资源简介

(共30张PPT)
第6课
物联网的通信技术
八年级
上
01
学习目标
内容总览
02
新知导入
03
实践与通信技术
04
短距离无线通信技术
05
扩展学习
06
课后练习
07
课堂小结
08
板书设计
教学目标
了解物联网的通信技术，明白物联网是如何与外部世界的各种信息进行相互传递，又是如何控制这些设备的。
信息社会责任
了解物联网通信技术在生活中的应用，感受物联网的发展为生活带来的便捷。
信息意识
通过搭建通信平台实践，理解MQTT协议和物联网通信过程。
计算思维
树立利用技术让生活变得美好的理念。
数字化学习与创新
探究新知
项目指引
由于物联网连接的物体多种多样，物联网涉及的网络技术也有很多种，既可以是有线网络、无线网络，又可以是短距离网络、长距离网络，也可以是企业专用网络、公用网络，还可以是局域网、互联网等。其中，短距离的无线通信技术是物联网最为活跃的部分，它帮助人们摆脱了各种电缆的束缚，让小范围内建立起无线通信网络，使设备之间的协同工作变得更加方便、快捷。
探究新知
项目指引
短距离无线通信是一种在较小范围内，通过无线电波传输信息的技术，该技术具有低成本、通信对等和低功耗的特征。目前，发展较为成熟的短距离无线通信技术主要包括Wi-Fi、蓝牙、NFC和ZigBee等，主要应用于无线上网、智能家居、移动支付、远程控制等领域。
探究新知
Wi-Fi技术是一种允许电子设备连接到一个无线局域网(WLAN)的技术，通常使用2.4GHz或5GHz射频频段，几乎所有智能手机、平板电脑和笔记本电脑都支持Wi-Fi上网，它是当今使用最广泛的一种无线网络传输技术，其标志如图所示。多数无线局域网是有密码保护的，也有一些是开放的，允许WLAN范围内的任何设备连接。Wi-Fi是一个无线网络通信技术的品牌，由Wi-Fi联盟所持有。
一、Wi-Fi技术
探究新知
拓展阅读——Wi-FiHaLow
2016年，Wi-Fi联盟公布的802.1lahWi-Fi标准——Wi-FiHaLow,使得Wi-Fi可以被运用于更多地方，如小尺寸、电池供电的可穿戴设备；同时也适用于工业设施内的部署，以及介于两者之间的应用。HaLow采用900MHz频段，低于当前Wi-Fi的2.4GHz和5GHz频段。同时HaLow的覆盖范围可以达到1千米，信号更强，且不容易被干扰。
一、Wi-Fi技术
探究新知
一、Wi-Fi技术
我们利用Wi-Fi技术做物联网通信设备，还需要了解物联网通信中常用的一个协议——MQTT协议。MQTT是物联网中用于传输消息的一种协议，它是基于客户端—服务器的消息发布或订阅传输协议。
MQTT协议的特点是轻量、简单、开放和易于实现，适用范围非常广泛。
探究新知
一、Wi-Fi技术
MQTT实现方式
MQTT系统由与服务器通信的客户端组成，服务器就是要搭建的物联网平台的载体。客户可以是信息发布者或订阅者，每个客户端都可以连接到服务器。
举例：到邮局寄信和收信。寄信时我们是发布者，收信时是订阅者。邮局就是服务器，为我们提供收信寄信服务。
MQTT发布/订阅
实践活动
实践一 搭建物联网通信平台
小组合作，实现物联网设备间通信平台的搭建：
步骤一：电脑连接Wi-Fi后，获取电脑的IP地址
本小组获取电脑IP的思路及截图：________
（提示：我们在七年级学过使用命令行工具查看电脑的IP）
在这一活动步骤中，我们发现的问题及解决方式：
探究新知
SIoT物联网平台
SIoT是一个为教育定制的跨平台开源MQTT服务器程序，S指科学(Science)、简单(Simple)。
SIoT支持Win10、Win7、Mac、Linux等操作系统，一键启动，无需用户注册或系统设置即可使用。
SIoT有利于帮助中小学生理解物联网原理，基于物联网技术开发各种创意应用，重点关注物联网数据的收集和导出。
步骤二：运行SIoT程序，登录本地网页管理界面
探究新知
一、Wi-Fi技术
安装SIoT库
在电脑中安装"SIoT库"，可以在命令行中安装，也可以利用编程软件安装。
只需要手动输入：
pip install siot
在编程软件中：
(1) 点击"PIP模式"
(2) 输入安装代码：pip install siot
(3) 点击运行
实践活动
实践三 RFID智能门禁
3. 小组合作，利用"RFID阅读器"模拟智能门禁中的刷卡开门。
步骤一：查阅资料，了解RFID射频识别开门的原理：
在这一活动步骤中，我们发现的问题及解决方式：
探究新知
