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第2.3课《物联网中的协议》教学设计
课题 物联网中的协议 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：能认识到物联网协议是设备间通信的“语言”，理解不同协议的应用场景差异，并能根据实际需求选择合适的通信方式。计算思维：通过分析物联网MQTT协议，能将复杂通信问题拆解为可解决的步骤，初步形成用协议思维解决实际问题的能力。数字化学习与创新：能利用开源物联网平台采集数据，设计简单的智能场景，体验从概念到原型的创新实践。信息社会责任：能意识到物联网协议安全的重要性，讨论技术滥用风险，树立“技术应为社会造福”的伦理观。
教学重点 通过分析物联网MQTT协议，能将复杂通信问题拆解为可解决的步骤，初步形成用协议思维解决实际问题的能力。
教学难点 能意识到物联网协议安全的重要性，讨论技术滥用风险，树立“技术应为社会造福”的伦理观。
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2.1课 物联网中的协议学习目标：知道物联网的数据通过协议进行传输。了解物联网中的协议——MQTT 。能够采集数据，并通过 MQTT 传输。 观看视频。 课程新知导入。 帮助学生初步理解本课研究内容。
讲授新课 新知讲解：一、物联网特征及架构在日常生活中，我们会邮寄物品给远方的亲朋好友。作为物品发送方，我们只需要提供物品的邮寄地址给邮局，邮局自会按照提供的邮寄地址发送物品给接收方。在这一过程中，发送方、邮局、接收方都遵守相关规则和约定，从而保证邮寄的物品能够安全准确到达。相似地，物联网数据的发送和接收过程也需要一个类似“邮局”的角色提供支持，即通信协议。思考：物联网中感知的数据能够安全准确地到达服务器端，提供给用户使用，这中间需要做哪些工作呢？在物联网中，确保感知数据安全、准确地传输到服务器并最终提供给用户，需要多个环节协同工作：首先，终端设备采集数据并加密封装；其次，通过合适的通信协议（如MQTT、CoAP）和网络（如Wi-Fi、5G）传输，并借助加密（TLS）和身份认证保障安全；随后，服务器接收、解析并存储数据，进行清洗和分析；最后，通过权限控制和可视化工具将数据安全地交付给用户。通信协议是指双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定，而物联网通信协议主要负责物联网设备之间以及物联网设备和服务器之间的数据交换。目前物联网应用最为广泛的协议是MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议)。物联网使用MQTT可以实现物与物的连接，只要控制端(信息发布者)和被控制端(信息订阅者)发送和订阅的是同一个主题，就可以互相沟通。阅读MQTT是一种基于发布/订阅(Publish/Subscribe)模式的“轻量级”通信协议，也是基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。服务器为“代理Broker”，客户可以是信息发布者Publish或订阅者 Subscribe。每个客户端都可以连接到代理，当发布者需要发布新数据时，通常会将包含数据的控制消息发送到连接的代理(服务器)，再由代理将信息分发给已订阅该主题的任何客户端(图2-3-1)。依靠温度传感器制作的采集装置虽然可以实时采集水泥地和草地的环境温度数据，但是必须人工手动记录，且无法做到实时对比。如果我们将这些数据发送到物联网应用平台上，就可以在应用终端实时观测两者的环境温度情况。二、做中学实验目的：采集环境温度数据，并上传物联网平台，随时查看。实验要求：实时采集环境温度数据；本地显示，物联网平台读取数据。实验器材：如表 2-3-1所示。表2-3-1序号设备数量1行空板实验平台12数字温湿度传感器2实验步骤： 步骤一：设备及电路连接。将设备安装好，并连接电路。 步骤二：平台设置。 (1)登录界面。 使用数据线连接电脑USB 接口，等待行空板开机完成后打开浏览器，在地址栏输入10.1.2.3。登录成功后，进入如图2-3-2所示的界面。(2)开启服务。 鼠标点击“应用开关”，进入 SIoT，检查服务是否开启。 (3)创建主题。 鼠标点击“打开页面”按钮，进入 SIoT服务器平台，首次登录时需要账户和密码(图2-3-3)。(4)查看数据。 在“主题(topic):siot/ 温度采集”的页面下方，鼠标点击“查看详情”按钮，可进入SIoT物联网数据平台，查看该主题下当前的数据情况(图2-3-4)。技术提示：要向 SIoT平台发送数据，需要先订阅要发送到SIoT平台的主题。可使用指令MQTT 订阅，其固定格式为“项目ID/设备号”。步骤三：编写程序实现数据采集，使数据在行空板上显示并同步发送到SIoT物联网平台。 (1)环境部署。 打开编程软件后，将其切换至“Python 模式”。鼠标点击左下角“扩展”按钮，在官方库页面中添加“行空板”和“MQTT-py”库，如图 2-3-5 所示。(2)程序初始化。①在本书主题二任务二程序的基础上，从MQTT-py指令集中拖出指令初始化MQTT。鼠标点击上述指令齿轮处进行参数设置，修改SIoT服务器地址为10.1.2.3(图2-3-6)。②从 MQTT-py指令集中依次拖出指令MQTT发起连接和MQTT保持连接，永久，拼接在上步指令之后。