传感器与传感网技术应用 教案 项目八 深井水位监测系统

《传感器与传感网技术应用》课程教案《《传感器与传感网技术应用》授课教案授课教案北京新大陆时代教育科技有限公司《传感器与传感网技术应用》课程教案《传感器与传感网技术应用》课程教案学年度第学期项目名称项目八智能交通灯系统授课教师授课时间课题名称任务一NB-IoT模块初始化授课班级授课人数课时4教学目标知识目标掌握LoRa、NB-IoT等LPWAN组网技术的原理、特点、选用方法；理解NB-IoT技术的布署、状态、工作模式及特点；能力目标掌握lierdaNB模组的引脚定义及和主芯片的连接方式，具备NB-IoT网络的组建能力；掌握应用AT指令完成NB模组的检测、入网连接、状态检测的方法。素质目标1.培养开阔灵活的思维能力、积极主动的探索精神；2.培养善于沟通、自我表达、互相协作的团队意识；3.使同学们具备严谨细致的工作态度；教学重点LoRa、NB-IoT等LPWAN组网技术的原理、特点、选用方法；掌握应用AT指令完成NB模组的检测、入网连接、状态检测的方法。教学难点理解NB-IoT技术的布署、状态、工作模式及特点；教法学法问题讨论法、讲授法、任务驱动法等。教学手段资源PPT、图片。学情分析使用教材《传感器与传感网技术应用》教学环节（时间分配）教学内容与教师活动学生活动设计意图教学手段引导案例（10min）1.关注地下水位数据监测引导学生了解、关注地下水位监测的重要性，引入对深井水位采集系统；听讲，形成对地下水位监测和系统构建重要性的认同；使学生对系统构建产生兴趣；PPT22.了解深井数据采集系统A.简要分析系统结构和性能；B.组织学生讨论各部分的功能、工作过程，引导作答，进行校正和系统整理；C.深入说明系统的安装、测量方式和面向云平台的数据集中处理系统；结合讲解和讨论、作答理解系统的结构、工作过程；听讲，建立对系统的细节和面向云平台的模式的理解；掌握地下水位数据采集系统的结构、工作过程和具体实现部分细节的了解；PPT23.搭建模拟深井数据采集系统A.说明系统的实施思路；B.播放项目功能演示视频，引导学生关注实现方式、相关技术和要点；C.归纳整理项目的学习内容和本任务要达成的目标；听讲解的过程中同步观察、分析系统的组织和实现的功能，了解本任务的学习目标；使学生建立对系统的清晰深刻的印象，明确学习目标。PPT3任务解读（10min）任务一NB-IoT模块初始化1.说明本任务的职业能力目标，对其中相关的术语进行简单说明；听讲，理解各项能力目标所述内容和相关术语，初步形成对网络体系的认知；使学生清晰认知本任务的学习目标，初步形成对NB-IoT网络体系的认知；PPT4-52.任务描述与任务要求A.说明任务来源和目标、系统的设计及系统结构：深井测水装置设置、网络式的布署；基于中国电信网的LPWAN的应用，加深对系统体系的认识；B.归纳各项任务要求，简单说明各项学习内容和学习思路；听讲，理解教师所讲内容，关注系统的设计与构建；关注系统网络式布署体系；理解各项任务要求；使学生明确任务的内容和要求，明确学习内容和学习思路；3.任务分析与计划A.梳理计划的大体流程；B.解读完成任务的各项具体工作；听讲，深入理解任务实施的相关细节，明确各项工作的内容；使学生明确本任务相关的各项工作，进一明确学习内容；了解低功耗广域网LPWAN（10min）1.低功耗广域网LPWAN简介A.