资源简介

(共35张PPT)
第五单元 第14课
自动通风系统的设计
（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
认识物联网设备数据传输中的网络安全风险，规范服务器账号管理与设备通信协议配置，树立技术应用的安全与节能意识。
掌握物联网系统按架构分层细化需求的方法，能独立完成简单系统的功能需求分析，提升数字工具应用与系统设计创新能力。
拆解 “传感器采集 - 网络传输 - 服务器判断 - 新风机执行” 流程，分析关键环节，培养技术问题拆解与逻辑梳理能力。
识别基于物联网的自动通风系统核心组件，理解各组件数据交互逻辑，提升对环境监测与智能控制技术的认知敏感度。
02
新知导入
第五单元 打造理想的智慧教室
你有没有发现过无人的教室内投影仪却在持续工作的情况？你有没有遇到过同学们因教室内空气混浊而昏昏欲睡的情况？我们能够利用物联网使教室变得“智慧”吗？能否使投影仪在教室没人的时候自动关机？能否使新风机根据室内空气质量自动启停？（详细内容见p107页）
图5-1智慧教室
02
新知导入
02
新知导入
学习目标
能够分析系统功能需求、信息流动路径并设计系统方案，体验简单物联网系统的开发过程。
能够根据需求选择物联网系统硬件，设计物联网系统运行流程并编写软件代码，掌握系统调试和优化方法，完成物联网智慧教室控制系统的开发。
学会运用数字化工具解决实际问题的方法，感受物联网技术的实际应用价值。
02
新知导入
单元主题
打造智慧教室，我们需要在教室里增加哪些装置？这些装置如何发挥作用？这些装置要能够采集教室内的关键数据，为教室的智能化管理提供基础信息；要能形成教室的“核心大脑”，负责处理采集到的数据，并根据预设的规则控制教室内的设备；还要能实现设备间的互联互通，这样就能达到提升教室“智慧”的效果。
我们一起来探讨这些装置在智慧教室中的作用及其背后的原理，理解物联网如何提升传统教室的“智慧”水平。
02
新知导入
同学们在学校的大部分时间都是在教室中度过的。大家有没有注意到，在教室里，有时候我们会感到困倦和注意力不集中。这很可能是教室里的二氧化碳(CO )浓度过高导致的。依托校园无线网络，我们能不能设计自动通风系统，实现对教室内二氧化碳浓度的实时监测呢？是否可以使系统根据监测数据自动启停新风机来确保教室内始终充满新鲜空气呢？
问题情境
03
新知讲解
一、需求分析
1.明确功能需求
实现教室自动通风先明确功能需求，设计需基于教室现有电路设备，附系统功能需求表（表 5-1）与系统图（图 5-2）。（ 详细内容见教材p109页）
实践与探究
表5-1 自动通风系统功能需求表
图5-2 自动通风系统图示
功能需求设计需考虑 “冗余性”，例如当主 CO 传感器故障时，系统可自动切换至备用传感器，避免因单点故障导致通风失控，提升系统可靠性。
小知识
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新知讲解
03
新知讲解
2.将功能需求按物联网架构分层细化
分层依据：明确需求后，按物联网 “感知层、网络层、应用层” 架构细化功能，为方案设计提供精准指标。（ 详细内容见教材p110页）
03
新知讲解
表5-2 自动通风系统功能需求分层细化表
架构层 功能需求 细化说明
感知层 监测教室内二氧化碳浓度 监测装置可灵活移动，可布置在教室内任意位置
网络层 监测装置、新风机均通过局城网通信 通过局域网将监测装置和新风机进行连接，依托物联网平台提高系统的灵活性和可扩展性
应用层 通过联网的新风机遥控装置控制新风机启停，或通过局域网向联网的新风机发送启停控制指令 对于没有联网功能的新风机，通过新风机遥控装置控制;对于具有联网功能的新风机，通过无线局域网控制
分层细化时需注意 “层间兼容性”，例如感知层传感器的通信协议（如 MQTT）需与网络层路由器支持的协议匹配，避免出现数据传输不兼容问题，常见的物联网协议还包括 CoAP、HTTP 等。
小知识
03
新知讲解
03
新知讲解
二、系统设计
在分层细化系统需求之后，就可以开始设计具体方案了。在这个阶段，我们需要依据功能需求梳理出系统的输入和输出信息，再根据系统功能规划合理的信息流动路径，并确定系统的硬件结构和编写软件程序。
03
新知讲解
1.确定系统的输入和输出
将系统看作 “黑盒”，分析 “输入” 与 “输出” 信息。自动通风系统的输入输出内容如图5-3所示。（ 详细内容见教材p111页）
输入
二氧化碳浓度信息
自动通风系统
输出
新风机开关动作
图5-3 自动通风系统的输入输出
03
新知讲解
硬件对应：输入硬件为 二氧化碳浓度监测装置（感知层），输出硬件为新风机遥控装置（应用层），二者通过网络层（局域网）连接。 （ 详细内容见教材p111页）
系统输入可拓展多参数，例如增加温湿度、PM2.5 传感器，形成 “多输入 - 单输出” 或 “多输入 - 多输出” 系统，例如当 CO 超标且温度过高时，同时启动新风机和空调，提升环境舒适度。
