第2单元 第3课《物联网系统和反馈控制 物联网系统的搭建》教案 清华大学版信息科技八年级上册

第2,3课《物联网系统和反馈控制一物联网系统的搭建》教学设计

课题物联网系统和反馈单元第二单元学科信息科技年级八年级

控制一物联网系统

的搭建

1.信息意识：能够了解物联网系统搭建流程，以及理解数据在物联网中的重要性，能

够识别和获取有用的数据。

2.计算思维：能将复杂的物联网系统问题分解为更小的可管理部分，理解MQTT服务

核心素器搭建、物联网系统搭建流程等的操作原理。

养目标3.数字化学习与创新：可以在学习完物联网系统搭建流程、MQTT服务器、MQTT客户

端编程后结合所学进行简单的物联网应用搭建。

4.信息社会责任：在设计和实施物联网系统时，能够考虑其对社会和环境的影响并确

保技术的公平使用，避免数字鸿沟和不平等现象。

教学重点认识数据如何获取信息并了解数据在生活中的应用。

教学难点掌握获取数据背后信息的方式并能有效地帮助更好的生活等。

教学过程

教学环节教师活动学生活动设计意图

第2.3课《物联网系统和反馈控制一物联网系统的

搭建》

板书课题。

1.本课中你将学习：学习新知引初步明确本课所

物联网系统搭建的流程是什么入有知识点。

如何设置MOTT服务器

如何对MOTT客户端进行编程

导入新课

2.前面我们已经学习了很多的物联网知识，是

时候大显身手真正动手搭建一个完整的物联网应用

了。这一课将从省建物联网服务器开始，选择合适

的物联网终端、传感器和执行器，搭建一个简单而

又完整的物联网应用系统模型。

3播.放视频观看教学视将学生的注意吸

频。引到课堂。

新知讲解：

讲授新课

板书课题。

一、物联网系统搭建流程

搭建一个物联网系统，需要经历物联网服务平台选学习物联网初步学习物联网

择、智能终端选择编程语言选择三个阶段，如图系统搭建流系统搭建流程，

2.3.1所示。程。明确几大步骤，

—j■♦■.a为本课研究打下

O本taaiftOO

O问平8OArSiFOOMifXl*基础，并锻炼学

o行空板

Ow生的学习能力和

02.3.1物联网系统搭建流程示意观察能力。

1.物联网服务平台的选择

通过对“MQTT通信机制”的学习，我们知

道控制端与被控制端的通信需要服务器进行中转。

这个中转站统称为“物联网服务平台”，它可以提

供设备管理、数祸存储、数据处理及数据分析等服

务。作为个人用户，我们可以直接使用网络上已经

搭建好的物联网服务平台，以实现智能终端与网络

甚至是手机端的连接。除了网络平台，我们还可以

选择在本地建立服务器，将数据存储在本地。

常见的物联网服务平台有OneNET、阿里云

等，我们也可以在本地自建MQTT服务器。某物联

网服务平台的产品管理界面如图232所示。用户登

录这些平台后便可以设置物联网项目，将各种智能

终端采集到的数据上传到该项目中，通过软、硬件

结合，搭建一套物联网信息收集系统。

OneNET和阿里云虽然功能强大，但其用户主要是

企、也，不适合为中小学的物联网教学提供服务。SIoT

是一个开源MQTT服务器，它拥有数据接收、存储

和导出等功能，支持多种操作系统，无须部署、

键运行，尤其适用于中小学的物联网教学。

S】oT的使用方法非常简单。软件运行后，不

需要任何注册和设置，利用特定"Topic”的名称（“项

目名称/设备名称”），就能自动在数据库中添加预忖

和设备名称，并洛消息数据存入数据库。

2.智能终端的选择

如果仅仅需要完成简单的数据采集工作，大

部分开源硬件都能胜任。在将数据上传至物联网时,

有的开源硬件需要外接联网模块，而有的开源硬件

则自带了Wi-Fi功能，如ESP32、ESP8266等芯片

都已经提供了联网功能，使用很方便。但如果想要

实现更加复杂的溶音、录像功能，则需要选择功能

更丰富的智能终端。

3.编程语言的选择

我们一股使用功能强大且较为主流的Python

语言进行编程，对于部分基于C语言进行编程的智

能终端，可以借助pi叩。ng库直接在计算机端运行

Python代码，通过串口进行通信，便可实现感知和

控制。

知识拓展

1、搭建物联网时，对物联网服务平台选择、智能终学习知识拓拓宽学生知识体

端选择、编程语言选择有哪些要求和注意事项？展。系。

二、MQTT服务器搭建

MQTT是物联网应用的核心协议，之前介绍的几种学习MQTT引导学生学习

物联网服务平台它们的共同之处是都使用MQTT协服务器搭建MQTT服务器搭

议来完成物联网信息传输。接下来就以SIoT为例，建，并图文结合

在局域网中搭建一个私人的MOTT服务器。详细地介绍每一

1.运行服务器程序步操作，加深对

以windows操作系统为例，下载与当前操作本课知识内容的

系统匹配的SIoT程序双击运行执行文件，屏幕会弹理解和掌握。

出命令提示符窗口，如图2.3.3所示。这个窗口显示

的是服务器后台运行的细节，在整个过程中，不要

关闭窗口，否则服务器进程也会•同关闭。

SIoTIsdesignedbyDFRobot

Version:1.3

本机IP(v4):192.16S.1L・

I：作戊柞取：4…

新客户中连接门127.00.1:58591as6112731027908127789(cl.W).

邦方户瑞山拉「I:58592as7708295150518375787(cl.