简单解读其出现、特点；**引导学生结合生活实践和观察图8-1-1，讨论总结WiFi、蓝牙等组网技术的性能和特点：速度、覆盖范围、场景；**强调LPWAN的速度和覆盖情况，导出并强调LPWAN的性能和应用；听讲，参与讨论、作答，及时关注教师强调的部分；明确LPWAN的性能、应用和与WiFi、蓝牙等组网技术的区别，能够区分几种技术的应用和选择；PPT8-9B.LPWAN的分类的简要说明（1）工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术；（2）工作于授权频谱的，3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术；听讲，建立两类技术的名称、频谱的区分；理解SPI串行通信的原理、过程、特点和应用；PPT101.LoRa技术（20min）**LoRa的初步了解来源、扩频、广泛应用、通信标准、费用支付情况；(1)LoRa网络架构简单说明网络结构；组织学生观察网络的构成；详细终端节点的形态、入网方式；解读网关组网的方式及数据处理体系；听讲，了解记忆LoRa的背景知识；结合解读和观察，理解LoRa网络架构；识别各类终端节点，理解其入网方式；理解教师的分析，掌握网关的作用和数据处理过程；掌握LoRa的网络结构、终端节点形态和入网方式以及组网方式和数据处理方式；PPT11-13（2）Lora技术的特点①改善接收灵敏度，实现低功耗、远距离传输。②支持多信道、多数据速率的并行处理，系统容量大。③基于终端和连接器/网关的系统支持测距和定位。**教师结合实例的具体指导，对三个特点的各项指标进行分项解读；通过实例印证，理解三个特点的各项指标；掌握Lora技术的三个特点相关各项指标，加深对LoRa的认识；PPT14-152.NB-IoT技术（90min）**NB-IoT的初步了解简单说明广泛应用、通信方式、与5G的关系、来源；(1)NB-IoT的演进历程A.来源、通信模式深入说明；B.演进过程引导观察演进过程，初步认识；归纳演进过程中的重大事件；C.标准演变逐步说明NB-IoT标准的冻结、R13~R14各项标准；听讲，了解记忆NB-IoT的背景知识；理解解读，掌握NB-IoT演进过程、标准演变；掌握NB-IoT的背景知识、NB-IoT演进过程和标准演变；PPT17-22（2）NB-IoT网络架构①终端UE（UserEquipment）②无线网侧eNodeB（evolvedNodeB,E-UTRAN基站）③核心网EPC（EvolvedPacketCore）④IoT云平台⑤应用服务器AP（ApplicationServer）**结合实例解读网络的整体结构、各部分结构和入网方式；**CoAP通信协议功能简介和物联网中应用说明；通过实例印证，理网络结构和各部分组成和入网方式、通信协议的使用情况；通过实例印证，理网络结构和各部分组成和入网方式；对CoAP通信协议的应用；PPT23-28(3)NB-IoT的关键技术①NB-IoT的布署方式I.ST-独立部署模式**解读布署图，总结布署特点：运营商、频带设置、GSM基站；II.GB-保护带部署模式**解读布署图，总结频带分布；III.IB-带内部署模式**解读布署图，频带分布总结；按指导，有效进行布署图识图分析，听讲，理解三种布署的方式和特点；掌握三种布署的方式和特点PPT29-31②NB-IoT设备的状态转换与工作模式I.连接态(Connected)II.空闲态(Idle)III.节能态（PSM）**解读状态、数据处理和响应特点；听讲，按指导有效进行状态转换图识图分析和理解，理解状态转换过程和各种状态的工作方式、响应过程及特点；掌握各种状态的工作方式、响应过程及特点，建立系统状态转换模式体系；PPT32-35**DRX、eDRX、PSM三种工作模式及功耗：I.DRX-不连续接收工作模式II.eDRX-扩展不连续接收工作模式III.PSM-省电工作模式**解读各种模式的状态细节、数据处理、响应和功耗；**解读三种模式的应用；听讲，按指导进行各种工作模式的图示分析与理解，理解各种模式的功耗；理解和掌握三种模式的适用情况和选择方式；掌握各种工作模式的情况和特点；理解和掌握三种模式的适用情况和选择方式；PPT36-39**NB-IoT终端的实物A.TI出品的NB-IoT终端B.