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第5.15课《自动通风系统的开发与实现》教学设计
课题 自动通风系统的开发与实现 单元 第五单元 学科 信息科技 年级 八年级
核心素养目标 信息意识：认识自动通风系统的物联网架构，明确传感器、微控制器的核心作用，增强对物理环境数据的敏感度。计算思维：拆解系统开发流程，能够分析自动通风系统的工作流程，设计数据采集、传输与控制的逻辑结构。数字化学习与创新：尝试使用微控制器和物联网平台搭建简易的自动通风系统，提升硬件编程与系统集成能力。信息社会责任：关注物联网设备的数据安全与隐私保护，避免系统被恶意操控或数据泄露。
教学重点 自动通风系统的软硬件协同设计，系统测试验证的完整流程。
教学难点 跨模块的技术整合，实际场景的问题解决，复杂程序的整合与优化。
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5.15课 自动通风系统的开发与实现问题情境如何实现设计方案？如何在众多传感器产品中挑选合适的一款？哪些型号的微控制器既可以采集传感器数据，又可以通过Wi-Fi传输数据？系统各个部分涉及的软件代码将按照何种流程运行？在这一课，我们一起体验实现设计方案的过程。观看视频 思考自动通风系统设计、硬件选型、软件流程等问题。 帮助学生激发探究兴趣，明确学习方向。
讲授新课 新知讲解：实践探究一、硬件设计1.硬件选型需匹配接口类型（含外观与协议），按功能需求选择模块。（详细内容见教材p114页）表5-3 二氧化碳浓度监测装置硬件选型表示例传感器的特性参数，如图5-6。示例传感器输出电压低，直接采样微控制器会损失精度，所以成品模块会加电压放大电路方便采样。（详细内容见教材p115页）图5-6 示例传感器输出电压-二氧化碳浓度特性曲线试一试尝试为新风机遥控装置进行硬件选型，完成表5-4。名称要求选型备注红外模块可学习新风机红外遥控脉冲信号，无需编写复杂脉冲代码可学习型红外模块能快速匹配新风机遥控指令微控制器支持网络（如 Wi-Fi）、引脚充足适配红外模块、低功耗。ESP32集成 Wi-Fi，性能稳定常见红外模块分两种：输入脉冲信号来发射红外光。可学习脉冲信号串并存储，通过简单选择信号就能调出并发射对应脉冲。（详细内容见教材p116页）图5-7 两种红外模块工作方式第一种红外模块需在微控制器写入新风机启停脉冲信号串。第二种可通过红外遥控器让模块自动学习记录。选能自动学习记录的模块，能省记录、编写工作，降低系统实现难度。（详细内容见教材p116页）提示多数传感器模块电路接口至少有 3 根接线，用多个不同模块易接线错误且故障难排查。可选择集成化接口模块，既方便插线、降低故障率，还能提升外观整洁度。（详细内容见教材p117页）图5-8 传感器模块的接口小知识不同接口协议的适用场景 UART 适合短距离稳定传输（如传感器 - 微控制器）。I2C 适合多模块共用引脚（如多个传感器）。SPI 适合高速传输（如存储模块）。2.硬件系统搭建硬件系统搭建是按方案连接各模块以实现功能，集成化接口模块可用一条线缆直连，常规通用模块需对应好每根接线。 （详细内容见教材p117页）图5-9 硬件系统搭建试一试无论采用哪种接线方式，都需要记录每个模块所使用的端口名称或序号即记录端口对应规则，便于后期软件设计时正确对应。将硬件端口对应规则记录在表5-5中。表 5-5 硬件端口对应规则表模块模块上端口开发板上端口二氧化碳浓度传感器集成接口IO9红外模块VCC、GND、TX、RX3.3V、GND、RX2、TX2二、软件设计1.二氧化碳浓度监测装置软件设计编写程序前要绘流程图规划软件功能与控制流程，这很重要，能帮我们清晰理解和设计软件工作内容、环节逻辑及整体架构，还便于团队交流合作与后续维护升级。 （详细内容见教材p118页）二氧化碳浓度监测装置软件主要功能是定期检测浓度并通过网络发数据，程序初期完成网络连接，之后进入浓度检测和数据发送的循环，实现实时读取发送数据。图5-10 二氧化碳浓度监测装置程序流程图我们编写 MicroPython代码控制整个流程：进行网络连接时，微控制器模块需要连接至Wi-Fi网络。采集二氧化碳浓度数据是读传感器引脚输出电压，示例传感器放大电路把电压放大到 2V 方便微控制器采样，程序可写采样转换指令，微控制器用 ADC 采集转换模拟信号，程序要设计相关功能，还有监测浓度的参考程序。