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(共42张PPT)
第四单元 第12课
联网LED灯控制系统方案设计与实施
（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
掌握家庭电路改造中的用电安全规范，了解设备网络连接的安全风险，不违规操作高压电路。
学会使用开发板、面包板搭建控制电路，尝试通过网页或 APP 实现远程控制，提升数字工具操作与技术创新能力。
拆解控制系统的设计流程，分析信息在系统各组件间的流动逻辑，培养用技术解决 “远程控灯” 实际问题的思路。
认识控制系统在智能家居中的应用价值，明确其与物联网三层架构的对应关系，提升对智能控制技术实际应用的敏感度。
02
新知导入
02
新知导入
智能灯光系统是智能家居重要部分，可设不同灯光模式，支持语音、传感器控制，还能与其他智能设备联动，核心是远程控制，能解决学生寝室 “谁最后关灯” 难题，需设计可网络控制的系统。
问题情境
图4-6灯具联网控制
03
新知讲解
控制灯具有很多种方法，各种方法实现的难易程度不同，实现的具体功能也有所不同。为了实现灯具的远程控制，应该如何设计方案并实施呢？
03
新知讲解
一、需求分析
智能灯光系统可以实现灯具开关控制、灯光亮度控制，甚至可以调节灯光的色彩。这需要根据具体需求来设计。
实践与探究
03
新知讲解
我们的智能灯光系统需要实现哪些功能？填写表4-5，完成智能灯光系统的功能需求分析。
试一试
03
新知讲解
试一试
表4-5智能灯光系统功能需求表
功能 具体说明
在用户终端显示灯的开关状态 用户能够实时了解灯的开关状态
远程开关灯 通过手机应用软件或者相应服务平台网页控制灯的开关
灯光亮度调节 在用户终端调节灯光的亮度，满足不同场景的光线需求
灯光颜色调节 支持切换灯光颜色，营造不同氛围
定时开关灯 可设置定时开关灯，比如早晨定时开灯，晚上定时关灯
03
新知讲解
二、系统设计
物联网系统由感知层、网络层和应用层三层结构组成，对智能灯光系统需要分层进行功能设计。
03
新知讲解
根据智能灯光系统的功能需求补全图4-7中的输入与输出模块信息。
试一试
图4-7 智能灯光系统的输入与输出
输入
输出
智能灯光系统
控制指令
灯光的开启 / 关闭
03
新知讲解
1.确定信息的输入输出方式
智能手机为输入端，用户通过在手机应用软件的操作界面上点击“开”或“关”按键输入控制信息。智能灯光系统对输入的信息进行处理、分析后生成控制指令，输出指令信息，实现灯的开关控制。
03
新知讲解
试一试
尝试分析，在智能灯光系统中，信息在感知层、网络层和应用层之间是如何流动的？
在智能灯光系统中，感知层收集灯光相关信息（如环境光线、用户操作等），通过网络层传输到应用层；应用层的控制指令（如开灯、调光等），经网络层传递到感知层，驱动灯光执行相应操作。
闭环信息流动
物联网的 “闭环信息流动” 是智能控制的关键，相比传统单向控制（如手动开关），闭环能让用户实时掌握设备状态，避免 “误操作”（如以为灯关了实际没关）。
小知识
03
新知讲解
03
新知讲解
2.明确系统的组成部分及信息流动方向
用户手机生成控制信息，经网络传至微控制器生成指令，指令驱动继电器 / 电子开关控制灯。
实现远程开关灯，系统需网络器件，感知层微控制器处理信息，应用层终端发指令和查状态。
图4-8智能灯光系统的组成及信息流动方向
继电器或电子开关
微控制器
网络连接器件
输入
输出
03
新知讲解
在智能灯光系统中，通过电路连接控制系统和灯具，通过无线局域网实现控制终端和控制系统之间的连接。生活中常用的无线局域网有Wi-Fi、蓝牙等多种数据传输协议，其中Wi-Fi局域网是普及程度较高、连接较简便的一种无线局域网。
03
新知讲解
3. 确定系统总体结构
智能灯光系统的总体结构设计如图4-9所示。
控制终端
灯具
系统开发板
Wi-Fi
电路链接
图4-9智能灯光系统的总体结构
03
新知讲解
控制终端和系统开发板可以通过网络连接，也可以都连接到物联网云平台上，所有信息通过云平台进行交互，如图4-10所示。这两种方案各自的优势是什么？在方案筛选和优化的过程中需要考虑哪些因素？
想一想
控制终端
云平台
系统开发板
灯具
图4-10云平台方案
03
新知讲解
第一种方案优势是可实现局域网内远程控制，适合初次尝试物联网系统设计的同学，开发难度较低。
第二种方案优势是能实现跨地域远程控制，适合对远程控制范围要求高的场景。筛选和优化时需考虑开发成本、技术掌握程度、控制范围、功耗等因素。
想一想
03
新知讲解
提示
方案一：用系统开发板让灯具直连网络，实现局域网内远程控制，适合物联网设计新手。
方案二：借助云平台实现跨地域远程控制，但开发成本高、技术要求多，多用于智能家居。
实际应用：部分设备因功耗等，通过蓝牙直连手机等控制终端，不连云平台。
03
新知讲解
三、开发验证
1.硬件方案设计
物联网开发可用的微控制器芯片多，性能与价格差异大；随着国产芯片技术进步，自主可控芯片逐渐成物联网开发主流。
以某国产集成 Wi - Fi 功能的微控制器为例，它功能强、成本低、安全易用。
图4-11示例开发板
03
新知讲解
为了快速验证设计方案，同学们准备制作一个灯具控制系统的模型，该模型的电路图如图4-12所示。
板图4-12 LED灯控制电路图
03
新知讲解