新大陆NB-IoT模块按指导，完成实物观察和认识；知道NB-IoT终端；PPT40(4)NB-IoT技术的优点①广覆盖②低功耗③低成本④大连接⑤授权频谱**解读各特点涵盖的指标；听讲，理解教师关于NB-IoT技术的优点的讲解；掌握NB-IoT技术的优点及各项指标的含义；PPT41-44(5)NB-IoT的应用通过经典案例的体系和应用场景说明，引导同学们加深对物联网应用的认识；结合指导观察图示场景，总结技术应用情况；掌握NB-IoT的典型应用和选择方法；PPT45-463.LoRa和NB-IoT的比较（10min）解读两种技术频谱安全性、建网成本、运营模式、信道带宽、调制方式、典型速率、典型容量、覆盖距离、电池寿命的指标，并进行对比；根据解读和比较引导，理解两种技术的各项指导，形成选择和构建的思路；对两种技术的性能和选择建立更清晰的认识；PPT47-484.lierdaNB-IoT模组（15min）(1) NB86-G系列模组简介解读实物图中的品牌、型号、iMEI、SN，引导学生认知芯片封装；梳理引导学生识记供电、发射功率、工作温度、丰富接口；了解协议及频段；按指导关注模组实物进行各项指标认读PPT50（2）NB86-G模块引脚描述扣图表，识认各引脚的名称和引脚功能，着重引导学生关注与上位通信和组网的引脚；强化对NB模组的特点、指标和入网方式的掌握；PPT51-53任务小结（10min）

引导同学们结合本任务的知识树，梳理对LoRa、NB-IoT以及整个LPWAN技术的结构、特点、关键技术、模组和应用的理解和掌握。积极回顾复习，积极作答，加深理解；引导学生形成对LoRa、NB-IoT两种及LPWAN技术的结构、特点、关键技术、模组等方面的系统认识；PPT54课后反思《《传感器与传感网技术应用》授课教案授课教案北京新大陆时代教育科技有限公司《传感器与传感网技术应用》课程教案《传感器与传感网技术应用》课程教案学年度第学期项目名称项目八智能交通灯系统授课教师授课时间课题名称任务一串口控制交通灯授课班级授课人数课时4教学目标知识目标1.了解超声波的定义和特点；2.掌握超声波传感器的结构、工作原理、应用电路和信号收发过程；3.掌握超声波测距的典型应用电路和计算方式；能力目标1.掌握应用AT指令进行NB-IoT模组初始化的方法；2.掌握超声波模块与M3模块的连接方法和程序的烧写方法；素质目标1.培养开阔灵活的思维能力、积极主动的探索精神；2.培养善于沟通、自我表达、互相协作的团队意识；3.使同学们具备严谨细致的工作态度；教学重点1.指导学生完成应用AT指令实现模组初始化；2.掌握超声波传感器的结构、工作原理、应用电路和信号收发过程；教学难点1.指导学生完成应用AT指令实现模组初始化；2.超声波传感器的原理分析；教法学法问题讨论法、讲授法、任务驱动法等。教学手段资源PPT、图片。学情分析使用教材《传感器与传感网技术应用》教学环节（时间分配）教学内容与教师活动学生活动设计意图教学手段任务解读与回顾（5min）任务一NB-IoT模块初始化1.任务描述再次解读任务描述构建分布式水位测试系统，接入公网。听讲，把握任务的目标使学生清晰认知本任务目标PPT1-22.任务要求结构任务要求对知识及技能，采用提问方式引导学生回顾上次课内容的大概；强调本次课任务实现部分即应用AT指令完成NB模组的初始化；听讲，回答提问，与老师同步完成知识梳理；关注任务实现目标；回顾加强对LoRa,NB-IoT基础知识的掌握，明确重视应用AT指令初始化模组的任务；新课部分知识积累5.应用AT指令初始化NB-IoT模块（30min）**简要说明NB模组初始化的方法和思路：用AT指令五段操作；**关于WIFI配置中的AT指令示例的回顾；**AT指令的分类和格式；听讲，同步回顾AT指令的实例与常识；大体建立应用AT指令的思路；建立应用AT指令NB模组初始化的认知；PPT5(1)检测NB模组基本信息。AT：检测NB模组可用状态。AT+CGMI、AT+CGMM，AT+CGMR。**演示操作、说明思路，引导学生观察分析模组参数，判定模组入网情况；听记初始化思路；看演示，听分析，记命令的用法；掌握检测NB模组基本信息的AT指令和用法；建立处理思路；PPT5-7(2)检测通信参数。