采用MQTT协议，微控制器向服务器发送二氧化碳浓度传感器的监测数据。（详细内容和代码见教材p119，120页）试一试将各个功能的程序进行整合，形成可运行的完整程序。提示：需将代码中 SSID、PASSWORD、USERNAME、PROJECT_NAME、CLIENT_ID、mqtt服务器地址 等替换为实际环境的配置信息。程序运行流程：先连接 WiFi 网络，再初始化 CO 传感器并配置 MQTT 客户端，最后进入循环 —— 周期性读取传感器电压数据并通过 MQTT 发送至指定主题。2.云平台服务程序设计云平台服务程序用于处理二氧化碳浓度数据、判断是否超阈值并发送新风机控制指令，流程图含循环和分支结构。 （详细内容见教材p121页）图5-11云平台服务程序流程图图5-12图表组件图5-13云平台服务参考程序“CO2_Level” 主题传输的是传感器输出电压字符串，程序将其转为浮点型后与阈值（如 1.2）比较。若浓度超阈值，向 “Fresh_air” 主题发布 “ON” 指令；否则发布 “OFF” 指令。云平台服务程序是软件体系核心，其设计思路和算法效率直接影响项目实现效果与人性化设计，且有较大优化空间。 （详细内容见教材p122页）试一试从程序流程图来看，你认为云平台服务参考程序还有哪些可以优化的地方 请结合测试中出现的现象进一步提出改进方案，并进行测试。阈值滞后：设启动（1.2）和关闭（1.0）两阈值，避免新风机频繁启停；测试 1.0~1.2 波动稳定性。数据滤波：取连续 5 次 “CO2_Level” 数据平均值再比对，减少噪声误差；测试数据波动下判断稳定性。异常处理：加 MQTT 自动重连和数据校验，异常时跳过；测试断网恢复及非数字数据容错性。指令优化：增状态标记，仅状态变化时发新指令；测试连续触发同一指令时发送量是否减少。3.新风机遥控装置软件设计新风机遥控装置的核心工作是监听服务器控制指令，识别后生成红外信号启停新风机。程序以分支结构解析指令，指令错误则不操作，无指令时持续监听（流程见图 5-14）。（详细内容见教材p122，123页）图5-14新风机遥控装置程序流程图红外模块与微控制器通过 UART 串口传输数据，程序需引入 UART 串口配置和调用语句。新风机遥控装置通过 MQTT 协议订阅、监听主题获取指令，程序中配置客户端、设定主题等操作与之前类似，但订阅主题和接收消息需用新语句。（详细内容和代码见教材p123页）试一试根据程序代码片段，结合流程图，尝试完成新风机遥控装置的软件设计。要完成新风机遥控装置的软件设计，可按照以下步骤整合程序逻辑：导入依赖库并配置硬件接口编写指令解析与红外控制函数实现网络连接与 MQTT 监听逻辑三、测试验证测试验证是产品投入使用前的最后一个环节，该环节要对整个软硬件系统进行运行测试，评估其是否能够完整实现预期功能，达到预期效果。测试验证分为测试准备、实验室测试和现场安装调试三个阶段。1.测试准备测试准备阶段需完成电源连通、网络搭建、云服务启动等工作，为系统测试和安装提供条件，且需记录相关工作。 （详细内容见教材p125页）表5-6自动通风系统测试准备工作清单试一试根据自动通风系统的工作过程，将测试准备工作内容填写在表5-6中。表5-6自动通风系统测试准备工作清单准备工作完成情况红外模块对遥控器信号的学习已完成搭建测试无线局域网已完成启动云服务已完成二氧化碳浓度传感器硬件连接与端口配置已完成新风机遥控装置硬件连接与程序部署已完成2.实验室测试实验室测试在实验室搭建系统做功能测试，不涉及实际安装，借仪器量化性能指标不达预期可调试。如用空气质量检测仪测新风机 CO 阈值、红外遥控有效性，指标可记录为系统说明书参数。 （详细内容见教材p125页）试一试对实验室内搭建的自动通风系统进行测试，将测试数据记录在表5-7中。表5-7自动通风系统测试数据表项目设计指标测试数据开启新风机二氧化碳浓度（体积分数）0.08%0.08%关闭新风机二氧化碳浓度（体积分数）0.06%0.06%新风机红外遥控响应时间≤1s0.8s系统网络连接稳定性（连续运行小时数）≥24h24h3.现场安装调试系统经实验室测试达标后，可在教室现场安装调试并投入使用；过程中需解决传感器安装位置、红外遥控稳定性等意外问题，需通过集思广益、合作讨论优化方法。（详细内容见教材p126页）四、课堂练习完成单项选择题：自动通风系统中，CO 传感器输出电压需放大的主要原因是（ B ）。