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(共48张PPT)
第二单元 第4课 第二节
《认识物联网之“物”》
（河北大学版）八年级
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
确保设备应用、数据传输等环节的安全性与合法性，助力构建健康、可持续的物联网生态。
在物联网系统设计与实践中，尝试创新设备组合与协作方式，优化系统，提升物联网应用的创新性与实用性。
能分析不同设备的特性与需求的匹配关系，运用逻辑推理选择合适设备，优化物联网系统的信息流转与设备协同。
能感知物联网中各类设备在信息采集、处理、应用等环节的作用，主动关注物联网设备在生活、生产等场景的应用及信息传递逻辑。
02
新知导入
03
新知讲解
二、物联网系统中的设备与部件
物联网系统针对多样应用场景下信息 “采集 - 传输 - 处理 - 应用” 的多样需求，通过传感器采集信息、控制器处理信息、输出设备及执行器实现信息应用，并由网络通信设备连接各设备部件，形成相互协作的完整系统。
实践与探究
03
新知讲解
（一)传感器
在物联网系统中，传感器是能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息按照一定的规律转换成电信号或其他所需形式的信息输出的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
图2-10传感器信号转换过程
03
新知讲解
例如，在智能温湿度计这个产品中，传感器能够感知周围环境的变化(被测量)，采集数据信息并将其转换成电信号输出。传感器是物联网的“感觉器官”，是物联网系统中非常关键的设备。
在实际应用中，工程师需要根据应用需求选择最为合适的传感器。
图2-11常见的传感器
光电传感器(光敏电阻)
热释电红外传感器
气体传感器
03
新知讲解
（二)控制器
在物联网系统中，控制器是 “大脑”，负责接收、处理和分析传感器信息，输出控制信息给执行器，还处理网络通信信息。其核心是微控制器芯片，因应用需求不同类型差异大，且随物联网发展，微控制器芯片体积趋小、性能趋强。
03
新知讲解
常见的控制器开发板是将微控制器芯片(如图2-12所示)及其附属电路设计在同一块电路板上，引出电源、输入输出等端口，形成开发板。
控制器的结构和性能参数是在设计物联网系统时需要关注的重要因素。
图2-12常见开发板中的芯片
图2-13常见的控制器开发板
03
新知讲解
1.控制器开发板的结构
控制器开发板通常包括电源电路、微控制器芯片、复位电路、下载调试接口、输入输出端口等部分。
微控制器芯片
电源电路
输入输出端口
复位电路
下载调试接口
图2-14 某控制器开发板
03
新知讲解
电源电路：电源电路变压供电，多控制器借 USB 供电。
微控制器芯片：微控制器芯片处理信号，性能决定控制器水平。
复位电路：在程序出错时清空内存重启程序。
下载调试接口：下载调试接口读状态改程序，常为 USB 且供电。
输入输出端口：输入输出端口连外设，分两类且部分支持协议。
03
新知讲解
2. 控制器开发板的性能参数
在选择控制器开发板时，对于复杂应用需要选择高性能控制器开发板，对于一般应用则可以兼顾成本做选择。除此之外，选择控制器开发板还要关注哪些参数呢
03
新知讲解
（1）端口电压分 5V/3.3V，需统一，混用要加转换电路。
（2）端口数量决定连设数量，多接模拟设备需关注其数。
图2-15某控制器开发板端口示意图
03
新知讲解
查一查
查阅相关资料，填写表2-3，并对比几种常见控制器开发板的性能，分析它们适用的场景。如果要设计一个校园门禁系统或数字温湿度计，你会选择哪种控制器开发板？说说你的理由。
03
新知讲解
查一查
表2-3常见控制器开发板参数及性能水平
名称 端口电压 数字端口数 模拟输入端口数 性能水平
Arduino Uno 5V 14 6 入门级
ESP32 3.3V 34 18 中高级
Raspberry Pi Pico 3.3V 26 3 入门到中级
03
新知讲解
查一查
Arduino Uno：适合初学者进行简单的电子制作和小型嵌入式系统开发，像制作简单的自动浇水装置等场景。
ESP32：具备 Wi - Fi 和蓝牙功能，适用于需要网络连接、较为复杂的物联网项目，例如智能家庭环境监测系统等。
Raspberry Pi Pico：适合对性能有一定要求但不需要太多模拟输入的简单嵌入式项目，如简单的按键控制 LED 等。
03
新知讲解
查一查
校园门禁系统：