AT+CIMI，AT+CSQ?。**演示操作、说明指令功能，引导学生观察分析结果，判定模组参数情况；**强调通过本部分结果判定入网情况；听记初始化思路；看演示，听分析，记命令的用法，会分析结果；掌握检测NB模组基本信息的AT指令和用法；建立处理思路；(3)设置连接通知，支持通信状态跟踪。AT+CSCON=1，AT+CEREG=2，AT+NNMI=1。**演示操作，强调按步骤有序设置连接参数，引导学生观察分析结果，判定设置完成情况；听记初始化思路；看演示，听分析，记命令的用法，掌握配置模组入网参数的方法和结果分析的方法掌握检测NB模组基本信息的AT指令和用法；建立处理思路；(4)建立入网连接。AT+CFUN=1，AT+CGATT=1，AT+NCDP=IP,Port。**演示操作，强调按步骤有序进行初始化，引导学生观察分析结果，判定模组入网情况；听记初始化思路；看演示，听分析，记命令的用法，会分析结果；掌握配置模组入网的步骤和各步指令，会明确分析入网状态。(5)检测模块工作状态。AT+CFUN?，AT+CSQ?，AT+CGATT?，AT+CEREG?，AT+CSCON?，**演示操作，完成模组的工作状态、信号强度、附着成功否、网络注册状态、连接状态等关键入网信息的查看；听记初始化思路；看演示，听分析，记命令的用法，会分析结果；掌握配置模组入网状态的关键信息的查看和分析方法；检测与提升（10min）测一测想一想指导学生按要求应用AT指令，巩固指令用法。组织分组讨论指令的结果；完成指定任务，记忆理解指令的功能和用法，并讨论分析结果；加深对关键初始化指令的掌握，强化初始化的思路；PPT8任务规划与设计（10min）1.NB-IoT模组与主芯片间的通信结构A.扣图说明NB-IoT模组与M3芯片间基于串口建立的通信；B.详细分析MCU上两个串口功能的区分、入网通信的波特率等指示及应用AT初始化入网；C.扣图引导学生认知模块的各部分结构，重点关注拨码开关、预留按键的功能；听讲，观察，理解通信体系的结构，梳理通信的建立思路；观察模块实物，识记对各部分的功能理解模块建立NB-IoT通信的结构、原理和建立思路；对NB-IoT模块及各部分的功能建立清晰的认识；PPT9-122.NB-IoT模块与应用AT指令初始化重申强调模块入NB-IoT的通信建立和在上位机实现配置的思路；按指导强化对操作流程和重点环节的理解记忆；明确配置过程；设备与资源准备指导学生按清单核对和检测设备完成设备核对和检测；使学生认识设备，建立对体系的认知；PPT13任务实施（40min）

1.建立硬件连接A.操作演示：硬件安装与连接；B.指导学生分组完成操作；C.进行操作情况检查，确保同学们完成；观察演示，识记操作过程；分组完成操作；掌握NB-IoT模块安装和通信体系建立的方法；PPT14-212.实现主芯片与NB模组间的连接设置A.引导学生认知区分模块上NB-IoT通信相关拨码开关及信号的功能、位置，说明建立通信的过程及各开关配合的方式；B.操作演示：分步演示过程，强调各部件配合情况、最终模块状态的观察；C.组织学生分组完成；观察演示，识记操作过程；分组完成操作；模块建立通信的开关及信号处理方式；3.设置串口通信参数与NB通信匹配A.简要说明上位机端口参数设置，强调应用串口助手下发AT指令；B.演示简单演示AT指令下发执行；观察演示，识记操作过程；分组完成操作；上位机端通信的配置和AT指令下发的方式；4.应用AT指令进行模块参数检测A.指令简单说明B.指导学生完成本部件初始化，并进行结果交流讨论。C.指导校正操作中的问题，解读分析指令结果；根据指导应用AT指令进行模组通信建立配置，讨论分析结果、深入对初始化过程中反馈信息的理解和处理方法；AT指令的应用方法和模组入网信息分析与调整的方法；5.应用AT指令配置NB模组入网连接A.