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温湿度的蓝牙传输教学设计
课题 温湿度的蓝牙传输 单元 物联网数据传输——简易温湿度传输系统 学科 初中信息技术 年级 八年级
教材分析 本课以植物生长监测项目为情境，聚焦于蓝牙技术在物联网数据传输中的应用。教材内容从蓝牙技术原理切入，结合主控板硬件操作与图形化编程实践，引导学生构建完整的温湿度蓝牙传输系统。通过感知端与应用端的双板协作，学生不仅能掌握传感器数据采集、蓝牙配对与数据传输的完整流程，还能理解物联网系统中各层设备的协同工作方式。课程强调实践与理论结合，在硬件连接、程序编写与调试中培养学生的计算思维与工程实践能力。
学习目标 信息意识：理解蓝牙技术在物联网短距离数据传输中的适用场景与优势，能根据实际需求选择恰当的无线传输方式，形成在真实情境中选用适宜信息技术的意识。计算思维：通过分析物联网系统架构，能将其分解为感知、传输与应用等模块，并运用流程图设计数据采集、蓝牙配对与显示的算法流程，形成系统化解决问题的能力。数字化学习与创新；掌握主控板连接、传感器调用及蓝牙功能库扩展等操作，能动手搭建硬件系统并编程实现温湿度的蓝牙传输功能，在实践中完成创意物化作品。信息社会责任：了解蓝牙等技术在日常设备中的应用及其功耗、干扰等特点，能辩证思考无线技术发展带来的便利与局限，初步形成对技术应用的理性认识。
重点 引导学生掌握基于主控板的物联网数据传输系统构建流程。具体包括：理解蓝牙技术的特点及其在短距离传输中的适用性；学会硬件连接与传感器数据采集的方法；掌握通过图形化编程实现主控板间蓝牙配对、数据发送与接收的程序逻辑；最终能够成功搭建一个完整的“温湿度蓝牙传输器”，并理解感知端与应用端的协同工作原理。
难点 学生对于物联网系统架构中“端-云-端”数据流向的理解，以及将抽象的逻辑流程转化为具体的编程指令。具体表现为：理解并正确配置蓝牙配对的主从端关系；在编程中协调数据采集、蓝牙发送与接收显示等多个并发任务的时序与逻辑。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 在对植物生长环境进行监测的项目中，应用传感器获得的环境温度及土壤湿度如果能够实时显示在电子屏幕上，巡查管理人员就可以很方便地全面掌握当前环境情况，适时做出调整。这种近距离的数据传输适合使用哪种传输技术呢 本课我们借助主控板来实现温湿度数据的蓝牙传输。 了解本课的学习主题、学习目标等。 通过教师简要介绍，让学生知晓本课的学习主题。
讲授新课 一、探秘蓝牙技术探索生活中，我们通常会使用手机、电视等设备的蓝牙功能。在物联网学习中，我们也可以借助主控板上提供的蓝牙功能和相应的编程平台，制作出“温湿度蓝牙传输器”。“物联网主控板”是探究物联网及其应用时常用的智能设备，它通常由芯片、通信模组和操作系统组成。蓝牙功能一般会集成在主控板的芯片中。主控板上还有一个天线，是接收和发送电磁波实现蓝牙通信的必备组件，这个天线同时也是2.4G无线通信的必备组件。上图中，主控板上的蓝牙天线在哪里？在编程平台上加载主控板，并加载蓝牙功能库，才可以通过编程实现用蓝牙技术传输温湿度数据。做一做按照下图所示步骤，在编程平台中连接主控板。选择Python模式，点击“模块”切换到图形化模式，再点击“扩展”加载主控板。然后，将主控板开机，在编程平台中连接远程终端10.1.2.3。当要编写程序实现蓝牙功能时，还需要在编程平台中单独加载蓝牙功能库。点击“扩展”,在“用户库”中搜索“行空板蓝牙通信”,点击即完成添加，如下图所示。之后就可以在指令区的“用户库”看到所提供的蓝牙相关命令。能量加油站——蓝牙技术2023年1月，蓝牙核心规范已经迭代至5.4版本。理论上，蓝牙4.2版的传输距离能达到75米，蓝牙5.0版的传输距离可以达到300米，但其实蓝牙的传输距离还与功率相关。大功率、远距离的蓝牙产品成本高、耗电量大，不适用于个人通信产品。