选择ESP32。理由是校园门禁系统通常需要进行身份识别，还可能需要与网络连接ESP32 丰富的端口资源以及内置的 Wi - Fi 和蓝牙功能，能够很好地满足这些需求，方便实现门禁数据的传输和复杂的控制逻辑。
03
新知讲解
查一查
数字温湿度计：
数字温湿度计主要是采集温湿度传感器的数据并显示，功能相对简单。Arduino Uno 操作简便，虽然性能不是最强，但足以满足温湿度数据采集、简单处理和显示的需求，且成本较低、学习门槛低，适合这类小型、简单的项目。
03
新知讲解
（三)输出设备与执行器
在物联网系统中，传感器提供信息，控制器做判断，执行器按控制器指令推动外界变化或发信息，输出设备反馈结果；执行器因应用场景不同在尺寸、功能等方面差异大。
例如智能插座中以继电器为核心的电子开关可控制电器电源通断。
图2-16智能插座中执行器的工作过程
现在为电器
接通电源
马上执行!为电
器通电
智能插座内部
电源
（继电器）执行器
控制器
电器
03
新知讲解
智能温湿度计能够通过屏幕显示采集的温湿度信息，还能将信息远程显示在用户的手机应用软件或相应服务平台的网页上。
图2-17智能温湿度计中输出设备的工作过程
温度26.8℃，湿度
37%，属于比较舒
适的状态
温湿度使用数字表
示，状态转换为表
情显示
网页、屏幕等
（输出设备)
控制器
智能温湿度计内部
03
新知讲解
在生活中，汽车倒车雷达系统中的声光报警器、智能门锁的锁芯驱动电机以及燃气泄漏安全保护装置中的电磁阀等都是执行器。
三者均以控制器为核心中枢，本质都是利用电子控制技术提升场景中的安全性与便利性。
图2-18执行器示例
燃气电磁阀
倒车雷达声光报警器
03
新知讲解
查一查
你身边的各种物联网系统中，执行器或输出设备分别是什么 分别起到什么作用？进行分析并填写表2-4。
03
新知讲解
查一查
表2-4常见物联网系统执行器或输出设备及其作用
物联网系统 执行器或输出设备 作用
智能窗帘 电动机 带动窗帘开闭
智能音箱 扬声器 播放音乐、语音等音频内容
可穿戴设备 显示屏 显示时间、健康数据、通知等信息
智能空调 压缩机、风扇等 调节室内温度、控制出风等，实现制冷或制热功能
03
新知讲解
总之，物联网之“物”指物联网系统中的物理对象。在物联网系统中，它们能够相互联系、相互通信，并能与周围的环境进行有意义的互动。
当输入(如传感器)和输出(如执行器)能以智能的方式协同工作来解决问题时，才是真正的“智慧物联”。
小知识
03
新知讲解
物联网系统的核心设备协作逻辑
在物联网系统里，传感器负责 “感知”，如同人的 “感觉器官”，采集各类信息；控制器承担 “思考” 任务，像人的 “大脑”，处理传感器传来的信息；输出设备及执行器则进行 “行动”，依据控制器的指令完成相应操作；而网络通信设备就像 “桥梁”，把这些设备连接起来，保障信息能顺畅传输，它们相互配合，构建出完整的物联网运作体系。
04
课堂练习
根据所学内容，完成下列表格。
设备类型 核心功能 类比人体器官
传感器
控制器
输出设备与执行器
网络通信设备
采集环境信息，转换为电信号
接收、处理信息，发送控制指令
执行指令，反馈结果或改变环境
连接各设备，传输信息
感觉器官(眼、耳、
皮肤)
大脑
行动器官(手、脚)
采集环境信息，转换为电信号
05
拓展延伸
拓展与深化
开源硬件属开源文化，依开源协议提供硬件设计详情。
开源硬件授权使用者自由使用、分享设计信息。
开源硬件有开放性，但高性能外产芯片成技术壁垒。
一、开源硬件产品中涉及的知识产权
05
拓展延伸
查一查
查阅资料并分析，常见的物联网开发板所采用的核心处理芯片各有哪些特性？包含了哪些专利技术？可能产生哪些知识产权壁垒？说一说，在物联网领域发展自主可控技术的意义。
瑞芯微 RK1808：采用 22nm FD-SOI 工艺，功耗低，双核 Cortex-A35 架构，NPU 算力最高 3TOPs，支持多种框架网络模型转换，外设接口丰富，支持 Linux 系统。
05
拓展延伸
查一查
重庆邮电大学渝芯系列：包括 CY2420、CY4520 等，支持三大工业无线国际标准，硬件时间同步精度达微秒级，休眠电流小，节约处理器资源和处理时间。
意义：在物联网领域发展自主可控技术，有利于保障国家安全，避免数据泄露和恶意攻击；可提升产业竞争力，降低依赖，打造自主品牌；能促进技术创新，培养人才。
05
拓展延伸
拓展与深化
二、传感器
1.传感器的分类和用途
传感器根据用途分为温度/湿度传感器、光学传感器、加速度传感器、测距传感器、图像传感器等。
一般情况下，一种传感器仅对一种环境变量敏感。随着传感器技术的发展，出现了很多集成化多功能传感器，如常见的智能温湿度计中使用的传感器，在单个传感器内部集成了温度测量和湿度测量两种功能。
05
拓展延伸
查一查
