资源简介

(共21张PPT)
八年级《物联网实践与探索》
第五单元　　第21课
文物保护新手段
2
学习目标
博物馆展柜监测任务
以一只展柜为例，了解物联网如何帮助工作人员掌握环境变化。
02
01
认识应用
从文物保护案例中找出物联网监测与管理的用途。
02
设计原型
按采集、传输与存储、分析、反馈与控制分解任务。
03
验证与迁移
用温湿度样本和运行记录验证方案，提出一项扩展。
3
情境导入
博物馆闭馆后，工作人员无法一直守着展柜，但展柜里的温湿度和光照仍可能变化。
03
纸质文物展柜场景
小林：夜里湿度突然升高，第二天才发现怎么办？
小雨：可以让传感器一直测量，超出范围时及时提醒。
思考：展柜环境需要监测哪些数据？发现异常后，系统可以做什么？
4
文物保护
文物保护中的物联网
观察故宫、秦始皇帝陵与莫高窟的案例，比较物联网在不同保护场景中的作用。
04
教材案例 物联网的用途
故宫博物院 监测与调控环境，支持数字化管理和定位。
秦始皇帝陵博物院 监测与调控环境，智能导览改善参观体验。
敦煌莫高窟 监测洞窟环境变化，预警自然威胁。
电子标签便于查询和追溯，连续记录可为研究与云端展示提供数据。
5
活动一
活动：现场测量与联网监测
对照图21.1：工作人员到展柜旁查看，与联网后远程查看，获取信息有什么不同？
05
普通温湿度计
现场温湿度计
人到现场看当前读数；不能自动留下连续记录。
联网监测系统
定时采集→上传保存→远程查看；异常时还能提醒。
本课的监测对象
先测展柜温度、相对湿度，再考虑光照等其他项目。
还可选择光照、烟雾或二氧化碳浓度，取决于保护需求。
6
活动二
展柜监测的功能需求
请先根据“应实现的功能”推测怎样检验，再单击核对示例。
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需求环节 应实现的功能 验证方式
采集数据 实时获得温度与相对湿度。
传输与存储 把读数发到平台并保存。
分析处理 看曲线和阈值，找出异常。
反馈与控制 显示读数，超限时调节。
同一条记录可以同时用于本地显示、上传和阈值比较。
主控板读数会更新。
平台收到并留下记录。
指出哪次、哪项超限。
比较设备开关与预期。
7
功能实现
设备与平台的分工
把设备和平台放进“采集—传输与存储—分析—反馈与控制”的流程中。
07
展柜环境监测节点
传感器和主控板
传感器测量，主控板读取、显示并联网发布。
物联网服务平台
接收、保存温湿度记录，提供图表查看。
控制设备
主控板比较本次读数与阈值，发出调节信号。
环境被调节后，再测一次，就能判断是否回到设定区间。
8
设定阈值
纸质展柜的温湿度区间
教材使用18～22 ℃、50%～60%RH作为教学示例；正常范围包含上下限。
08
温度
低于下限
区间内
高于上限
18 ℃
22 ℃
相对湿度
低于下限
区间内
高于上限
50 %RH
60 %RH
22 ℃、60 %RH 均在示例范围内。实际阈值依据文物材质和保存方案。
9
算法设计
温控和湿控的分支流程
设置无线网络和平台后，循环读取、上传、判断与控制。
09
获取温湿度
上传到平台
判断温度
判断湿度
再次采样
温度在区间内？
是 · 关闭空调
否 · 开启温控
湿度在区间内？
是 · 关闭恒湿器
否 · 开启湿控
两项各自判断。温度正常时，湿度超限仍要调节。
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任务一
先接温湿度传感器，再连接主控板输出端口，最后配置无线网络与物联网平台。
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数字温湿度传感器
P0 读取
温湿度传感器采集两项环境数据。
P1 与 P2 输出
分别对应空调、恒湿器的继电器控制信号。
网络和平台
先设置无线网络，再配置服务平台和主题。
课堂用低压指示灯模拟设备开关，蜂鸣器负责提醒。
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任务二
读取、显示与记录温湿度
主控板读取温湿度、在OLED显示后，按相同时间间隔记录A展柜的5次数据。
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采样顺序 环境位置 温度（℃） 相对湿度（%RH）
第1次 A 展柜 21 55
第2次 A 展柜 22 60
