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第1.3课《物联网原理和数据采集--物联网的感知系统》教学设计
课题 物联网原理和数据采集—物联网的感知技术 单元 第一单元 学科 信息科技 年级 八年级
核心素养目标 信息意识：利用物联网感知技术广泛获取丰富数据，全面增强对信息价值的深度洞察与理解能力，助力精准决策。 计算思维：依据物联网感知数据灵活运用计算思维，科学驱动智能化信息高效处理流程，提升运行效率。数字化学习与创新：借助物联网感知技术大力推动数字化学习，积极开拓创新实践应用的多元新途径，激发创意灵感。信息社会责任：在物联网感知应用中严格履行信息社会责任，全力保障信息安全和有序合理利用，维护良好生态。
教学重点 利用物联网感知技术广泛获取丰富数据，全面增强对信息价值的深度洞察与理解能力，助力精准决策。
教学难点 依据物联网感知数据灵活运用计算思维，科学驱动智能化信息高效处理流程，提升运行效率。
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1.3课 《物联网系统和反馈控制--物联网系统的搭建》板书课题。1.本课中你将学习：什么是物联网感知技术什么是传感器技术什么是条码和射频识别技术2.“世界上所有的物品（从轮胎到牙刷，从房屋到纸巾）都可以通过互联 网主动进行数据交换。”这是国际电信联盟描绘的物联网蓝图。自行车和电 冰箱的联网，依靠其集成的终端设备，而牙刷和纸巾之类的物品之所以能 够联网，依靠的则是神奇的感知技术。万物互联，感知先行，这已经成为 物联网领域的业内共识。 3.播放视频 学习新知引入观看教学视频。 初步明确本课所有知识点。将学生的注意吸引到课堂。
讲授新课 新知讲解：板书课题。物联网感知技术概述物联网感知技术概述物联网感知技术涉及很多方面,包括传感器技术、射频识别技术、位技术、条码技术等。只要能够将外界环境或物品的状态信息转化为计机能处理的数字信号的技术,都属于感知技术。感知技术是物联网的基础。如果不能准确感知形形色色的物品,万互联就无从说起。针对不同的物品及其状态,可以选择相应的技术来感知比如,环境监测中温度、湿度之类的信息使用传感器技术,智能家居验证用户信息时使用基于摄像头的人脸识别技术,快递行业的包裹出入库等要使用射频识别技术,共享单车则使用二维码技术等。就连四处的野生动物,计算机科学家们也设计出了GPS定位装置对它们进行追踪。传感器技术传感器是一种信息输入设备,能够检测、感受外界的信号、物理条件(如光、热、湿度)或化学组成(如烟雾)等。传感器是物联网设备感受外界环境的重要硬件,确定了设备与外界环境交互的能力。1.认识传感器常见的传感器通过敏感元件获取外界信息并转换成电信号输出。比如光线传感器中的敏感元件为光敏电阻，当光线强弱发生变化时，输出的电压信号也发生相应的变化。传感器的结构如图1.3.1所示。按照被测物理量的不同，传感器可以分为温度传感器、湿度传感器、 压力传感器、位移传感器、加速度传感器等；按照输出信号类型的不同， 传感器可以分为开关量传感器、模拟量传感器和数字量传感器等。 传感器的应用领域非常广泛，表1.3.1简单介绍了几款生活中比较常见 的传感器。名称用途图示按钮传感器控制电器元件,常用来接通或断开物联网执行器触摸传感器对人体或金属的触碰进行检测,与按钮传感器类似,通常用来控制通断光线传感器对环境光线的强度进行检测，可在物联网系统中感知光线的强弱声音传感器通过反馈电压信号的大小值体现环境声音的大小，可在物联网系统中对周围环境中的声音强度进行检测旋钮传感器可以旋转不同的角度，在物联网系统中输入与旋转位置相关的信号土壤湿度传感器可用于检测土壤的水分，当土壤缺水时，传感器输出值将减少，反之将增大探索 传感器种类繁多，功能各异。