蓝牙技术是一种实现短距离无线通信的技术规范。蓝牙技术已经为越来越多的设备（包括手机、耳机、计算机、鼠标、键盘、音响等）赋予了安全、简便的连接手段，是物联网中物物互联的主要无线通信技术。
蓝牙的波段为2400~2483.5MHz，通信半径从几米延伸到百米。目前蓝牙版本为蓝牙5.0，具有高速、低功耗、低延迟等特性，传输速率上限可达24Mbps。
二、蓝牙技术
探究新知
在网盘还不太普及的时候，人们习惯打开手机里的蓝牙设备，把手机上好玩、好看的东西分享给周围的朋友。手机、平板电脑等移动设备以及大量的无线外围设备(蓝牙耳机、蓝牙键盘等)都应用了蓝牙技术。在智能家居领域，采用了BluetoothSmart技术的蓝牙支持设备与设备之间的“对话”技术，在没有Wi-Fi的情况下，智能家居设备仍可继续工作。
二、蓝牙技术
探究新知
近场通信（Near Field Communication，缩写NFC）是一种短距离的高频无线通信技术，它是手机常见的一个通信接口，通过互相靠近来传输数据。
NFC技术由RFID及互联互通技术整合演变而来，是一种非接触式识别和互联技术。可以在移动设备、消费类电子产品、个人计算机和智能控件工具间进行近距离无线通信。
三、NFC技术
探究新知
NFC的应用
目前，NFC主要应用在智能手机上，配置了NFC功能的智能手机可以用作机场登机验证、大厦的门禁钥匙、智能交通一卡通、代替信用卡进行电子支付等。
三、NFC技术
探究新知
拓展阅读——NFC与RFID
RFID由阅读器和标签组成，只能实现信息的读取以及判定。具有NFC功能的手机内置了NFC芯片，它是组成RFID模块的一部分，可以当作RFID无源标签使用；也可以当作RFID读写器，用作数据交换与采集；还可以用于NFC手机之间的数据通信。NFC传输范围比RFID小，RFID的传输范围可以达到几米甚至几十米，由于NFC采取了独特的信号衰减技术，相对于RFID来说，NFC具有距离近、带宽高、能耗低等特点。
三、NFC技术
探究新知
一般来说，NFC终端主要有三种工作模式：主动模式、被动模式和双向模式。目前，人们常见的NFC工作模式是被动模式。例如，刷手机乘公交、电子支付等，都是将NFC终端模拟成一张卡片。主动模式常见于读取NFC标签信息等，双向模式多用于信息交换，例如交换电子名片。
三、NFC技术
实践活动
1. 请你结合前面所学内容，对蓝牙、Wi-Fi、NFC进行对比：
表6-1 蓝牙、Wi-Fi、NFC对比
蓝牙：优势________ 不足________
Wi-Fi：优势________ 不足________
NFC：优势________ 不足________
2. NFC通信技术中运用了RFID技术。请查阅资料了解RFID模式在生活中的常见应用：
交通运输：在物流运输过程中实现跟踪货物
________：________
实践活动
对比参考
蓝牙：优势——设备普及、低功耗、可连接音频设备；不足——传输距离短、速率一般
Wi-Fi：优势——传输速率高、可连接多设备、覆盖范围大；不足——功耗较高、配置复杂
NFC：优势——距离近、带宽高、能耗低、安全性好；不足——传输距离极短（几厘米）、速率低
RFID常见应用：门禁卡、公交卡、商品防伪、图书管理、停车场收费
探究新知
紫蜂技术(ZigBee)是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术。ZigBee技术的命名主要来自人们对蜜蜂采蜜过程的观察，蜜蜂在采蜜过程中的舞蹈轨迹很像“Z”的形状，由于蜜蜂自身体积小、所需要的能量小，又能传送所采集的花粉，因此人们用ZigBee技术来代表具有成本低、体积小、能量消耗少和传输效率低的无线通信技术，中文译名通常为“紫蜂”技术。
四、ZigBee技术
探究新知
ZigBee的标准是IEEE802.15.4,工作频率为2.14GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行),其最大数据传输速率是250Kbps,传输距离从标准的75米到几百米、几千米。
四、ZigBee技术
探究新知
ZigBee技术广泛应用于家庭和楼宇网络、商业智慧型标签、传感器自动化控制、公共场所烟雾探测器等，如图所示。
四、ZigBee技术
探究新知
例如，使用ZigBee技术，可以对矿井下的人员进行定位。矿井下人员通过佩戴基于Zig-Bee技术的定位卡，使得系统能对井下坑道作业工作人员精确定位，并能准确地提供井下人员的数量和分布情况，为事故处理和救援工作提供可靠的数据。