第3次 A 展柜 24 47
第4次 A 展柜 23 48
第5次 A 展柜 22 55
教学示例。读数在屏幕上更新后，仍需验证平台是否收到记录。
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任务三
通过 MQTT 发布温湿度
主控板连接网络后，循环读取温湿度，并通过MQTT主题发布每次读数。
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PYTHON · 图21.5 关键片段
import time
from educore import (mqttclient, dht,
oled, pin, speaker, wifi)
p1, p2, s1 = pin(1), pin(2), speaker()
t = h = 0
while True:
temp, hum = dht(0).read()
oled.print("温度:" + str(temp)
+ "\n湿度:" + str(hum))
mqttclient.publish(topic="主题ID",
content=str(temp) + "," + str(hum))
topic
填写平台上设置的主题 ID。
content
用英文逗号分隔两项读数，如 24,47。
平台核对
可以用两个主题，也可在同一主题下分字段保存。
图21.5关键片段。运行前配好设备库、网络和平台。
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任务四
用图表找出超限读数
观察第1～5次温度和相对湿度曲线，对照18～22 ℃、50%～60%RH找出异常。
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深绿线表示读数，金色虚线表示上下限。可用平台图表、电子表格或 Python 绘图。图中使用教学示例数据。
第3、4次温度超上限、湿度低于下限，第5次两项恢复。
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任务五
温控和湿控分别执行
超限就启动该路调节并累加，恢复区间内就关闭并清零。
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温度控制 · P1
if temp > 22 or temp < 18:
p1.write_digital(1)
t += 1
else:
p1.write_digital(0)
t = 0
湿度控制 · P2
if hum > 60 or hum < 50:
p2.write_digital(1)
h += 1
else:
p2.write_digital(0)
h = 0
t 记录温度连续异常次数，h 记录湿度连续异常次数。
两段代码都放在循环内。高温降温、低温升温，偏干加湿、偏湿除湿。
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异常提醒
连续超限才触发报警
t、h分别计算温度和湿度连续异常的采样次数，任一路达到30次就提醒。
15
PYTHON · 循环内关键片段
if t >= 30 or h >= 30:
s1.tone(freq=1000, dur=1000)
time.sleep(1)
任一路达到门槛，蜂鸣器发声。
程序每轮等待 1 s，实际轮次还包含读数、传输等操作。
第1次异常
t = 1　h = 1
再采28次
t = 29　h = 29
湿度恢复后再采一次
t = 30　h = 0
任一路计数达到 30 就报警。实际时长需单独计时。
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巩固练习
活动：博物馆环境值班员。按照教材示例的规则，检查链路、校准阈值并定位异常。
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01
接通监测链路
把设备卡放入对应环节。
02
校准展柜阈值
调整两组上下限，用边界样本检验。
03
处理持续异常
观察采样计数，提交检查单并复测。
A 展柜
3 关
开始挑战
通关后切回第17页
可拖放或点击设备卡。错位或误判时会显示原因。
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互动复盘
