物联网应用开发实战-基于MicroPython 教学大纲

适用于理论课程及课内有实验或实践的课程浙大城市学院教学大纲课程号C02179课程中文名物联网传感技术应用实践课程英文名PracticeofIOTSensorTechnologyApplication课程模块□通识必修课程□通识选修课程□大类基础课程□专业必修课程■专业选修课程开课学期第2学期学分2.0总学时64学时（理论课0学时，实践课64学时）周学时0-4先修课程物联网技术与原理、单片机应用技术后续课程物联网智能系统设计与应用开课单位信息与电气工程学院面向专业电子信息工程专升本课程简介与课程目标（一）课程简介《物联网传感技术应用实践》是电子信息工程专业（专升本）的一门核心实践课程，该课程聚焦于物联网技术及相关传感器的应用，精心构建了“理论-硬件开发-软件集成-系统部署”四位一体的教学体系。课程采用多元化教学模式，深度融合理论讲授、案例研讨与项目驱动实验，培养以下核心能力：掌握基于MicroPython的嵌入式软件开发；掌握PCB设计全流程（基于立创EDA平台），具备原理图和PCB图的设计能力；熟悉基于ESP32S3主控芯片的硬件驱动开发与外设控制技术；熟练运用MQTT协议的使用，实现云-端数据传输；掌握Node-RED可视化设计工具，完成物联网网页端开发任务；掌握AppInventor开发，实现物联网手机端应用程序的开发；探究嵌入式环境下WIFI网络编程；运用所学知识实现物联网的应用开发。通过本课程的学习，旨在培养学生具备物联网应用系统综合开发的能力，使其学习和掌握部分人工智能知识，同时培养学生的团队协作精神和创新创业能力。引导学生正确评价工程实践问题解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，帮助学生树立中国“芯”的核心价值观和工匠精神，为人工智能加持下的物联网产业发展输送高素质的应用型、技术技能型人才。（二）课程目标总目标：通过本门课程的学习，学生应掌握物联网应用实践开发能力和部分人工智能知识，培养和训练实践技能与动手能力，提升独立分析及解决问题的水平，具备独立开发物联网应用系统的能力。课程目标1.熟练掌握基于MicroPython的嵌入式软件开发，具备原理图与PCB图设计能力，深入理解ESP32S3及传感器硬件功能与接口，能够依据实际需求设计物联网应用系统方案（支撑毕业要求1）。。课程目标2.具备NodeRed和AppInventor等软件编程能力，熟练运用MQTT协议实现云-端数据传输，在掌握课程目标1的基础上完成相应软件设计（支撑毕业要求5）。课程目标3.通过学生合作实验，开展与物联网相关项目的开发，培养合作意识（支撑毕业要求6）。（三）课程目标与毕业要求的对应关系表1课程目标与毕业要求的对应关系表毕业要求毕业要求观测点课程目标123毕业要求1较系统地掌握电子信息工程领域宽广的基础理论知识与应用技术，能适应区块链、物联网系统集成等工程领域的工作√毕业要求5运用计算机进行信息处理、工程设计、自动测试和应用软件开发的能力√毕业要求6具备掌握本专业学科最前沿技术和预测信息技术发展方向的能力√课程内容、教学方法及学习要求（一）课程内容、教学方法与课程目标的对应关系表2课程内容、教学方法与课程目标的对应关系表课程内容教学方法课程目标1231.MicroPython程序设计课堂讲授、视频学习、课堂代码编写、实验复现√2.立创EDA电路设计课堂讲授、视频学习、课堂代码编写、实验复现√3.基于ESP32的基础外设应用开发课堂讲授、视频学习、课堂代码编写、实验复现√4.基于ESP32的常用传感器应用开发课堂讲授、视频学习、课堂代码编写、实验复现√5.基于ESP32的网络应用开发课堂讲授、视频学习、课堂代码编写、实验复现√6.基于NodeRed的网页端应用程序开发课堂讲授、视频学习、课堂代码编写、实验复现√√7.基于AppInventor的手机应用程序开发课堂讲授、视频学习、课堂代码编写、实验复现√√注：1.在相应课程目标栏打钩“√”。（二）课程内容与学习要求1.第一部分MicroPython程序设计（1）教学内容●MicroPython简介；●ESP32MCU简介；●MicroPythonBin文件下载；●IDEThonny的安装和使用；●MicroPython语言快速入门。