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(共25张PPT)
第三单元 第1节
解析物联网通信技术
（贵州版）八年级
上册
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
增强对数据传输、设备管理和网络安全的认识，理解网络与智能服务的协同价值。
结合共享单车和智慧农业案例，能够设计简单通信方案并尝试分析协议流程。
理解NB-IoT与MQTT在大规模设备联网中的作用，能分析消息发布与订阅流程。
认识不同应用场景对通信方式和通信协议的不同需求，感受通信技术支撑现代智慧生活。
02
新知导入
与智能家居不同，城市中的共享单车分布广、数量大、覆盖区域广，因此需要长距离、低功耗的通信方案。
如果设备分散在城市各处，还需要远程连接网络，怎样实现远程通信与控制？
低功耗广域网和MQTT等协议，让海量设备可以低成本、稳定地实现远程通信与控制。
共享单车、智能井盖、智慧停车场等场景中，设备分散且数量庞大，传统近距离通信难以满足需求。
本课时将继续了解远距离无线通信技术和物联网通信协议，感受设备如何在更广阔的网络中协同工作。
02
新知导入
解析物联网通信技术
主题：远距离通信 → 物联网协议 → 共享单车与智慧农业应用。
03
新知讲解
3.了解远距离无线通信技术
共享单车没有智能家居中的网关，单车分布范围广、数量大，需要远距离通信并独立访问网络。NB-IoT（窄带物联网）就是为解决这类需求而出现的远距离无线通信技术。NB-IoT基于蜂窝网络，覆盖广、穿透力强、能耗低，支持海量设备连接，可广泛应用于共享单车、智能抄表、智慧物流等场景（图3-1-12）。
小贴士
蜂窝网络由大量正六边形的小区组成，每个小区都建有基站，构成了覆盖广、连接稳定的移动通信网络。4G、5G都属于蜂窝网络。
03
新知讲解
智慧城市的道路上分布着大量井盖。利用NB-IoT技术，智能井盖可以实时监控自身是否被打开、被移动或破损，还能检测井内水位，一旦出现异常就自动向管理平台发送预警信息，帮助工作人员及时处理，保障行人和车辆的安全（如右图所示）。
案例：NB-IoT的应用——智能井盖
03
新知讲解
在智慧停车场中，每个车位都装有NB-IoT车位检测装置。系统将车位占用状态回传到平台，引导车主快速找到空余车位，既减少了车辆在停车场内盲目绕行的现象，也提高了停车资源的使用效率（如图所示）。
案例：NB-IoT的应用——智慧停车场
03
新知讲解
数字化学习
查找资料，了解LoRa、5G、卫星通信等其他远距离无线通信技术的特点及适用领域，完成下表。
远距离无线通信技术 特点与适用领域
LoRa 自组网，远距离、低功耗，适合广域物联网覆盖
5G 高速率、低时延，适合大数据量、高实时性的应用场景
卫星通信 覆盖无死角，适合偏远地区、海洋及应急通信
NB-IoT 基于蜂窝网络，覆盖广、功耗低，支持海量低功耗设备
03
新知讲解
通信协议是设备之间进行通信所遵循的规则和约定。在物联网中，终端设备的电池、算力、带宽等资源都比较有限，因此需要使用轻量化、低开销的通信协议。
4.了解物联网的通信协议
小贴士
MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输）就是为物联网量身打造的消息传输协议，它轻量、开放、易于实现。
03
新知讲解
在MQTT通信中，主要有三种角色：发布者（Publisher）、订阅者（Subscriber）和消息代理（Broker）。发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器：发布者负责发布消息，订阅者负责接收感兴趣的消息，消息代理负责转发消息。发布者也可以同时扮演订阅者的角色（图3-1-15）。
MQTT通信的三种角色
03
新知讲解
MQTT采用发布/订阅（Publish/Subscribe）的工作模式。客户端可以向消息代理订阅自己感兴趣的主题（Topic），当发布者发布该主题的消息时，消息代理会自动把消息推送给所有订阅者，这与在社交平台上关注感兴趣的话题、有更新时自动收到推送类似。这种模式节省了带宽、降低了设备能耗。例如，智能家居中的灯订阅“亮度调节”主题，音箱订阅“音量调节”主题。
科学园地：MQTT的工作模式
03
新知讲解
使用手机扫码使用共享单车时，手机、单车智能锁和运维系统都是MQTT的客户端。手机发布“开锁请求”消息，运维系统订阅并处理该请求，随后发布“开锁指令”，单车智能锁订阅并执行开锁。MQTT协议轻量、开放、易于实现，占用资源少、实时可靠，非常适合物联网设备的通信（图3-1-16）。
案例：共享单车中的MQTT通信
图3-1-16 扫码使用共享单车时的MQTT通信
03
新知讲解
活动3.1.3
参考共享单车扫码开锁的案例，分析关锁还车时各客户端分别发布和订阅哪些消息，并画出MQTT通信示意图。
客户端 发布的消息 订阅的消息
手机 发布【还车 / 关锁指令】 发布【用户身份、车辆编号】 订阅【关锁成功反馈消息】
订阅【结算账单信息】