常见的电脑或手机内置蓝牙、蓝牙耳机、蓝牙音响、运动手环等都属于低功耗设备，体积小、成本低，采用蓝牙5.0标准的传输距离仅10米左右。目前所应用的蓝牙和Wi-Fi工作频率都是2.4GHz,但生活中还有很多设备的频率也是2.4GHz,如微波炉、无线电话，这就会导致无线信号的相互干扰。为此，蓝牙使用了一种“跳频扩频”的技术，在传输信号时，信号在79个不同频道之间跳跃，每秒改变频道1600次，因此蓝牙与Wi-Fi相比具有较强的抗干扰能力。通常，蓝牙的功耗比Wi-Fi低，这就导致蓝牙传输速率较慢、传输距离较短，但同时带来的好处是蓝牙所需的电池容量更小、电池寿命更长、充电频率更低，也因此蓝牙设备的尺寸都较小。Wi-Fi虽然功耗相对较高，但在传输速率、传输距离方面与蓝牙相比有着很大优势。二、搭建传输系统设计蓝牙技术是一种点对点的近距离传输技术，在两端通信开始前，需要将发送端和接收端的两个蓝牙设备连接起来，也就是我们常说的“设备配对”。当与传感器连接的设备具有蓝牙功能，同时接收这些数据的设备也有蓝牙功能时，将它们配对，我们得到的数据就可以通过蓝牙传递出去并且被接收到。我们来梳理一下用蓝牙传输温湿度数据的思路吧！写一写可以使用两块主控板、土壤湿度传感器和空气温湿度传感器来制作温湿度蓝牙传输器。两块主控板分别作为感知端和应用端，蓝牙完成网络层的工作，这样就可实现一个完整的物联网数据传输系统。请阅读黄色方框中的设备工作内容，按照正确的顺序绘制出完整的算法流程图。主控板通电感知端主控板发送数据应用端主控板接收并显示数据主控板蓝牙配对感知端温湿度传感器采集环境温度t感知端土壤湿度传感器采集土壤湿度h我能绘制出规范的流程图，你可以吗 参考：实践1.准备硬件。主控板(2)个DHT11温湿度传感器(1)个DHT11土壤湿度传感器(1)个2.连接硬件。3.编写程序。(1)在主控板上显示文字信息。为更好地区分感知端和应用端，可以在两块主控板上分别显示不同的文字，同时还可以显示其他数据或状态变化，使传输器的功能更美观、更人性化。这时就需要在指令区的“行空板”命令中找到“屏幕显示”命令，进行编程测试，如下图所示。(2)通过传感器采集温湿度数据。温湿度传感器的程序命令需要添加独立的功能库才能使用。在指令区的“扩展”中选择“pinpong库”,查找“DHT11/22温湿度传感器”,点击添加即可。为提高数据可读性，可以在“官方库”中查找并添加JSON库以便编码和解码。观察硬件设备所连接的引脚序号，将温湿度传感器初始化。土壤湿度值是通过引脚获得模拟值，不需要初始化。为便于区分和传输所获取的温度和湿度数值，通过“字典”存储数据更为便捷。能量加油站Python中的字典是一个数据值集合，相比于元组、列表，字典中的数据值是无序的、不要求统一类型的。使用字典可以实现以最快捷、最高效的方式存储和检索需要的数据。字典以键(Key)和值(Value)组合的方式来储存数据。键与值一一对应，形成一种索引关系。键不可重复，可以是字符串、数字、元组等类型，值可以是任意的对象。(3)实现蓝牙配对与数据传输。在应用端添加“启动蓝牙服务器”命令后，程序运行时，程序右侧的“终端”区会显示一串编码，将此编码输入感知端的“启动蓝牙客户端”命令中，即可实现两块主控板的蓝牙配对。编写程序时要特别注意，蓝牙配对只需在启动时执行一次即可，而通过蓝牙发送数据则需要重复执行。为保证蓝牙传输通道能持续接收完整数据，建议每次收到数据后及时读取并清空缓存，这就需要使用“缓存区有数据 ”和“取缓存数据后清空缓存”两个命令。三、拓展与深化议一议阅读下图所示的两个程序，你知道哪一个是感知端，哪一个是应用端的程序吗 说一说每段程序能实现的功能。拓展很多同学都佩戴过智能手环，它里面配有加速度传感器、心率血氧传感器等，可以实时获取我们的运动心率、血氧、睡眠情况等数据。在获得这些数据后，手环通过蓝牙将数据发送至手机的应用程序(App)中，经过一系列的数据分析后，就能够得出一份基于个人情况的较为准确的监测报告，以帮助我们更准确地了解身体情况，及时制定应对措施。