四、ZigBee技术
探究新知
拓展阅读——ETC(ElectronicTollCollectionSystem)全自动电子收费系统(ETC,ElectronicTollCollection),是智能交通系统的服务功能之一，它特别适合在高速公路或交通繁忙的桥隧环境下使用。高速公路收费处，有专门的ETC收费通道。车主只要在车辆前挡风玻璃上安装感应卡并预存费用，通过收费站时便不用人工缴费，也无须停车，高速通行费将从卡中自动扣除，实现自动收费。这种收费系统每车收费耗时不到两秒，其收费通道的通行能力是人工收费通道的5至10倍。
四、ZigBee技术
探究新知
其原理是利用车辆自动识别技术，通过路侧车道或门架上控制系统的信号发射与接收装置识别车辆上的“电子标签”,ETC车道计算机根据“电子标签”中存储的信息识别出车辆的基本信息，再根据车辆行驶情况从车主的银行卡中扣除通行费。
四、ZigBee技术
课堂总结
本节课我们学习了物联网的通信技术。短距离无线通信技术具有低成本、通信对等、低功耗的特征，主要包括Wi-Fi、蓝牙、NFC和ZigBee。我们通过搭建SIoT物联网平台实践了MQTT协议的发布/订阅通信过程，了解了蓝牙5.0、NFC三种工作模式和ZigBee的特点及应用。物联网通信技术让设备之间的协同工作更加方便快捷。
课后作业
(1) 完成表6-1蓝牙、Wi-Fi、NFC对比表，填写各自的优势和不足。
(2) 完成实践三RFID智能门禁，画出硬件连接图并写出主要代码。
(3) 查阅资料，找一找生活中还有哪些短距离无线通信技术，它们和Wi-Fi、蓝牙有什么不同。
板书物联网的通信技术 教学设计
课题 物联网的通信技术 单元 走进物联网
学科 初中信息科技 年级 八年级
教材 赣科版八年级上册 课时 第一课时
课型 理论+实践课 实践 SIoT平台搭建
教材分析
本课讲解物联网的网络层通信技术，聚焦短距离无线通信。教材先介绍物联网通信技术的多样性（有线/无线、短距/长距、局域网/互联网），然后重点讲解四种短距离无线通信技术：Wi-Fi（含MQTT协议和SIoT物联网平台搭建实践）、蓝牙、NFC（近场通信，与RFID的关系，三种工作模式）、ZigBee（紫蜂技术，IEEE802.15.4标准，矿井定位和ETC应用）。通过搭建SIoT平台、RFID智能门禁等实践活动，让学生理解物联网设备之间如何通过无线技术进行数据传输。最后通过对比表归纳四种技术的优缺点。
学习目标
信息意识：了解物联网通信技术在生活中的应用，感受物联网的发展为生活带来的便捷。
计算思维：通过搭建通信平台实践，理解MQTT协议和物联网通信过程。
数字化学习与创新：树立利用技术让生活变得更美好的理念，动手搭建物联网通信平台。
信息社会责任：了解物联网的通信技术，明白物联网如何与外部世界传递信息、控制设备。
重点
四种短距离无线通信技术（Wi-Fi、蓝牙、NFC、ZigBee）的特点和应用；MQTT发布/订阅机制；SIoT物联网平台搭建；NFC与RFID的关系。
难点
MQTT协议的发布/订阅机制理解；SIoT平台搭建过程；四种通信技术的对比选择；NFC三种工作模式。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 物联网连接的物体多种多样，涉及的网络技术也很多：可以是有线/无线网络、短距离/长距离网络、企业专网/公用网络、局域网/互联网。
短距离无线通信是在较小范围内通过无线电波传输信息的技术，具有低成本、通信对等、低功耗的特征。主要包括：Wi-Fi、蓝牙、NFC和ZigBee。 听讲，了解物联网通信技术全貌。
回忆自己用过哪些无线通信。 从宏观介绍通信技术分类，聚焦短距离无线通信。
一、Wi-Fi技术 1. Wi-Fi：允许电子设备连接无线局域网(WLAN)的技术，使用2.4GHz或5GHz频段，几乎所有手机、平板、电脑都支持。
2. 拓展：Wi-Fi HaLow（802.11ah，2016年），适用于小尺寸、电池供电的可穿戴设备，传输距离更远、功耗更低。
3. MQTT协议：物联网中传输消息的协议，基于客户端—服务器的发布/订阅模式。
4. MQTT原理：像邮局寄信——服务器是邮局，客户端既是发信人也是收信人，发布主题后订阅者收到消息。 记录Wi-Fi频段和特点。
理解MQTT发布/订阅机制：
发布者发消息到主题→服务器→订阅者收到。 从学生最熟悉的Wi-Fi入手，引入MQTT这一物联网核心协议。