观察记录表：湿度已经恢复到55%RH，为什么蜂鸣器仍在报警？
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采样阶段 温度（℃） 湿度（%RH） t / h 控制与报警
首次异常 24 47 1 / 1 两路启动，未报警
再采28次 24 47 29 / 29 两路持续，未报警
湿度恢复后再采 24 55 30 / 0 只剩温控，报警
处理后复测 22 55 0 / 0 两路关闭，解除
温度连续超限达到30次。优先检查温控通道。
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拓展提升
同样的监测方法也能用于古建筑。先确定要发现什么变化，再选择传感器和判断规则。
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古建筑结构监测场景
博物馆展柜
可增加光照监测与异常提醒。
室外古建筑
可关注位移、沉降、倾斜或振动。
本地考察
了解博物馆、校史馆已有的监测，再提出改进。
同一种系统设计方法，可以迁移到不同保护场景。
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课堂小结
参照本课的展柜监测原型，设计一项光照异常提醒，并说明怎样验证。
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示例 · 展柜光照异常提醒
监测量
展柜光照强度
设备
光照传感器
规则
高于设定上限时提醒
验证
输入正常与偏高读数，检查提醒状态
记录阈值依据和验证方法，形成一份可检查的方案。第21课 文物保护新手段（教学设计）
授课信息
单元 第五单元
物联网
应用探索 课题 文物保护新手段 课时 1课时
学段／课型 八年级
新授课 授课时间 授课教师
教学分析
一、
学情分析 学生已在物联花盆项目中体验数据采集、传输、可视化与阈值控制。容易把一次超限和持续异常混在一起，也容易把本地显示当成数据已上传。本课用展柜案例迁移已有经验，通过分支流程和连续采样记录区分各环节。
二、
教材分析 本课是八年级《物联网实践与探索》第五单元“物联网应用探索”的起始课（教材第103—109页）。先认识文物保护中的物联网应用，再按功能需求、设备与平台、算法和验证实施展柜环境监测，为后续健康等领域的项目实践作准备。
三、核心
素养目标 信息意识 能说出连续监测与人工巡检的区别，列出展柜需要关注的环境数据。
计算思维 能按四个环节分解系统，依据温湿度上下限独立判断，并解释持续异常报警的条件。
数字化学习
与创新 能用传感器或离线仿真验证监测链路，解读固定点位的温湿度记录并提出改进。
信息社会责任 能区分教学示例与实际保存要求，在考察或设计时尊重馆方规定、如实标明数据来源。
四、
教学重点 1．分析展柜监测的功能需求，选择合适的设备和平台。 2．理解温、湿度判断、执行器调节和持续异常提醒。
四、
教学难点 1．准确处理上下限边界，跟踪两路连续异常计数的增加与清零。
五、
教学方法 1．情境分析、流程拼装、示例推演与仿真验证。 2．课前准备温湿度传感器、主控板和显示设备；有条件时预配网络和物联网服务平台。下载 PPT、HTML 放在同一文件夹，缺少硬件时可投屏演示教学仿真。
六、
教学过程 教学内容 设计意图
新课导入 纸质文物展柜的监测任务 【教师】展示展柜。提问“闭馆后柜内环境变化，工作人员怎样及时知道？”预设回答“传感器连续测量，经网络发送数据，异常时通知或调节”。引出本课项目。 【学生】从温度、湿度、光照和空气等方面说出一项需关注的变化。 从连续观察的需求引出物联监测。
新课讲授 21.1 物联网在文物保护中的应用 【教师】对照教材案例。故宫博物院开展环境监测、数字化管理与定位，秦始皇帝陵博物院监测环境并提供智能导览，敦煌莫高窟监测洞窟环境并预警。补充电子标签便于查询、追溯，历史数据可支持研究和云端展示。 【学生】选择一例说出“采到什么信息、能帮助解决什么问题”。 认识实时监测、管理和数据利用的不同用途。
新课讲授 21.2 学习活动1 认识系统功能 【教师】比较普通温湿度计与联网监测系统。普通温湿度计便于现场读数，联网系统可连续上传、存储、远程查看并联动控制。其他监测量可按需选择光照、烟雾和二氧化碳浓度。 【学生】小组选定“展柜温度和相对湿度”，解释持续记录怎样帮助值班人员发现异常。 确定课堂原型的监测对象和问题。