（2）重点与难点●重点：掌握基于MicroPython对ESP32MCU进行嵌入式开发。●难点：MicroPython语言中列表、元组、字典和队列四者之间的异同。（3）教学方法、场景设计与学习要求●通过课堂讲授、视频学习、课堂代码编写、实验复现等教学方法，了解ESP32硬件和MicroPython，掌握MicroPython语言，掌握MicroPythonBin文件的下载，能够使用Thonny实现MicroPython开发。2.第二部分立创EDA电路设计（1）教学内容●立创EDA简介；●基于立创EDA的原理图绘制；●基于立创EDA的PCB绘制；●导出PCB生产文件，进行PCB生产下单。（2）重点与难点●重点：硬件原理图及PCB图的绘制●难点：根据接口定义，运用立创EDA绘制原理，并根据原理图绘制PCB图。（3）教学方法、场景设计与学习要求●通过课堂讲授、视频学习、课堂代码编写、实验复现等教学方法，能够使用立创EDA进行原理图的绘制，PCB图的绘制。3.第三部分基于ESP32的基础外设应用开发（1）教学内容●基于MicroPython的ESP32嵌入式应用开发，包括I/O，外部中断，定时器，I2C总线，RTC实时时钟，ADC，PWM等；●运用SPI，实现TFT显示，并在TFT上显示汉字和图片。（2）重点与难点●重点：基于MicroPython的ESP32嵌入式应用开发，基于SPI总线的TFT显示（包括字符显示、图片显示等）。●难点：I2C总线协议、SPI总线总线协议。（3）教学方法、场景设计与学习要求●通过课堂讲授、视频学习、课堂代码编写、实验复现等教学方法，能使用MicroPython在ESP32上进行嵌入式应用编程，掌握I2C、SPI、ADC、PWM、外部中断等知识点。4.第四部分基于ESP32的常用传感器应用开发（1）教学内容●基于MicroPython，使用ESP32MCU，掌握常用传感器原理和嵌入式软件开发。传感器包括：温度传感器（OneWire），温湿度传感器（I2C），光敏传感器（ADC），气压传感器（I2C），超声波传感器（PWM），WS2812（OneWire）。（2）重点与难点●重点：各类传感器的原理和嵌入式软件编程方法。●难点：OneWire总线接口的原理和软件编程方法。（3）教学方法、场景设计与学习要求●通过课堂讲授、视频学习、课堂代码编写、实验复现等教学方法，掌握传感器的原理，能使用MicroPython对传感器进行嵌入式软件编程。5.第五部分基于ESP32的网络应用开发（1）教学内容●ESP32WiFi；●TCP、UDP的使用；●Request库的使用；●心知天气；●MQTT通信。（2）重点与难点●重点：掌握ESP32WiFi连接到互联网的编程方法，会使用TCP、UDP编程，能够通过Request库获取网络数据，并接入对应的WiFi网络，能够通过MQTT实现物联网数据的订阅和发布。●难点：Request库的使用、通过MQTT实现物联网数据订阅和发布。（3）教学方法、场景设计与学习要求●通过课堂讲授、视频学习、课堂代码编写、实验复现等教学方法，掌握ESP32通过WiFI连接到互联网的方法；掌握TCP、UDP的网络编程；能够使用Request库获取网络数据，以天气显示为例编写相应的物联网应用程序；能够通过MQTT通信订阅和发布物联网数据，并进行相关的硬件操作。6.第六部分基于Node-RED的网页应用程序开发（1）教学内容●Node-RED本地搭建；●Node-RED基本功能和基本控件的使用；●Node-REDMQTT控件的使用；●Node-RED网络发布及展示，工程项目的导出和导入。（2）重点与难点●重点：掌握在Win下使用Node.js搭架Node-RED本地服务器，掌握Node-RED基本功能，Node-RED基本控件的使用，Node-REDMQTT控件的使用。●难点：Node-REDMQTT控件的使用，实现订阅和发布数据。（3）教学方法、场景设计与学习要求●通过课堂讲授、视频学习、课堂代码编写、实验复现等教学方法，掌握在Windows下使用Node.js搭架Node-RED本地服务器，掌握Node-RED基本功能，Node-RED基本控件的使用，Node-REDMQTT控件的使用。