请同学们登录创客商城，输入关键 词“传感器”，浏览感兴趣的传感器，并了解这些传感器常用于哪些物 联网作品，填写表 1.3.2。传感器名称传感器功能常用于哪些物联网作品湿度传感器感知环境湿度用于农业物联网中的土壤湿度监测压力传感器测量压力大小常见于工业物联网中的压力控制系统声音传感器检测声音的有无和强度在安防物联网的报警系统中常有应用位移传感器能测量物体的位移变化常用于机械制造物联网中的位置监测。2.传感器和智能终端的连接将传感器与智能终端连接之前，需要认真查阅传感器的接口说明，了解传感器的信号类型和引脚功能，然后确定该传感器应该接在智能终端的哪个引脚上。一般来说，传感器模块上面会标示其类型，“D”表示数字量传感器或者开关量传感器。“A”表示模拟量传感器，如图1.3.2所示。传感器模块一般使用3芯数据线（也称为3P线)。为了接线方便，通常可以在智能终端上接入扩展板，再将传感器模块与扩展板相连接。图1.3.3是一款常见的扩展板。不同的智能终端，其引脚的功能规划往往也不相同。有些引脚既可以作为数字引脚使用，也可以作为模拟引脚使用。具体的引脚功能，需要查阅智能终端芯片手册。3.传感器信息的获取获取传感器的信息，即读取引脚的信号。开关量传感器使用数字输入的方式读取数字信号，模拟量传感器则使用模拟输入的方式读取模拟信号而数字量传感器的读取比较复杂，需要借助特定的通信协议，将数字信息转换为数值。(1)开关量传感器的信息获取首先设置引脚的模式为Pin.IN，然后用read_digital读取引脚的数字信号。下面的参考范例是将倾角传感器和开源硬件的P0引脚连接，变量v存储了倾角传感器传回的值。(2)模拟量传感器的信息获取首先设置引脚的模式为 Pin.ANALOG，然后用read analog 读取引脚的模拟信号。下面的参考范例是将旋钮传感器与开源硬件的PO引脚连接，变量v存储了旋钮传感器传回的值。新建Python3项目，输入以下程序。通过旋转旋钮传感器，即可观察到传回的数值在有规律地变化。(3)数字量传感器的信息获取数字量传感器的信息获取比较复杂，这要看传感器采用的是哪一种通信协议。常见的数字量传感器通信协议有DH11、I2C等。DH11常用于温湿度传感器，而I2C协议因为可以在一个引脚上连接多个设备，能够节省很多资源，因而使用范围很广，如掌控板上自带的传感器中，加速度传感器采用了I2C协议。下面是能够读取某开源硬件加速度传感器数值的代码。阅读I2C协议也称I2C总线协议，是一种使用两条数据线在主控制器和从机之间进行通信的协议。两条数据线中一条叫作SCL，即串行时钟线，另外一条叫作 SDA，即串行数据线。I2C协议支持多从机，一个I2C控制器下可以挂多个I2C从设备，不同的从设备有不同的地址I2C 协议具有接口线少、控制简单、器件封装体积小、通信速率较高等优点，应用范围很广，常见于各种传感器和执行器。 实验活动智能农植园的数据采集模拟传感器输入的数值范围是多少呢 我们以旋钮传感器为例尝试给开源硬件编写读取旋钮传感器数值的程序进行求证。请在运行程序后，仔细观察显示的数值，填写表 1.3.3。实验内容:编写程序，获取旋钮传感器输入的最大值和最小值。实验准备:开源硬件、旋钮传感器、USB 数据线、计算机。表 1.3.3 实验数据记录表旋钮传感器状态模拟输入数值最小值（完全逆时针）0中间值（稍微顺时针）512最大值（完全顺时针）1023三、条码和射频识别技术我们经常使用手机“扫一扫”或者校园智慧卡完成购物支付。“扫一扫”付款的本质是通过摄像头获取二维码图片中的商家信息，而校园智慧卡则是利用射频识别技术实现身份识别。作为物联网感知技术的重要组成部分，条码和射频识别技术又是如何感知外界信息的呢？ 1. 条码识别技术 传条码识别技术是指利用光电转换设备对条形码进行识别的技术。简单地说，就是将信息编码为特定的图形，然后通过设备（如摄像头）进行解码的技术。利用这一技术，只要给物品贴上条形码，它们就可以被智能终端快速识别。