第4单元第12课《联网LED灯控制系统方案设计与实施》教案【河北大学版】《信息科技》八年级

第4.12课《联网LED灯把握系统方案设计与实施》教学设计课题联网LED灯把握系统方案设计与实施单元第四单元学科信息科技班级八班级核心素养目标信息意识：生疏把握系统在智能家居中的应用价值，明确其与物联网三层架构的对应关系，提升对智能把握技术实际应用的敏感度。计算思维：拆解把握系统的设计流程，分析信息在系统各组件间的流淌规律，培育用技术解决“远程控灯”实际问题的思路。数字化学习与创新：学会使用开发板、面包板搭建把握电路，尝试通过网页或APP实现远程把握，提升数字工具操作与技术创新力量。信息社会责任：把握家庭电路改造中的用电平安规范，了解设备网络连接的平安风险，不违规操作高压电路。教学重点依据物联网三层架构设计智能灯光系统，把握硬件电路连接与软件编程。教学难点分析智能灯光系统信息在物联网各层的闭环流淌，结合硬件连接与软件编程实现系统功能。教学过程教学环节老师活动同学活动设计意图导入新课第4.12课联网LED灯把握系统方案设计与实施问题情境智能灯光系统是智能家居重要部分，可设不同灯光模式，支持语音、传感器把握，还能与其他智能设备联动，核心是远程把握，能解决同学寝室“谁最终关灯”难题，需设计可网络把握的该系统。如图4-6所示。那么，如何设计一个可以通过络把握的智能灯光系统呢？（具体内容见教材p84页）观看视频课程新知导入。挂念同学初步理解本课争辩内容。讲授新课新知讲解：实践探究把握灯具有很多种方法，各种方法实现的难易程度不同，实现的具体功能也有所不同。为了实现灯具的远程把握，应当如何设计方案并实施呢？一、需求分析智能灯光系统可以实现灯具开关把握、灯光亮度把握，甚至可以调整灯光的颜色。这需要依据具体需求来设计。试一试我们的智能灯光系统需要实现哪些功能？填写表4-5，完成智能灯光系统的功能需求分析。功能具体说明在用户终端显示灯的开关状态用户能够实时了解灯的开关状态远程开关灯通过手机应用软件或者相应服务平台网页把握灯的开关灯光亮度调整在用户终端调整灯光的亮度，满足不同场景的光线需求灯光颜色调整支持切换灯光颜色，营造不同氛围定时开关灯可设置定时开关灯，比如早晨定时开灯，晚上定时关灯二、系统设计物联网系统由感知层、网络层和应用层三层结构组成，对智能灯光系统需要分层进行功能设计。试一试依据智能灯光系统的功能需求补全图4-7中的输入与输出模块信息。图4-7 智能灯光系统的输入与输出1.确定信息的输入输出方式智能手机为输入端，用户通过在手机应用软件的操作界面上点击“开”或“关”按键输入把握信息。智能灯光系统对输入的信息进行处理、分析后生成把握指令，输出指令信息，实现灯的开关把握。试一试尝试分析，在智能灯光系统中，信息在感知层、网络层和应用层之间是如何流淌的？在智能灯光系统中，感知层收集灯光相关信息（如环境光线、用户操作等），通过网络层传输到应用层；应用层的把握指令（如开灯、调光等），经网络层传递到感知层，驱动灯光执行相应操作。小学问闭环信息流淌物联网的“闭环信息流淌”是智能把握的关键，相比传统单向把握（如手动开关），闭环能让用户实时把握设备状态，避开“误操作”（如以为灯关了实际没关）。2.明确系统的组成部分及信息流淌方向用户手机生成把握信息，经网络传至微把握器生成指令，指令驱动继电器/电子开关把握灯。实现远程开关灯，系统需网络器件，感知层微把握器处理信息，应用层终端发指令和查状态。（具体内容见教材p86页）图4-8智能灯光系统的组成及信息流淌方向在智能灯光系统中，通过电路连接把握系统和灯具，通过无线局域网实现把握终端和把握系统之间的连接。