查阅资料了解几种传感器，说说它们可以感知哪些环境变量，并填写表2-5。
05
拓展延伸
查一查
表2-5几种传感器的功能
传感器 功能（感知的环境变量）
XX 型激光 PM2.5 传感器 测量细颗粒物浓度
温湿度传感器 测量环境温度和湿度
光照传感器 测量环境光照强度
红外传感器 感知物体的存在、运动以及温度（部分红外传感器可测温度）等
05
拓展延伸
拓展与深化
2.传感器的结构
多数传感器在外观上呈现为具有若干引脚的独立元件。
传感器通常由敏感元件和转换元件两部分组成。敏感元件直接用于感受被测量，它的某些特性(如电阻率)会随着被测量的变化而变化。
05
拓展延伸
查一查
表2-6中有三种温度传感器，它们的原理、结构不同。查阅资料，了解它们各自的工作原理和特性，并填写表2-6。
05
拓展延伸
拓展与深化
传感器 敏感量 敏感元件 工作原理
双金属片温度开关 温度 两种热膨胀系数不同的金属片 利用两种金属片热膨胀系数差异触发开关通断。
K 型热电偶 温度 镍铬 - 镍硅 基于热电效应，通过测量热电势来确定温度。
PT100 热电阻 温度 铂（Pt）丝 利用铂丝的电阻值随温度变化的特性，通过测量电阻值来反映温度。
表2-6 几种温度传感器
05
拓展延伸
提示
敏感元件的特性变化幅度通常很小，不易精确测量，或者变化规律信息不便于处理，因此有必要配合转换元件使用。最初，转换元件通常只起到信号放大或简单的信息变换功能。随着集成电路技术的发展，复杂的转换电路已经可以轻松地和敏感元件集成在一起，形成一体化传感器，其输出信号的类型更加多样化。为配合计算机系统采集数据，越来越多的传感器会集成模拟-数字转换器，直接输出数字信号供计算机使用。
05
拓展延伸
拓展与深化
3.传感器的量程和分度值
量程（传感器测量范围）和分度值（最小分辨刻度，反映精度）是选传感器的重要指标。物联网中，被测量变化范围需在量程内，分度值可结合实际需求与成本选择。（详细内容见教材p37页）
表2-7列出了两种传感器的量程和分度值。
传感器 量程/℃ 分度值/℃
某PT100热电阻 -50~420 0.2
某K型热电偶 0~1200 1
表2-7 两种传感器的参数
05
拓展延伸
试一试
根据表2-7给出的两种温度传感器的参数，为几个应用场景选择合适的温度传感器，请连线。
场景1:校园气象站
场景2:冶金高温炉
场景3:数控冷藏柜
场景4:精密微生物培养箱
PT100热电阻
K型热电偶
05
拓展延伸
一、控制器的核心性能指标
衡量一款控制器优劣的关键，在于其是否能满足具体应用场景的需求，核心性能指标包括：
响应速度：从检测偏差到被控对象产生变化的时间，越快越能应对动态场景。
控制精度：被控对象实际状态与预设目标的偏差，精度按需匹配（精密仪器 ±0.1℃，家用空调 ±1℃）。
05
拓展延伸
稳定性：长期运行或受外界干扰（高温、震动等）时，保持控制效果稳定的能力。
可靠性：用 “平均无故障时间（MTBF）” 衡量，MTBF 越长越可靠。
扩展性：支持新增功能、连接更多设备的能力（如 PLC 通过扩展模块增接口，智能家居控制器兼容多协议连家电）。
05
拓展延伸
二、生活中常见的输出设备
根据输出信息的形态，常见输出设备可分为以下几类：
视觉输出设备
显示器：将电信号转化为可见光图像，显示系统界面、文档、视频、数据图表等。
打印机：将数字文档（文字、图片）转化为纸质或其他载体上的物理图像。
05
拓展延伸
听觉输出设备
音箱：放大音频信号，输出音量较大的声音，支持立体声或环绕声。
耳机 / 耳塞：近距离将声音传递给个人，减少对周围环境的干扰（私密性强）。
物理动作输出设备
绘图仪：类似 “大型打印机”，通过笔或喷头的机械运动，在大幅面纸张 / 布料上绘制工程图纸、建筑设计图等。
05
拓展延伸
三、生活的的传感器
06
课堂总结
1
新知导入
认识物联网之“物”第二节
2
物联网系统中的设备与部件
4
完成课堂练习
5
进行相关知识拓展
1
2
3
4
07
板书设计
认识物联网之“物”第二节
1、新知导入
2、物联网系统中的设备与部件
3、完成课堂练习
4、进行知识拓展
课后作业。
1、智能家居灯光控制系统中各设备的作用分析。
08
课后作业
请结合所学内容，以 “智能家居中的灯光控制系统” 为例，分析其中传感器、控制器、执行器分别是什么，并说明它们在系统中的作用。
作业要求
明确指出该系统中传感器、控制器、执行器的具体设备。
详细阐述各设备在系统中的功能和工作过程。
字数不少于 200 字。
https://www.21cnjy.com/recruitment/home/fine

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