③从 MQTT-Py 指令集中拖出指令MQTT订阅“topic/a”，修改其参数为“siot/ 温度采集”，与步骤二平台设置中的主题名称保持一致。④从 MQTT-Py 指令集中拖出指令MQTT发布“hello”到“topic/a”并保存数据，将其放入循环执行指令中，修改“hello”为dht1 读取温度(℃)，修改“topic/a”为“siot/ 温度采集”得到的指令集合为MQTT发布 dht1 读取温度(℃)到“siot/温度采集”并存数据库。⑤完整程序如图 2-3-7 所示。(3)烧录运行。 烧录程序成功后，查看行空板屏幕实时显示采集的温度数据，同时登录SIoT物联网平台查看对应主题下的温度数据，观察两者是否一致(图2-3-8)。上述操作实现了实时采集温度数据并上传物联网平台。同理，其他传感器采集的数据也能上传平台，其基本流程为订阅主题、修改设置、编写程序、上传数据。马上行动1.请参考上述做法，设计一个可以测量土壤湿度的物联网模型，将选用的设备、运用的关键程序做好记录，填入表2-3-2。设备关键程序土壤湿度传感器采集土壤湿度数据（模拟信号或数字信号，如电容式或电阻式传感器）。云服务器/边缘网关接收、存储数据，并进行分析处理（如阈值告警、数据可视化）。2.物联网模型中，可以从采集端发送信息到物联网端。请你分析，是否可以反过来从物联网端发送指令到采集端控制相应执行器呢？物联网系统支持双向通信，云端可通过MQTT/CoAP等协议向设备端发送指令（如控制水泵、灯光），设备接收后驱动执行器响应，并反馈状态。实现远程控制需确保协议兼容性、通信安全（加密/认证）和低延迟，典型应用包括智能灌溉、工业自动化等，形成“监测-控制-反馈”闭环。三、单元巩固【想一想】通过本单元的学习，你对物联网传输协议有多少了解？你觉得MQTT最大的优点是什么？谈谈你的看法，并与同学们分享。通过学习，我了解到物联网传输协议MQTT是设备与云端通信的"桥梁"。MQTT最大的优点是轻量高效，特别适合传感器等资源受限设备。同时，MQTT支持多级QoS和离线消息队列，在弱网环境下依然稳定可靠，是物联网大规模部署的理想选择。【试一试】请设计一个物联网应用模型，并为自己的物联网应用模型选择合适的传感器，试着使用该模型采集相关数据，将相关数据上传至物联网平台。我设计了一个智能温室监控系统的物联网模型，选用温湿度、光照和土壤湿度传感器搭配ESP32控制器，通过MQTT协议将环境数据实时上传至云平台（如阿里云IoT）。系统能自动分析数据并反向控制通风/灌溉设备，同时提供可视化看板和阈值告警功能，实现温室环境的全自动化管理。四、学习评价内容要求得分(0~10分)物联网特征及架构知道日常生活中的物联网应用及其特征;清楚物联网数据的流向，理解物联网划分三层结构的意义;了解物联网三层结构的硬件基础、技术手段和实现效果8分感知物联网中的数据清楚传感器的作用与意义;能够在具体情境中合理使用传感器;按要求完成实验操作，体验数据的采集9分物联网中的协议知道物联网的数据通过协议进行传输;了解物联网中的M0TT协议;懂得通过MQTT传输数据9分五、课堂练习完成课件26—27页的课堂练习题。六、拓展延伸1、为什么物联网需要不同的通信协议？物联网需要不同的通信协议是因为各种设备和应用场景的需求各不相同，比如有的设备需要低功耗长距离通信（如农业传感器用LoRa），有的需要高速传输（如智能摄像头用Wi-Fi），还有的要保证实时性（如自动驾驶用5G），就像生活中送快递要根据包裹大小和距离选择自行车、汽车或飞机一样，物联网协议也要"量体裁衣"才能让各类设备高效协作。2、物联网协议如何保证安全？物联网协议通过加密传输（如TLS）、设备身份认证（如数字证书）和权限控制三重保护来确保安全，就像给数据装上"密码锁"、设置"门禁卡"并分配"不同权限的门钥匙"，防止黑客窃听、伪造设备或越权操作，比如智能家居协议会加密开锁指令，避免陌生人远程打开你家大门。 3、未来物联网协议的发展趋势未来物联网协议将朝着更低功耗、更高智能和更广覆盖的方向发展，比如通过新型LPWAN技术让传感器电池续航长达十年，利用5G和边缘计算实现毫秒级响应，并融合AI算法让协议能自主选择最优通信方式，就像给物联网装上"超级大脑"，使其在复杂环境中也能像人类神经系统一样快速、精准地传递和处理海量数据。 了解物联网的特征及架构，初步学习课堂内容。完成阅读。完成做中学。马上行动起来。完成单元巩固。完成学习评价。完成课堂练习。进行知识拓展。 结合日常生活经验，帮助学生初步了解物联网的具体特征以及架构。了解物联网协议MQTT，拓展对本次课程的认识。进行物联网相关实验，记忆并加深学习效果，拓展对物联网协议的认知。引导学生完成表格，认识物联网模型，加深对知识的掌握。引导学生加深对本单元内容的印象，思考学到的知识，加深对知识的掌握。对本单元的学习效果进行评价，并加以完善。考察学生对本课知识内容的理解和掌握。拓宽学生所学知识。
课堂小结 物联网中的协议1.引入新知内容2.了解物联网特征及架构3.完成单元巩固与学习评价4.完成课堂练习5.进行知识拓展 总结回顾 对本节课内容进行总结概括。
课后作业 如何防止别人乱改你的设备设置？（想1个简单方法） 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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