A.传感器电压过高易烧微控制器 B.微控制器采样量程大于传感器输出电压C. 放大后数据传输更快 D. 降低环境干扰2.新风机遥控装置选择 “可学习型红外模块” 的优势是（ B ）。A.传输距离更远 B. 无需编写红外脉冲信号串代码C. 功耗更低 D. 支持多台新风机控制3.请简述自动通风系统的物联网三层架构（感知层、网络层、应用层）在本课中的具体体现，每层至少举 1 个实例。感知层：CO 传感器（采集浓度数据）、红外模块（执行控制指令）。网络层：Wi-Fi（微控制器与云平台通信）、MQTT 协议（数据传输）。应用层：云平台（数据处理与指令下发）、新风机（通风执行）。五、拓展延伸在我们的生活中，嵌入式系统的应用可谓无处不在。嵌入式系统是一种专门用于执行特定任务的计算机系统，通常包含一个或多个微处理器或微控制器，以及其他硬件和软件。嵌入式系统常用于控制和监测各种设备和系统，如汽车、航空航天设备、医疗设备、家用电器、工业自动化设备等。嵌入式系统通常具有高可靠性、低功耗、紧凑的设计和实时响应等特点。试一试查阅资料，了解嵌入式系统的发展，尤其是国产嵌入式系统的发展现状。国产嵌入式系统发展现状 —— 华为鸿蒙智联、瑞芯微 RK 系列芯片，在智能家居、工业控制领域应用广泛，支持低功耗和多设备联动，自主可控性提升。云平台数据存储的常见方式关系型数据库：存结构化数据，支持复杂查询与事务。非关系型数据库：灵活存非 / 半结构化数据，Redis 可缓存提速。时序数据库：优化存储时序数据，高效查询。对象存储：存大量非结构化文件，高扩展且适合长期保存。低功耗设计对自动通风系统的意义低功耗设计对自动通风系统的核心意义是降能耗成本、延设备寿命、适配多场景：1.减少长期运行成本，因系统需 24 小时监测（如 CO 传感器），低功耗可大幅节电，多设备部署时节能更显著。2.延长关键部件寿命，降低硬件负载与发热，减缓老化、减少维护。3.适配灵活安装，电池供电场景下能延长续航，避免频繁充换电。观看视频：二氧化碳传感器工作原理 学习二氧化碳浓度监测装置硬件选型方法。完成试一试。学习红外模式相关知识。阅读小提示。学习小知识。解硬件模块连接方式。完成试一试。学习网络连接、数据采集、MQTT 通信的程序编写。完成试一试。学台服务程序的流程与功能实现。完成试一试。学习新风机遥控装置的程序流程与 UART、MQTT 整合方法。完成试一试。学习测试准备的工作内容。完成试一试。理解实验室测试的流程与目的完成试一试。学习现场问题的解决思路。完成练习题。进行知识拓展。 掌握硬件选型中接口与功能匹配逻辑。掌握硬件选型中接口与功能匹配的方法。让学生掌握红外模块选型依据，明确自动学习型模块可降低系统实现难度，提升工程实践效率。让学生掌握硬件接口选型的优化方法，培养工程设计中的规范与优化意识。了解接口协议选型依据，明确不同场景下选择合适接口。理解硬件系统搭建的逻辑与实现。引导学生完成硬件端口对应规则表，为软件设计的端口对应打好基础。掌握单模块软件功能的实现逻辑。理解多模块功能协同的编程逻辑。理解云平台在系统中的核心控制作用。引导学生完成流程图，培养算法优化和问题解决能力。掌握指令监听与红外控制的软件实现逻辑。掌握 MQTT 订阅与 UART 通信的整合方法。明确系统测试前期准备的必要性。明确系统测试前的准备工作，培养规范记录测试条件的能力，为系统测试奠定基础。让学生掌握系统功能量化测试的方法。学会通过测试数据评估系统功能是否达到设计指标，培养量化测试与数据记录的能力。培养学生的工程实践与协作能力。考察学生学以致用的能力，深化对本课知识内容的理解和掌握。拓宽学生知识面。
课堂小结 自动通风系统的开发与实现1.硬件设计2.软件设计3.测试验证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 围绕 “自动通风系统的网络安全风险”（如 MQTT 账户被盗导致风机误操作、传感器数据被篡改），结合具体场景（如教室风机被恶意关闭），提出 2-3 条安全防护建议（如定期更换 MQTT 密码、给传感器数据加校验码、限制云平台访问权限），字数不少于 200 字。 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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