根据电路图连接电路，可以使用杜邦线和LED模块，也可以使用面包板结合相应的元器件进行电路搭接，如图4-13、图4-14所示。
图4-14使用面包板连接电路
图4-13使用杜邦线和LED模块连接电路
03
新知讲解
阅读材料
面包板是为进行电子电路实验而设计制造的集成电路实验板。面包板上有若干行/列的插孔，插孔底部通过导体按照行/列或分组连通。
图4-15面包板结构图
电源区
电源区
纵向5个插孔相连接
隔离上下两部分的凹槽
元器件区
03
新知讲解
2.软件方案设计
建立网络连接，开发板接入网络。
启动网页服务，为用户终端提供操控界面。
监听网络信息，保持系统正常工作，接收控制指令。
执行指令，根据 “开 / 关” 指令控制开发板引脚电平，点亮或熄灭 LED 灯。
图4-16LED灯智能控制实现流程
将示例开发板连接到网络
搭建网络服务器
监听用户端指令
根据指令实现LED灯的开关控制并反馈到用户端
03
新知讲解
提示
在使用 MicroPython 进行编程前，需要下载对应的固件到示例开发板中，以支持对MicroPython 语言的解释执行。
03
新知讲解
3.测试验证
程序编写完成后，是否能够实现预期的效果需要进行测试验证。在验证过程中，可以借助串口工具打印一些数据信息，从而了解程序的实际运行情况。若实际效果与预期效果不一致，则需要查找原因并修改程序。
03
新知讲解
案例涉及的程序已经在配套的资源包中提供，请将程序上传到示例开发板中，通过串口工具了解联网信息。联网成功后，在浏览器页面输入示例开发板的IP地址，即可通过网页控制LED灯的开关。控制界面参考图4-17。
此程序仅能实现灯的开关控制，如果想要实现灯的亮度控制，需要进行哪些修改呢？
试一试
图4-17LED灯控制界面
03
新知讲解
实现灯的亮度控制，需从软硬件两方面修改：
硬件：增加支持 PWM（脉冲宽度调制）的电路或模块，通过调节脉冲占空比控亮度。
软件：一是添加 PWM 控制代码，通过改变占空比调节灯的电压 / 电流；二是修改网页控制界面，增加滑块等调节元素，方便用户发送亮度指令。
试一试
04
课堂练习
围绕 “联网 LED 灯控制系统在使用过程中，可能存在哪些信息安全风险”，结合具体案例，写下自己的思考，提出 2-3 条保护自身信息安全的建议。
风险：
1. 网络权限泄露（如 Wi-Fi 弱密码被破解，他人非法控制）。
2. 设备固件漏洞（可能被植入恶意代码，侵入网络）。
建议：
1. 强化 Wi-Fi 安全（WPA3 加密、强密码、定期更换）。
2. 控制界面加账号密码认证。
3. 定期更新设备固件。
05
拓展延伸
大家已经通过制作模型验证了设计方案，那么如何将电路中的LED灯替换为家中的灯具呢？
电路中是5V直流电源为LED灯供电，而家中是220V交流电源为灯具供电，因此方案应用于家庭电路时需要对电路进行改造。可以使用继电器实现低压电路控制高压设备，电路图如图4-18所示。
拓展与深化
图4-18 灯具控制电路图
05
拓展延伸
请完成电路改造，通电调试后实现灯具的智能控制。
试一试
断电操作：确保家庭电路总开关断开，避免触电。
接线：继电器的 “低压端” 连接开发板 GPIO2 和 GND；继电器的 “高压端” 一端接 220V 火线另一端接灯具，灯具另一端接 220V 零线。
05
拓展延伸
检查：确认接线无误（火线、零线不接反，无裸露导线）。
通电测试：先接通家庭电路总开关，再通过开发板发送控制指令，观察灯具是否正常开关。
试一试
03
新知讲解
提示
同学们一定要在老师的指导下进行电路改造，注意用电安全。
05
拓展延伸
物联网设备的网络安全防护
联网 LED 灯控制系统虽简单，但仍需注意网络安全：
Wi-Fi 加密：使用 WPA2/WPA3 加密方式，设置强密码（含字母、数字、符号），避免开放 Wi-Fi 导致他人非法控制。
设备认证：在网页控制界面添加简单的账号密码验证，防止知道 IP 地址就能控制。
固件更新：定期更新开发板的 MicroPython 固件，修复已知的安全漏洞。
05
拓展延伸
继电器的其他应用
继电器除控制灯光外，还可用于控制其他高压设备：
智能插座：通过继电器控制插座通电 / 断电，实现远程控制家电（如电饭煲、热水器）。
电动窗帘：通过继电器控制窗帘电机的正反转，实现远程开关窗帘。
鱼缸供氧机：通过继电器定时控制供氧机开关，节省电能。
05
拓展延伸
智能系统的应用
06
课堂总结
1
需求分析
联网LED灯控制系统方案设计与实施
2
系统设计
3
开发验证
4
完成课堂练习
5
进行相关知识拓展
1
2
3
4
5
07
板书设计
联网LED灯控制系统方案设计与实施
1、需求分析
2、系统设计
3、开发验证
4、完成课堂练习
5、进行知识拓展
课后作业。
1、设计联网 LED 灯”人来灯亮、人走灯灭”功能。
08
课后作业
围绕 “如何将联网 LED 灯控制系统与人体红外传感器结合，实现‘人来灯亮、人走灯灭’的智能功能”，设计具体的实现方案，包括：
需添加的硬件（如传感器型号）。
硬件连接方式（绘制简单电路图）。
软件编程思路（如传感器数据读取、灯的控制逻辑），字数不少于 300 字。
https://www.21cnjy.com/recruitment/home/fine

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