新课讲授 学习活动2 需求、功能实现与算法 【教师】引导填写表21.1并参考表21.2。传感器采集，主控板联网发布，平台存储与绘图，主控板比较当前值与阈值，再输出调节信号。结合图21.2—21.4补全流程。 【学生】在设置网络与平台后，排出“获取—上传—判温度—判湿度—再次采集”。用纸质展柜示例范围 18 至 22 ℃、50 至 60 %RH，判断22 ℃、60 %RH均在区间内，空调和恒湿器均无需启动。 从功能需求落到设备、平台与分支算法。
六、
教学过程 教学内容 设计意图
新课讲授 学习活动3 任务1和2 搭建、采集并显示 【教师】示范选用温湿度传感器和主控板。按教材示例，传感器接 P0，P1、P2分别输出给空调和恒湿器的继电器控制接口，蜂鸣器用于提醒。按设备说明完成连接，课堂可用低压指示灯模拟负载。先配无线网络，再配物联网服务平台。 【学生】在固定点位先读取再显示温湿度，按表21.3记录位置、温度和湿度。教学示例 A 展柜等间隔记录五组（℃，%RH），依次为（21，55）、（22，60）、（24，47）、（23，48）、（22，55）。 将传感器读数转化为带有位置和采样顺序的可分析记录。
新课讲授 学习活动3 任务3 传输与存储 【教师】讲解 topic 是平台配置的主题 ID，content 是发送内容。示例把两项数据放在同一主题中，以英文逗号分隔，如“24,47”。也可按平台设置使用两个主题或不同字段。 temp, hum = dht(0).read() oled.print("温度:" + str(temp) + "\n湿度:" + str(hum)) mqttclient.publish( topic="主题ID", content=str(temp) + "," + str(hum) ) 【学生】对照显示与平台记录，指出先连网络再连平台。替换主题 ID 后核对发送内容与平台字段。片段需配合设备库、网络与平台配置。 区分设备端显示与联网发布，读懂主题和消息内容。
新课讲授 学习活动3 任务4 处理与分析数据 【教师】用 A 展柜的两条折线与上下限对照。可选平台图表、电子表格或 Python 可视化。 【学生】找出第3、4次温度过高、湿度过低，第5次两项回到示例范围。说明为什么应比较同一位置连续记录。 用趋势和阈值共同说明异常，避免只看某次读数。
六、
教学过程 教学内容 设计意图
新课讲授 学习活动3 任务5 反馈控制与持续异常提醒 【教师】说明实际阈值应依据文物材质和保存方案。温度低于 18 ℃ 或高于 22 ℃ 时启动温控，相对湿度低于 50 %RH 或高于 60 %RH 时启动湿控。两路分别判断，恢复正常时停止对应调节并清零。 # t、h 分别记录连续超限次数 if t >= 30 or h >= 30: s1.tone(freq=1000, dur=1000) time.sleep(1) 【学生】解释“任一路连续超限达到30次就报警”。结合图21.5说明30是循环计数门槛。右栏的半小时是另一项设计需求，真实系统可按实际经过时间计时。 分清边界、两路独立控制、计数与时长。
巩固提升 博物馆环境值班员（教学仿真） 【教师】在 PPT 第16页点“开始挑战”。提示学生用采样记录说明哪一路异常，遇到错位或误判时根据反馈修改。通关后切回第17页。 【学生】先拖放设备卡接通监测链路，再调整温、湿度上下限并运行样本。值班时先采集一次24 ℃、47 %RH，再快速采集28次。随后湿度恢复至55 %RH，温度仍为24 ℃。根据温度计数30、湿度计数0，提交“检查温控通道”，再复测。 【评价】能用样本验证边界，解释为什么湿控已停但仍报警。 通过可观察的设备状态和计数核验算法。
新课总结 监测、判断和调节的循环 【教师】请学生用“采集—传输与存储—分析—反馈与控制”复述系统工作过程。 【学生】说明持续超限时先看哪路计数，再核对该通道的执行设备和环境变化。 提炼可迁移的物联网问题解决方法。
作业布置 增加一项监测功能 【教师】请为展柜加一项监测，如光照异常提醒，或考察本地博物馆、校史馆后提出升级方案。提示古建筑还可关注位移、沉降和倾斜。 【学生】用“监测量—设备—规则—验证”写方案。可查阅某类文物的保存要求，标明阈值依据与验证方法。 把系统设计方法迁移到文物保护的新任务。
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