智能锁 发布【锁体状态：已关锁】 发布【车辆定位信息】 订阅【手机下发的关锁控制指令】
运维系统 发布【车辆异常告警处理指令】 订阅【车辆状态上报（关锁、定位、故障）】
订阅【用户还车事件】
手机APP ←──→ MQTT消息服务器 ←──→ 智能锁
↓
运维系统
03
新知讲解
在智慧农业中，安装在田间的各类环境监测设备采集土壤、空气温湿度等数据并上传到平台，平台分析后发出异常提醒，工作人员远程下达指令，控制灌溉、通风、光照等设备运行（图3-1-17）。
请思考：
1.智慧农业场景中的通信有哪些特点？适合选用哪种通信技术？
2.该场景中MQTT的发布者、订阅者、消息代理分别是哪些角色？画出通信示意图。
挑战时刻
图3-1-17 智慧农业生产场景
03
新知讲解
挑战时刻 参考答案
参考答案：
1.智慧农业中的通信特点：设备分散在广阔的农田中，数据量小、由电池供电、需要低功耗，且没有网关、需要远距离通信，因此适合选择NB-IoT。
2.MQTT三种角色：发布者——农田中的各类环境监测设备（发布环境数据）、用户手机（发布控制指令，同时也可订阅）；订阅者——服务平台、用户手机（订阅异常提醒）；消息代理——MQTT服务器。
通信流程：环境监测设备采集数据 → 发布消息 → 消息代理转发 → 平台与手机订阅接收 → 远程指令经消息代理送达灌溉、通风、光照等设备执行。
04
课堂练习
案 例
共享单车智能锁为什么选择NB-IoT，而不是Wi-Fi？
共享单车分布范围广、数量庞大，智能锁需要长时间稳定联网。Wi-Fi的覆盖范围有限，地下车库、地下通道等场所信号弱，智能锁无法稳定连接；而NB-IoT基于蜂窝网络，覆盖广、穿透力强。此外，智能锁靠电池供电，NB-IoT功耗极低，能让智能锁续航数月；单车数量庞大，NB-IoT支持海量设备连接。
参考答案：NB-IoT覆盖广、穿透力强（解决地下车库等信号弱问题）、功耗低（续航数月）、支持海量连接，比Wi-Fi更适合共享单车智能锁。
04
课堂练习
做一做
做一做：判断下列设备更适合使用NB-IoT还是Wi-Fi，并说明理由。
①智能电表 ②家用摄像头 ③共享单车智能锁 ④智能音箱
参考：
①智能电表——分布分散、数据量小、电池供电，适合NB-IoT；
②家用摄像头——传输视频、数据量大、常插电，适合Wi-Fi；
③共享单车智能锁——分布广、电池供电、需远距离通信，适合NB-IoT；
④智能音箱——家庭内使用、需较大带宽，适合Wi-Fi。
04
课堂练习
说一说：MQTT通信中的发布者、订阅者和消息代理，分别像生活中的什么角色？
说 一 说
发布者就像发布帖子的博主，把消息发出去！
订阅者就像关注话题的粉丝，一有更新就能收到！
消息代理就像内容平台，负责把消息转给每个关注的人！
05
拓展延伸
拓展：走进CoAP——另一种物联网通信协议
CoAP（Constrained Application Protocol，受限应用协议）是另一种物联网通信协议，针对资源受限的物联网设备设计，在功耗控制方面表现突出，适合结构简单、数据传输量小的设备。
与MQTT相比：MQTT基于TCP，适合需要可靠传输的较大规模设备通信；CoAP基于UDP，更加轻量、开销更小，适合资源极其有限的设备。
上网查询：CoAP与MQTT各自适合哪些应用场景，下节课交流。
06
课堂总结
1
NB-IoT基于蜂窝网络，覆盖广、能耗低，适合海量物联网设备接入
远距离无线通信与协议要点
2
智能井盖、智慧停车场等城市应用，是NB-IoT远距离通信的典型场景
3
通信协议是设备之间沟通的规则，MQTT是为物联网量身打造的轻量协议
4
MQTT采用发布/订阅模式，包含发布者、订阅者与消息代理三种角色
5
根据应用场景的通信需求，合理选择通信技术与通信协议
1
2
3
4
5
07
板书设计
主题：解析物联网通信技术（远距离无线通信与协议）核心：NB-IoT → MQTT → 发布/订阅模式
板书设计：解析物联网通信技术
概念：远距离无线通信与通信协议使分散的物联网设备稳定联网——NB-IoT解决覆盖与功耗，MQTT约定设备间沟通的规则。
核心：NB-IoT ｜ MQTT ｜ 发布者 ｜ 订阅者 ｜ 消息代理。
示例：共享单车（NB-IoT智能锁）｜智能井盖｜智慧停车场｜智慧农业。
流程：设备接入蜂窝网络 → 发布消息 → 消息代理转发 → 订阅者接收 → 平台与设备协同执行。
08
课后作业
课后作业：
1.说一说NB-IoT适合哪些应用场景，为什么。
2.说明MQTT通信中发布者、订阅者、消息代理三种角色的作用。
3.为智慧农业设计一个简要的通信方案，说明所采用的通信技术与协议。
观察与发现
调查与记录
观察城市中的NB-IoT应用（如智能井盖、智慧停车场、共享单车等），记录它们是如何实现远距离通信的。
上网搜索CoAP与MQTT的异同，记录它们各自适用的应用场景，下节课与同学交流。
https://www.21cnjy.com/recruitment/home/fine

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