生活中常用的无线局域网有Wi-Fi、蓝牙等多种数据传输协议，其中Wi-Fi局域网是普及程度较高、连接较简便的一种无线局域网。3.确定系统总体结构智能灯光系统的总体结构设计如图4-9所示。图4-9智能灯光系统的总体结构想一想把握终端和系统开发板可以通过网络连接，也可以都连接到物联网云平台上，全部信息通过云平台进行交互，如图4-10所示。这两种方案各自的优势是什么？在方案筛选和优化的过程中需要考虑哪些因素？图4-10云平台方案第一种方案优势是可实现局域网内远程把握，适合初次尝试物联网系统设计的同学，开发难度较低。其次种方案优势是能实现跨地域远程把握，适合对远程把握范围要求高的场景。筛选和优化时需考虑开发成本、技术把握程度、把握范围、功耗等因素。提示方案一：用系统开发板让灯具直连网络，实现局域网内远程把握，适合物联网设计新手。方案二：借助云平台实现跨地域远程把握，但开发成本高、技术要求多，多用于智能家居。实际应用：部分设备（如电动牙刷）因功耗等，通过蓝牙直连手机等把握终端，不连云平台。（具体内容见教材p88页）三、开发验证1.硬件方案设计物联网开发可用的微把握器芯片多，性能与价格差异大；随着国产芯片技术进步，自主可控芯片渐渐成物联网开发主流。以某国产集成Wi-Fi功能的微把握器为例，它功能强、成本低、平安易用。（具体内容见教材p88页）图4-11示例开发板为了快速验证设计方案，同学们预备制作一个灯具把握系统的模型，该模型的电路图如图4-12所示。图4-12LED灯把握电路图依据电路图连接电路，可以使用杜邦线和LED模块，也可以使用面包板结合相应的元器件进行电路搭接，如图4-13、图4-14所示。图4-13使用杜邦线和LED模块连接电路图4-14使用面包板连接电路阅读材料面包板是为进行电子电路试验而设计制造的集成电路试验板。面包板上有若干行/列的插孔，插孔底部通过导体依据行/列或分组连通。（具体内容见教材p89页）图4-15面包板结构图2.软件方案设计建立网络连接，开发板接入网络。启动网页服务，为用户终端供应操控界面。监听网络信息，保持系统正常工作，接收把握指令。执行指令，依据“开/关”指令把握开发板引脚电平，点亮或熄灭LED灯。（具体内容见教材p90页）图4-16LED灯智能把握实现流程提示在使用MicroPython进行编程前，需要下载对应的固件到示例开发板中，以支持对MicroPython语言的解释执行。3.测试验证程序编写完成后，是否能够实现预期的效果需要进行测试验证。在验证过程中，可以借助串口工具打印一些数据信息，从而了解程序的实际运行状况。若实际效果与预期效果不全都，则需要查找缘由并修改程序。试一试案例涉及的程序已经在配套的资源包中供应，请将程序上传到示例开发板中，通过串口工具了解联网信息。联网成功后，在扫瞄器页面输入示例开发板的IP地址，即可通过网页把握LED灯的开关。把握界面参考图4-17。此程序仅能实现灯的开关把握，假如想要实现灯的亮度把握，需要进行哪些修改呢？图4-17LED灯把握界面实现灯的亮度把握，需从软硬件两方面修改：硬件：增加支持PWM（脉冲宽度调制）的电路或模块，通过调整脉冲占空比控亮度。软件：一是添加PWM把握代码，通过转变占空比调整灯的电压/电流；二是修改网页把握界面，增加滑块等调整元素，便利用户发送亮度指令。四、课堂练习围绕“联网LED灯把握系统在使用过程中，可能存在哪些信息平安风险”，结合具体案例，写下自己的思考，提出2-3条爱护自身信息平安的建议。风险：1.网络权限泄露（如Wi-Fi弱密码被破解，他人非法把握）。2.设备固件漏洞（可能被植入恶意代码，侵入网络）。建议：1.