指令简单说明B.指导学生完成本部件初始化，并进行结果交流讨论。C.指导校正操作中的问题，解读分析指令结果；根据指导应用AT指令进行模组通信建立配置，讨论分析结果、深入对初始化过程中反馈信息的理解和处理方法；AT指令的应用方法和模组入网信息分析与调整的方法；6.检测NB模组的工作状态A.指令简单说明B.指导学生完成本部件初始化，并进行结果交流讨论。C.指导校正操作中的问题，解读分析指令结果；D.汇总同学们的实验结果，分分享典型问题的解决方法；根据指导应用AT指令进行模组通信建立配置，讨论分析结果、深入对初始化过程中反馈信息的理解和处理方法；AT指令的应用方法和模组入网信息分析与调整的方法；任务小结（5min）

引导同学们结合任务实现重点对NB-IoT的网络结构、布署方式、状态转换、NB-IoT模组的结构和应用AT指令进行通信初始化过程进行回顾。积极回顾复习，积极作答，加深理解；强化对内容的理解，建立知识体系，强化重难点的理解；PPT22-23任务解读（10min）任务二超声波传感器的应用1.解读各项职业能力目标，引导同学们认知学习重点，并同时对其中术语进行简要说明：2.解读任务描述与要求：任务情景解读和任务要求归纳，组织同学们项目创建和调试的方法和困难等问题进行讨论；3.进行任务分析，规划任务实施计划；细致听讲，同步梳理形成对任务实施规划的理解；快速分组网络调查与交流，建立对任务解读部分重点词汇的实步了解；使学生清晰认知本任务的学习目标，形成清晰的学习思路；PPT25-28新课部分知识积累1.了解超声波传感器（20min）（1）超声波A.解读图8-2-1，引导学生重点关注超声波的频段;B.介绍超声波特性及超声波传感器的应用说明按指导看图识记超声波的频段；听讲，对超声波的特性和应用有简单了解。建立对超声波和超声波传感器的基本认识；PPT32（2）超声波传感器A.简要说明超声波传感器：信号处理过程、应用、涉及组成；B.介绍超声波传感器的分类并引导学生观察各类传感器的形态、品牌、性能，并分类重要讲解各类的应用方法；**单晶直探头、双晶直探头、斜探头；固体超声波探头、空气超声波探头；听讲，按指导观察各类传感器；根据指导，理解、分析各类传感器的用法；了解各类传感器的形态、用法，会进行选择；PPT33-352.超声波传感器的工作原理及应用（15min）(1)超声波传感器的工作原理A.引导学生识认单晶直探头**外形和内部结构；**展开各部分成本的作用；**重点分析探头收发超声波的过程，并组织学生复述；B.两个探头收发协作过程**外形和内部结构；**重点分析探头收发超声波的过程，并组织学生复述；C.透射型、分离反射型、一体反射型三种探头的应用**安装方式分析理解；**超声波收发的方式；**应用说明：重点说明反射型测距的方法；观察，结合老师的分析，形成对超声波传感器工作原理的认识；掌握超声波传感器的结构、原理和三种探头的安装的应用方法；PPT36-41(2)超声波传感器的特性A.工作频率**定义和对信号输出的意义；B.工作温度**工作温度低的意义；C.灵敏度**灵敏度的决定因素；D.指向性**超声波指向性的说明；结合老师的简洁说明，建立对超声传感器特性的简单认知；对超声波传感器的特性有初步的认识；PPT42(3)超声波传感器的应用A.介绍汽车倒车雷达、智能停车厂中超声波传感器的应用，分析系统组成、工作过程，引导测距的实质；B.引导学生认知超声波传感器单元电路，分析电路收发信号过程；C.引导学生推导测距的原理和计算方法；D.扩展说明超声波传感器的其他应用：实例要实例化直观展示；观察，认知系统的组成，理解功能的实现；同步分析电路的工作过程，理解电路的工作原理；观察实例中超声波信号收发过程，思考理解功能的实现过程掌握应用超声波测距实现的各类应用的系统、工作过程和测距计算。PPT42-46任务规划与设计1.