实践一
搭建SIoT平台 1. SIoT：为教育定制的开源MQTT服务器，S代表科学(Science)和简单(Simple)，支持Win/Mac/Linux，一键启动。
2. 实践步骤：
（1）电脑连接Wi-Fi，获取电脑IP地址
（2）安装SIoT库：pip install siot
（3）启动SIoT服务器
（4）设备连接服务器，发布和订阅消息
3. 指导学生完成物联网设备间通信。 小组合作：
获取电脑IP→安装SIoT库→启动服务→测试消息收发。
体验MQTT发布/订阅。 动手搭建物联网通信平台，在实践中理解通信过程。
二、蓝牙技术 1. 蓝牙：短距离无线通信技术规范，为手机、耳机、电脑、鼠标、键盘、音响等设备提供安全简便的连接。
2. 历史：网盘普及前，人们用蓝牙在手机间分享图片、铃声。
3. 特点：设备普及、低功耗、可连接音频设备，但传输距离短、速率一般。 回忆蓝牙使用经历：蓝牙耳机、蓝牙传文件。
记录蓝牙优缺点。 结合学生经验理解蓝牙技术。
三、NFC技术 1. NFC（近场通信）：短距离高频无线通信，手机常见接口，互相靠近即可传输数据。由RFID演变而来。
2. 应用：手机登机验证、门禁钥匙、公交一卡通、电子支付。
3. NFC与RFID：RFID由阅读器和标签组成，只能读取信息；NFC手机内置芯片，可当RFID标签使用，还能双向通信。
4. 三种工作模式：
主动模式：NFC设备主动扫描其他设备
被动模式：模拟成卡片（刷公交、手机支付）
双向模式：两个NFC设备交换数据 回忆刷手机乘公交、移动支付经历。
理解NFC与RFID的关系。
区分三种工作模式。 从手机支付和公交卡切入，理解近场通信。
对比实践 1. 布置对比任务：表6-1对比蓝牙、Wi-Fi、NFC。
2. 对比参考：
蓝牙：优势——普及、低功耗、连音频；不足——距离短、速率一般
Wi-Fi：优势——速率高、连多设备、覆盖大；不足——功耗高、配置复杂
NFC：优势——距离极短、安全、一碰即连；不足——距离极短（<4cm）、速率低
3. 实践三：RFID智能门禁——利用RFID阅读器模拟刷卡开门。 填写对比表。
讨论：不同场景该选哪种技术？
体验RFID刷卡开门。 通过对比加深理解，RFID门禁实践将理论用于实际。
四、ZigBee技术 1. ZigBee（紫蜂）：短距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术。名字来自蜜蜂舞蹈（蜜蜂采蜜时跳舞传递位置信息）。
2. 标准：IEEE 802.15.4，工作频率2.4GHz（全球）、868MHz（欧洲）、915MHz（美国），最大速率250Kbps。
3. 应用：家庭楼宇网络、智能标签、传感器自动化、烟雾探测器、矿井人员定位。
4. 矿井定位：矿工佩戴ZigBee定位卡，系统精确定位井下人员位置和分布。 记录ZigBee特点。
理解"紫蜂"名字由来。
了解矿井定位应用。 介绍工业领域的短距离通信技术，拓展视野。
拓展阅读
ETC 1. ETC（电子不停车收费系统）是智能交通系统的服务功能。
2. 原理：路侧设备发射信号识别车辆上的电子标签，车道计算机根据标签信息识别车辆，自动扣费，车辆无需停车即可通过收费站。
3. ETC也是物联网通信技术在交通领域的典型应用。 回忆高速ETC通行经历。
理解车与路侧设备的通信过程。 从身边ETC案例理解物联网通信。
课堂总结 本课学习了物联网的通信技术。短距离无线通信具有低成本、通信对等、低功耗特征，主要包括四种：
Wi-Fi：高速率、广覆盖，适合大量数据传输
蓝牙：低功耗、音频连接，适合耳机键鼠
NFC：极短距离、安全，适合支付和门禁
ZigBee：低速率、低功耗，适合传感器网络
我们通过SIoT平台实践了MQTT发布/订阅通信过程。 回顾四种技术特点。
完成对比表。 总结对比，形成知识体系。
课后作业 （1）完成表6-1蓝牙、Wi-Fi、NFC对比表。
（2）完成RFID智能门禁实践，画出硬件连接图和主要代码。
（3）查阅资料，找生活中还有哪些无线通信技术（如LoRa、紫蜂、4G/5G）。 完成作业。 巩固对比分析能力，延伸探索。
板书设计
第6课 物联网的通信技术
短距离无线通信：低成本、低功耗、通信对等
Wi-Fi（2.4/5GHz）→ MQTT协议 → SIoT平台
蓝牙（耳机/键鼠）/ NFC（支付/公交，<4cm）/ ZigBee（IEEE802.15.4，250Kbps）

展开更多......

收起↑