强化Wi-Fi平安（WPA3加密、强密码、定期更换）。2.把握界面加账号密码认证。3.定期更新设备固件。五、拓展延长大家已经通过制作模型验证了设计方案，那么如何将电路中的LED灯替换为家中的灯具呢？电路中是5V直流电源为LED灯供电，而家中是220V沟通电源为灯具供电，因此方案应用于家庭电路时需要对电路进行改造。可以使用继电器实现低压电路把握高压设备，电路图如图4-18所示。图4-18灯具把握电路图试一试请完成电路改造，通电调试后实现灯具的智能把握。断电操作：确保家庭电路总开关断开，避开触电。接线：继电器的“低压端”连接开发板GPIO2和GND；继电器的“高压端”一端接220V火线另一端接灯具，灯具另一端接220V零线。检查：确认接线无误（火线、零线不接反，无暴露导线）。通电测试：先接通家庭电路总开关，再通过开发板发送把握指令，观看灯具是否正常开关。提示同学们肯定要在老师的指导下进行电路改造，留意用电平安。物联网设备的网络平安防护联网LED灯把握系统虽简洁，但仍需留意网络平安：Wi-Fi加密：使用WPA2/WPA3加密方式，设置强密码（含字母、数字、符号），避开开放Wi-Fi导致他人非法把握。设备认证：在网页把握界面添加简洁的账号密码验证，防止知道IP地址就能把握。固件更新：定期更新开发板的MicroPython固件，修复已知的平安漏洞。继电器的其他应用继电器除把握灯光外，还可用于把握其他高压设备：智能插座：通过继电器把握插座通电/断电，实现远程把握家电（如电饭煲、热水器）。电动窗帘：通过继电器把握窗帘电机的正反转，实现远程开关窗帘。鱼缸供氧机：通过继电器定时把握供氧机开关，节省电能观看视频：智能系统的应用引导同学思考灯具把握的多种方式。学习相关学问。完成试一试。学习相关学问。完成试一试。学习相关学问。完成试一试。学习小学问。同学梳理智能灯光系统的组成部分。理解无线局域网在智能灯光系统及其他智能设备中作用。观看图文。完成想一想。。阅读小学问。学习硬件方案相关学问。阅读材料。学习软件方面的设计学问。阅读提示。学习假如测试相关学问。完成试一试。完成练习题。进行学问拓展。完成试一试。激发同学的探究爱好。引导同学从实际生活动身，深化理解智能灯光系统的多样需求。引导同学从实际应用角度动身，思考智能灯光系统的功能需求，培育同学的需求分析力量和创新思维。挂念同学建立分层设计的思维。引导同学将智能灯光系统的功能需求与系统的输入输出环节联系起来，加深对系统输入输出概念的理解。加深对物联网设备信息交互规律的生疏。将抽象的概念与智能灯光系统这一具体案例相结合，挂念同学建立系统的思维方式。深化理解“闭环信息流淌”的概念和优势。引导同学深化理解智能灯光系统的结构组成和信息流转规律。让同学将课本中关于无线局域网的学问与生活实际相联系，同时拓展同学的学问面。引导同学将各部分组件的功能与系统整体运行联系起来。引导同学从不同角度分析智能灯光系统的架构方案。引导同学深化理解不同物联网连接方案的特点、适用场景及实际应用考量。将理论学问（电路图、微把握器功能等）应用到实际电路连接中，加深对物联网硬件方案设计的理解深化了解面包板的结构和功能，为后续使用面包板进行电子电路组装和调试试验做好学问预备。引导同学深化理解智能灯光系统软件方案的工作流程与各环节的功能。让同学了解使用MicroPython开发前期工作，补充学问盲区。让同学体会到程序开发中测试验证环节的重要性。引导同学深化思考智能灯光系统的功能拓展，培育同学的创新思维和对物联网系统软硬件协同设计的理解力量。考察同学学以致用的力量，深化对本课学问内容的理解和把握。拓宽同学学问面。通过完成电路改造与智能把握实现，使同学深化理解智能灯光