2.访问Web管理端

SIoT提供了Web管理功能，即SIoT在启动

MQTT服务的同时，还启动了Web服务。SIoT的

运行窗口中列出了本机的I地址，我们可通过这个

IP地址访问自己的Web服务器。

SIoT的Web服务器的默认端口号为8080。如图2.3.4

所示，我们在浏览器中输入http:〃本机IP:8080,即

可访问服务器的网页管理端。如果在本机访问，使

用http://localhost:8080和http:〃:8080,也

能够顺利访问。

lO'l"

知识拓展

1、MQTT协议的操作原理是什么？

学习MQTT引导学生学习本

三、MQTT客户端编程

客户端编程课第三点知识内

MQTT的官方团队提供了很多编程语言的MQTT客

内容。容，并结合多种

户端范例,包括C++、VisualBasicPython等,对

案例进行内容讲

干Python语言,最常用的库是采用MQTT协仪的

述，让理论知识

siolo

siot库最大的特点是同时支持Python和更加生动、易懂。

MicroPython,代码简洁且容易理解，通过pipinstall

siot命令即可完成安装。

1.MQTT消息的发送

发送一条MQTT消息，首先要连接MQTT

服务器。SIoT连接参数的关键代码如下，在实际编

写过程中可以将代表本机IP地址的,替换

成局域网内运行SIoT服务的计算机IP地址，

IOT_pubTopic可自行命名。

-------------------------------------------

嘉品―—

IOT_pubTopic-txzr/001,♦topic为*H%称，设itX称

lOT.UserN6g♦用户，

IOT_PassWord-,dfrobot,■的PJ

siot.init(CL；ENT_ID.SERVER,user-XOT_UsarNamer

password*IOT_PassWord)

slot.connect<)

然后，使用publish发送消息。其中，lOTpublbpic

是消息的主题名称，SIoT中可以自行定义这个主题

的名称，testOOl、value是消息的内容。下面代码的

功能是每隔1秒向服务器发送一次消息。

2.MQTT消息的订阅

siot采用回调函数的方式来处理消息的牙阅

过程。以下面的代码为例，siot.subscribe的两个参

数分别是要订阅的消息名称(I0TpubTopic)和接收

到消息要运行的回调函数名称(subeb)。当名称等于

变量lOTpubTopic的主题接收到消息时，就会之行

一次回调函数subebo

defsub_cbclient,useniata,ir^g):，同词由费

print("Tcpici^str(msg.topic)Message;"+atr(msg.payloedl)

siot.subscribe(ICTjxibTcpic,sub_cb)

siot.loopO

回调函数subcb默认的三个参数中，关键参数是

msg,msg.topic为消息的主题，msg.payload是收到

的消息内容。代玛中的sub_cb函数，仅仅是将收到

的消息打印出来。常见的做法是将收到的消息内容

放在一个全局变量中，然后再用其他函数进行处理。

如下面的代码片段中，回调函数iotsubscribe将备收

到的消息存到了一个字典变量msgm叩中。

r$g_ntap=|)

defiot-subscribe(client,userdata,nag)：

globalasg_iExp

ir.sg_mapfstr(nsg.topic)正由伟sg,payload.decode(”

sict.subscribeCCT^ubTopic,ictjubscribel

slot.loop(j

阅读

回调函数，顾名忠义就是一个被作为参数传递的函

数。将函数B作为参数传到函数A里，当函数A执学习回调函完善教材所提及

行完成后，再执行传进去的函数B,这个过程就叫数。的知识点内容，

作回调。引导学生进行知

3.物联网终端设各的协同工作识体系的拓展和

物联网系统的各个终端设备要实现协同工深化。

作，依靠的是基于消息主题和内容的“协议”。这

里的“协议”是指一个约定的规则，如共同订阅什

么主题的消息，消息内容分别代表什么含义等。以

一个物联网灌溉系统为例，智能终端订阅TopicID

为wz/001的主题消息，当接收到的消息值为“5”

时，就打开电磁阀5秒；当接收到的消息值为“0”

时，就关闭电磁阀。而给TopicID为wz/001的主题

发送消息的既可以是手机App,也可以是另一个终

端，如负责数据处理和协同工作的程序。

探索

1、通过前面的学习，相信大家对物联网技术

已经有了较深入的了解，现在同学们可以尝试动手完成课堂探通过探究的模式

搭建一个简单的物联网应用了，比如LED的远程控究练习。加深对所学知识

制。请同学们使用一台计算机作为MQTT服务器，的全方位灌输，

采用一款开源硬件作为智能终端进行实践。增强课堂互动性

2、请以小组为单位，通过“搭建一个简单的和趣味性。

物联网应用”活动，加深对物联网的理解，撰写研

究报告，并制作PPT进行交流分享。

（出示“搭建一个简单的物联网应用”研究报告）

四、课堂练习

选择一种物联网服务平台，如果是本地自建的服务

器，请通过测试确保其能够正常使用。结合前面对完成课堂练考查学生的学以

物联网智能终端、通信、感知控制的学习，根据已习。致用能力，知识

拟定的项目方案，搭建一个简单的物联网应用并填转化和落地能

写表2.3.1。力，在课堂练习

表2.3.1项目实施记录表考察中进行查漏

搭建的物智能温湿度监测系统补缺。

联网应用

名称

选择的物ThingSpeak

联网服务

平台

微控制器:ESP8266

温湿度传感器：DHT11

硬件清单

面包板：用于连接电路

跳线：用于连接各个组件

代码编程见ppt

通过ThingSpeak平台，可以实时

实现效果监测温湿度数据，并在网页上杳

看。

五、拓展延伸进行课外知拓宽学生