较高。近几年，NB-IoT和 LoRa技术正在兴起，成为物联网通信技术中新的选择。
4.传统网络传输
有线传输和近距离无线传输仅仅完成了物联网设备之间，或者物联网设备和网关之间的连接。“万物互联”最终需要经过浩瀚无垠的互联网，才能让处于世界不同角落的设备或者终端建立联系。
早期的物联网设备一般都采用有线网络的形式连接到互联网。随着Wi-Fi技术的普及，后期物联网设备的联网逐步更换为Wi-Fi 方式。相对Wi-Fi来说，有线网络具有速度更快、连接更稳定的优势。如果对网络传输速率要求很高，并且位置固定不变的物联网设备，一般还会保留有线网络接口，如一些监控设备和物联网网关等。
1、列举一些物联网通信的安全风险
TinyWebIO 是一个开源的 MicroPython 库，可以在绝大多数的开源硬件上运行。如图 2.1.6所示，某开源硬件运行相关的代码后，就会变身为一个微型的Web 服务器。
在浏览器上输入 http://ip:8888，即可看到如图 2.1.7所示的web 页面。根据 Tiny WebIO 服务器的说明，我们输入正确的标签名称后，即可读取相关的传感器信息。同样，如果输入正确的标签名称和数值，即可让开源硬件执行相应的动作，如点亮 LED 灯、显示文字、发出声音等。
HTTP 协议是物联网使用的通信协议之一。某款开源硬件支持Wi-Fi通信，可以运行 TinyWebIO 服务。
请以小组为单位，开展“使用 HHITTP 协议和开源硬件通信”活动，理解其具体的通信过程，并进行交流分享。实现了使用 HTTP 协议在客户端与支持 Wi-Fi 通信且能运行 TinyWebIO 服务的开源硬件之间的通信过程，从而完成数据获取、指令发送等操作。2. MQTT 协议HTTP 协议作为一个通用的超文本传输协议，并没有对物联网的通信进行优化，存在很多弊端。于是计算机科学家们设计出了专用的物联网通信协议，如MQTT、CoAP、XMPP 等，目前应用最为广泛的是MQTT协议。MQTT（message queuing telemetry transport，消息队列遥测传输）是一种基于发布/订阅模式的“轻量级”通信协议。MQTT 系统由服务器和客户端组成，服务器通常被称为“代理（broker）”，客户端可以发布或订阅信息。在发布信息时，客户端会将包含数据的控制信息发送到服务器，然后服务器再将信息分发给已订阅该主题的任何客户端，如图2.1.8所示。采用MQTT 协议使物与物的连接变得十分灵活。因为控制端（发布信息）和被控制端（订阅信息）之间并没有建立直接的联系，而是通过服务器进行中转沟通。只要它们发布和订阅的是同一个主题（TopicID），即可相互沟通。目前 MQTT 协议应用非常广泛，国内外主要的云计算服务商都支持MQTT 协议，如阿里云、AWS、百度云、Azure 及腾讯云等。阅读HTTP协议和MQTT协议的比较如下：第一，通信模式的比较。MQTT 协议为数据传递而设计，而HITTP 协议是为文档传输而设计。物联网的通信往往需要长时间的连接来进行实时信息传递，HTTP 协议如果要实现“实时”效果，则需要不断发起连接，将消耗大量的网络带宽和系统资源。MQTT 协议则不同，本来就为移动网络的优化而设计，只需要发送简短的报文，即可维持客户端跟服务器之间的长时间连接。第二，传输速度的比较。根据3G 网络的测试结果，MQTT协议的吞吐量比HTTP协议大93倍。MQTT 协议具有非常短的消息头，最小的报文大小为2字节，而HTTP协议的报文则要大很多倍。知识拓展1、物联网通信协议的发展趋势是什么？四、课堂练习某款开源硬件支持 Wi-Fi通信，既可向服务器发送消息，又可接收服务器的消息。比如，按下开源硬件的按键A 和按键B，MQTT服务器就会接收到消息，通过 MQTT服务器发送消息“你好，中国！”到开源硬件，开源硬件的 OLED 显示屏也会接收到消息，如图2.1.9（a）所示。如图2.1.9（b）所示为应用MQTT 协议开发的SIoT 平台的消息界面。 请利用老师事先搭建好的 MQTT服务器，体验“使用 MQTT 协议和开源硬件通信”的活动过程。五、拓展延伸1.如何评估物联网通信协议的安全性？2. Wi-Fi 技术在物联网中的应用有哪些？3.如何保障 Wi-Fi 技术在物联网中的通信安全？ 学习常见的物联网通信技术。学习知识拓展。学习知识拓展。学习常见的物联网通信协议学习知识拓展。学习知识拓展。完成课堂练习。学习课外知识拓展。 初步学习常见的物联网通信技术，明确几大步骤，为本课研究打下基础，并锻炼学生的学习能力和观察能力。在阅读中拓宽学生知识体系。在探索中拓宽学生知识体系。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。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。在阅读中拓展知识体系。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 物联网系统和反馈控制--物联网的互联通信1、引入新知内容2、常见的物联网通信技术3、常见的物联网通信协议4、课堂练习5、进行相关知识拓展 总结回顾 对本节课内容进行总结概括。
课后作业 学完本节课，请用自己的语言简述一下物联网通信技术有哪些？请同学们说一下开源硬件怎样联网？ 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）
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