小知识
03
新知讲解
03
新知讲解
2.确定系统的组成部分及信息流动方向
服务器对比判断二氧化碳浓度数据后，向新风机发控制指令，信息流动如图 5-4（橙、绿线分别表流入、流出服务器的信息）。（ 详细内容见教材p111页）
图5-4信息流动方向
二氧化碳浓度
监测装置
新风机遥控
装置
收到指令，新风机开启
服务器
网络
经比较，二氧化碳浓度过高，发送指令开启新风机
监测到二氧化碳浓度为XX
03
新知讲解
监测装置采集的二氧化碳浓度数据经网络传至服务器，服务器处理后发控制指令给新风机遥控装置以启停新风机，二者连同一网络但不直接传信息。 （ 详细内容见教材p112页）
03
新知讲解
对于目前的功能需求，是否可以不通过服务器，由两个装置直接传输信息来实现系统控制？使用服务器有什么好处？
想一想
可以不通过服务器直接通信，但仅适用于短距离（≤100 米）、简单场景。
使用服务器的好处：
集中管理：可同时连接多个监测装置和新风机。
数据存储：记录历史 CO 浓度数据，便于分析教室使用规律。
灵活扩展：后续可增加远程控制、异常报警等功能，无需修改装置硬件。
服务器可部署在本地（如校园机房）或云端（如阿里云 IoT），本地服务器数据安全性高，云端服务器无需维护硬件，适合规模较大的学校统一管理多栋教学楼的通风系统。
小知识
03
新知讲解
03
新知讲解
3.确定系统总体结构
二氧化碳浓度监测装置：传感器 + 联网微控制器，靠集成电路协议传数据。
新风机遥控装置：红外元件 + 联网微控制器，靠电路传数据，均通过 Wi-Fi 连网传数据。（ 详细内容见教材p112页）
图5-5 系统总体结构
服务器
二氧化碳
浓度
传感器
微控
制器
无线连接
无线连接
微控
制器
红外遥控元件
网络
微控制器选型需考虑 “低功耗”，例如 ESP32 支持深度休眠模式，在非采样时段可关闭部分模块，使传感器装置电池续航达 6-12 个月，适合无法外接电源的教室角落部署。
小知识
03
新知讲解
04
课堂练习
完成单项选择题：
1、基于物联网的教室自动通风系统中，负责采集 CO 浓度数据的组件属于哪个架构层？（ ）
A. 感知层 B. 网络层 C. 应用层 D. 控制层
2、下列属于闭环控制系统的是？（ ）
A. 声控灯 B. 感应自动门 C. 冰箱恒温控制 D. 手动开关新风机
C
A
04
课堂练习
完成多项选择题：
1、设计教室自动通风系统时，需考虑的现有条件包括？（ ）
教室电路布置 B. 电气设备位置
C. 校园无线网络覆盖 D. 学生座位数量
2、物联网自动通风系统中，服务器的主要功能有？（ ）
接收 CO 浓度数据 B. 判断 CO 浓度是否超标
C. 发送新风机启停指令 D. 直接采集温湿度数据
ABC
ABC
05
拓展延伸
身边有很多控制系统，常规的用信号电缆连传感器、控制器和执行器，物联网让其部署更灵活，且物联网控制系统仍可用分析常规系统的方法分析。
控制系统分开环（如声控灯、感应自动门）和闭环（如冰箱、烤箱）。（详细内容见教材p113页）
拓展与深化
03
新知讲解
查阅资料，了解开环、闭环控制系统的结构特点，分析书中的案例，判断它们分别属于哪种控制系统。
查一查
教室自动通风系统中，CO 传感器监测实际浓度（反馈），系统（控制器）对比设定浓度值调整新风机启停，存在反馈环节，属于闭环控制系统。
05
拓展延伸
多参数联动控制
在 CO 浓度基础上，增加 PM2.5、温湿度监测，设定 “优先级控制逻辑”：
当 PM2.5＞50μg/m 时，优先启动新风机新风模式。
当 CO ＞1000ppm 且PM2.5≤50μg/m 时，启动新风机排风模式，实现多环境参数协同优化。
05
拓展延伸
远程监控与管理
搭建手机 APP 或网页端监控平台，实时显示各教室二氧化碳浓度、新风机状态，支持远程修改二氧化碳浓度阈值（如考试期间设为 800ppm，自习期间设为 1000ppm），并推送异常报警（如传感器离线、新风机故障）。
05
拓展延伸
开环控制系统和闭环控制系统的区别
06
课堂总结
自动通风系统的设计
1
需求分析
22
系统设计
3
完成课堂练习
4
进行相关知识拓展
1
07
板书设计
自动通风系统的设计
课后作业。
1、绘制传感器接线图。
2、分析闭环系统优势。
1、需求分析
2、系统设计
3、完成课堂练习
4、进行知识拓展
08
课后作业
查阅 MH-Z19B CO 传感器的数据手册，绘制该传感器与 ESP32 微控制器的接线图，标注引脚连接关系（如传感器 VCC 接 ESP32 5V 引脚，GND 接 GND，TX 接 ESP32 RX 引脚）。
对比开环与闭环控制系统的优缺点，结合教室自动通风场景，说明为何选择闭环控制系统，撰写 300 字以内的分析报告。
https://www.21cnjy.com/recruitment/home/fine

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