（1）条形码 条形码是将宽度不等的多个黑条和白条按照一定的编码规则排列，用以表达一组信息的图形标识符，是一种经济实用的识别技术。常见的条形码是由黑条和白条排成的平行线图案。条形码可以标出物品的生产国、制造厂家、商品名称、图书分类号、邮件起止地点等信息，因而在商品流通、图书管理等领域广泛应用。如图所示，快递公司就是通过条形码来识别包裹的。（2）二维码 二维码又称为二维条码，可以看作条形码的升级，是一种按一定规律在平面上（二维方向）分布的黑白相间图形。相对于一维条形码，二维码的信息存储量更大，能够把文字、图像、音频、视频等信息“编码”成一个图像。随着智能手机的普遍使用，手机已成为个人用户扫描二维码读取信息的常用工具。 Python 中的二维码生成库有很多，常用的是 qrcode。输入下面的代码，就可以生成一个能够显示“二维码存储的信息”字样的二维码。 2.射频识别技术 射频识别又称为无线射频识别（radio frequency identification，RFID），可通过无线电技术识别特定目标并读写相关数据。从信息采集的角度来看，射频识别技术也属于传感器技术的一种。运用射频识别技术识别物品，需要读写器和电子标签，如图 1.3.6 所示。常见的电子标签一般为信用卡大小，如二代身份证、公交 IC 卡、校园智慧卡等。 3.近场通信技术 NFC（Near Field Communication）又称为近场通信，由射频识别演变而来，是一种近距离无线通信技术。内置NFC功能的设备主要以手机为主，当然也有不少平板电脑和蓝牙音频设备内置了NFC功能。四、课堂练习智能农植园门禁管理小清学习了射频识别技术和近场通信技术以后，想要使用 NFC 卡片给智能农植园制作门禁。请以小组为单位，根据智能门禁程序以及线路连接图的操作步骤，体验 NFC 门禁系统的制作过程。五、拓展延伸1.物联网感知技术的发展史2.传感器的特点以及作用3.传感器和智能终端连接需要注意什么4.提升传感器精度和分辨率的方法有哪些 认识物联网感知技术。认识传感器认识传感器的种类探索学习更多的传感器种类学习传感器和智能终端的连接学习传感器信息的获取进行阅读补充额外知识点完成实验活动学习条码和射频识别技术完成课堂练习学习课外知识拓展。 初步认识物联网感知技术，明确作用，为本课研究打下基础，并锻炼学生的学习能力和观察能力。初步认识传感器的作用，明确作用，为本课研究打下基础，并锻炼学生的学习能力和观察能力。引导学生认识传感器的种类，并图文结合详细地介绍每一步操作，加深对本课知识内容的理解和掌握。拓宽学生知识体系，加深对本课知识内容的理解和掌握。引导学生学习传感器和智能终端的连接，并图文结合详细地介绍每一步操作，加深对本课知识内容的理解和掌握。引导学生学习本课第三点知识内容，并结合多种代码进行内容讲述，让理论知识更加生动、易懂。完善教材所提及的知识点内容，引导学生进行知识体系的拓展和深化。考查学生的学以致用能力，知识转化和落地能力，在课堂练习考察中进行查漏补缺。引导学生学习本课知识内容，并结合多种识别技术进行内容讲述，让理论知识更加生动、易懂。考查学生的学以致用能力，知识转化和落地能力，在课堂练习考察中进行查漏补缺。拓宽学生知识面。
课堂小结 物联网原理和数据采集--物联网的感知系统1、引入新知内容2、认识物联网原理的感知技术3、认识传感器的种类及其作用4、学会正确地使用传感器5、进行相关知识拓展 总结回顾 对本节课内容进行总结概括。
课后作业 学完本节课，说一说在正确使用传感器时遇见的困难有哪些？你们是如何解决的？请同学们总结各种传感器的优缺点及其便利性。 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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