请尝试使用本课所学知识，模拟实现运动手环的数据传输过程。 观察与识别：观察物联网主控板实物或图片，准确找到板载的蓝牙天线位置。操作与实践：在编程平台（Mind+）中完成主控板的连接与配置，包括切换到Python模式、加载主控板扩展、连接远程终端，并搜索添加“行空板蓝牙通信”用户库。阅读与理解：结合“能量加油站”中的科普内容，通过对比蓝牙与Wi-Fi在传输距离、功耗、抗干扰能力等方面的特点，理解蓝牙技术的实际应用场景与局限性。小组合作，按顺序绘制蓝牙传输温湿度数据的算法流程图。动手连接主控板与传感器，并区分感知端、应用端。编程实践：在行空板显示文字，添加传感器库采集数据，使用字典存储数据，完成蓝牙配对与传输测试。对比分析两个程序，区分感知端与应用端，并说明其功能。迁移所学知识，模拟智能手环通过蓝牙向手机App发送传感器数据的过程。 主要介绍蓝牙技术在生活中的应用、技术特点（传输距离、功耗、抗干扰原理），以及其在物联网数据传输中的适用场景与优势。为后续编程实践奠定知识基础。指导学生完成硬件准备与连接，并通过图形化编程，逐步实现主控板蓝牙配对、传感器数据采集与无线传输的完整系统搭建。通过程序分析深化对系统逻辑的理解，并引导学生将所学知识迁移至“智能手环”等更广阔的生活应用场景，实现思维拓展。
课后练习 选择题在制作“温湿度蓝牙传输器”时，感知端和应用端的主控板需要进行什么操作才能建立蓝牙通信？A. 同时开机B. 蓝牙配对C. 连接同一Wi-FiD. 安装相同传感器关于蓝牙技术的描述，以下哪一项是正确的？A. 蓝牙5.0的理论传输距离可达到75米B. 蓝牙与Wi-Fi相比抗干扰能力较弱C. 蓝牙通常比Wi-Fi功耗更高D. 蓝牙使用“跳频扩频”技术减少信号干扰在编程实现蓝牙数据传输时，为保证数据传输的完整性，建议每次收到数据后：A. 关闭蓝牙再重新连接B. 及时读取并清空缓存C. 增加数据传输间隔时间D. 重启主控板二、判断题蓝牙天线只用于蓝牙通信，与2.4G无线通信无关。 （ ）在Python编程中，使用字典存储传感器数据可以提高数据的组织性和检索效率。 （ ）感知端主控板需要持续采集传感器数据并重复执行蓝牙发送操作。 （ ）三、解答题（结合本课所学知识，请简要说明：使用蓝牙技术传输温湿度数据时，感知端和应用端各自的主要功能是什么？如果要将本课的“温湿度蓝牙传输器”扩展为智能手环的数据传输模拟系统，你认为需要增加或修改哪些部分？（至少写出两点）参考答案：选择题： 1.B 2.D 3.B判断题： 1.× 2.√ 3.√解答题：感知端：负责连接传感器、采集环境温湿度数据、通过蓝牙发送数据；应用端：负责启动蓝牙服务器、接收数据、显示数据。示例答案：①增加心率、血氧等传感器模拟健康数据采集；②修改程序使数据格式符合健康监测需求；③增加手机App接收端模拟程序。 结合本课学习内容，独立完成课后练习。 通过课后练习，进一步巩固本课学习的温湿度的蓝牙传输相关的内容。
课堂小结 组织学生分小组总结本课学习内容，请每个小组代表说说自己小组总结的结果。教师做最后的补充。参考：同学们，本节课我们共同探索了物联网中近距离数据传输的解决方案——蓝牙技术。我们不仅学习了蓝牙“低功耗、短距离”的特点和“跳频”抗干扰原理，更通过动手实践，成功地将温湿度传感器采集的数据，经由主控板蓝牙配对，稳定地传输并显示在另一块主控板上。这个过程，我们完整体验了物联网系统从感知、网络传输到应用呈现的三个关键环节，为未来实现更复杂的智能物联应用打下了坚实的基础。 在小组讨论基础上，推选代表总结本课学习内容。其他小组做补充总结。 学生自己总结学习内容是一种学习方法，每次课可以梳理出学习了哪些知识、技能方法和思维方式，在头脑中形成本课程的学科结构。
板书 从教师板书上归纳本课学习内容的重点。 通过板书，帮助学生形成本课学习内容思维导图。
21世纪教育网www.21cnjy.com精品试卷·第2页（共2页）
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