超声波传感部件（20min）**指导学生观察模块的关键部件，说明TCT40-16R/T超声波收发器的参数和应用方法；(1)超声波发送电路**简洁分析电路结构和产生、发送超声波的流程；结合观察模块、听讲，熟练掌握体系结构、电路结构和超声波发送流程；掌握新大陆的超声波体系的结构、组装方法和性能；PPT48-53(2)超声波接收电路**简洁分析电路结构和产生、发送超声波的流程；结合观察模块、听讲，熟练掌握体系结构、电路结构和超声波接收流程；（3）实现测距连接方法；**端口说明和模块间连接分析；**示范操作，提导完成处理。观察老师的示范，分组完成并进行线路检测；2.NB-IoT模块的烧写（5min）简单说明烧写过程；联系前期的相关章节，掌握烧写程序的方法；任务小结（10min）

引导同学们结合本任务的知识树，强化对超声波及传感器的定义、结构、工作原理和性能特点的认识。积极回顾复习，积极作答，加深理解；强化对本次所授内容的理解，建立知识体系，强化重难点的理解；PPT55课后反思《《传感器与传感网技术应用》授课教案授课教案《传感器与传感网技术应用》课程教案学年度第学期项目名称项目八智能交通灯系统授课教师授课时间课题名称任务二超声波传感器的应用授课班级授课人数课时4教学目标知识目标1.了解云端NB-IoT网络管理模式；2.掌握NB-IoT网络的结构和入网方式；能力目标1.强化搭建系统的方法2.掌握在云端建立NB-IoT项目和进行NB-IoT管理的方法；素质目标1.培养开阔灵活的思维能力、积极主动的探索精神；2.培养善于沟通、自我表达、互相协作的团队意识；3.使同学们具备严谨细致的工作态度；教学重点.强化搭建系统的方法教学难点掌握NB-IoT网络的结构和入网方式；教法学法问题讨论法、讲授法、任务驱动法等。教学手段资源PPT、图片。学情分析使用教材《传感器与传感网技术应用》教学环节（时间分配）教学内容与教师活动学生活动设计意图教学手段设备与资源准备（5min）指导学生按清单核对和检测设备完成设备核对和检测；使学生认识设备，建立对体系的认知；PPT2任务实施（35min）

1.建立硬件连接A.操作演示：硬件安装与连接；B.指导学生分组完成操作；C.进行操作情况检查，确保同学们完成；观察演示，识记操作过程；分组完成操作；掌握模拟深井水位测量系统涉及的传感模块、NB-IoT模块、继电器及负载的安装的方法；PPT4-92.提导学生完成通信建立和端口参数配置；观察演示，识记操作过程；分组完成操作；掌握通信创建与配置方法3.调整NB-IoT模块上的拨码开关，设定程序烧写状态。讲解NB-IoT模块程序烧写的开关的处理流程，并指导学生完成设置；观察演示，识记操作过程；分组完成操作；完成开关状态调整；4.进行程序烧写B.指导学生烧写过程，强调通信参数、固件程序、烧写方式的选择目标的识记；根据指导完成程序烧写掌握程序烧写的方法；5.调整NB-IoT模块上的拨码分析NB-IoT模块上的拨码开关支持程序运行的状态。观察演示，识记操作过程；分组完成操作掌握切换设备到运行状态的方式。6.水位检测功能测试（1）先测试报警指示灯（2）测试水位检测功能和自动报警功能指导同学完成程序测试；按指导完成系统测试分析结果、深入认知超声波测距的用法；掌握超声波测体统的运行与管理方法；任务小结（5min）

引导同学们结合任务实现重点对超声波传感模块的使用进行了解；积极回顾复习，积极作答，加深理解；建立知识体系，强化重难点的理解；PPT10任务解读（10min）任务三深井水位采集数据接入云平台1.解读各项职业能力目标，引导同学们认知学习重点，并同时对其中术语进行简要说明：2.解读任务描述与要求：任务情景解读和任务要求归纳，组织同学们项目创建和调试的方法和困难等问题进行讨论；3.进行任务分析，规划任务实施计划；细致听讲，同步梳理形成对任务实施规划的理解；快速分组网络调查与交流，建立对任务解读部分重点词汇的实步了解；使学生清晰认知本任务的学习目标，形成清晰的学习思路；PPT13-15新课部分知识积累1.接入云平台的NB-IoT