通过对所学的知识进行综合，完成相应的综合实验。7.第七部分基于AppInventor的手机应用程序开发（1）教学内容●AppInventor本地搭建；●AppInventor基本功能和基本控件的使用；●AppInventorMQTT控件的使用；●AppInventor的调试、发布；●AppInventorPersonalImageClassifier控件的使用；●AppInventor手机端发布及展示，工程项目的导出和导入。（2）重点与难点●重点：掌握在Windows下AppInventor本地开发环境的搭建，掌握AppInventor基本功能和基本控件的使用，AppInventorMQTT控件的使用，AppInventorPersonalImageClassifier控件的使用，AppInventor的调试、发布。●难点：AppInventorMQTT控件的使用，实现订阅和发布数据；AppInventorPersonalImageClassifier控件的使用，实现基于人工智能算法的分类应用。（3）教学方法、场景设计与学习要求●通过课堂讲授、视频学习、课堂代码编写、实验复现等教学方法，掌握在Win下AppInventor本地开发环境的搭建，掌握AppInventor基本功能和基本控件的使用，AppInventorMQTT控件的使用，AppInventor的调试、发布，AppInventorPersonalImageClassifier控件的使用，实现基于人工智能算法的分类应用。通过对所学的知识进行综合，完成综合实验。实验环节及要求表3实验要求及课程目标的对应表序号实验项目学时数载体、内容及要求实验性质类别课程目标验证演示综合设计其他必做选做1231Python程序设计基础（一）4MicroPython简介，ESP32简介，MicroPythonBin文件下载，IDEThonny的安装和使用√√√2Python程序设计基础（二）4掌握MicroPython程序设计基本知识√√√3立创EDA电路设计（一）4掌握使用立创EDA进行原理图和PCB图的绘制，3.7V锂电池充电电路的绘制√√√4立创EDA电路设计（二）8掌握使用立创EDA进行原理图和PCB图的绘制，ESP32S3扩展板的设计√√√5ESP32MicroPython基础实验(一)4使用MicroPython对ESP32进行编程，包括IO、外部中断、定时器等√√√6ESP32MicroPython基础实验(二)4使用MicroPython对ESP32进行编程，包括TFT、RTC、ADC、PWM等√√√7ESP32MicroPython传感器实验8掌握多类传感器的接口定义，能使用MicroPython对传感器进行编程，传感器包括DS18B20、DHT11、BMP280、WS2812B、CSR04传感器等，能开展应用综合设计√√√8ESP32MicroPython进阶实验(一)8掌握ESP32通过WiFi连接到互联网的方法，能够使用Request库获取网络数据，能够接入心知天气网，能够通过MQTT通信订阅和发布数据，案例包括Web起步、网络对时、心知天气等√√√9ESP32MicroPython进阶实验(二)8掌握在Windows下使用Node.js搭架Node-RED本地服务器，掌握Node-RED基本功能，Node-RED基本控件的使用，Node-REDMQTT控件的使用。√√√√10ESP32MicroPython进阶实验(三)8掌握在Windows下AppInventor本地开发环境的搭建，掌握AppInventor基本功能和基本控件的使用，AppInventorMQTT控件的使用，PersonalImageClassifier控件的使用，AppInventor的调试、发布。√√√√11期末课堂验收4布置综合实验，由学生完成，老师验收评分√√√√注：1.在实验或实践性质及类别中相应栏打钩“√”。2.实验目的、内容和要求：见《实验项目卡》学时分配表4学时分配表序号课程内容学时分配理论教学环节课后作业要求理论学时实验或实践学时讲授案例研讨其他1Python程序设计基础（一）4√实验报告2Python程序设计基础（二）4√实验报告3立创EDA电路设计（一）4√√实验报告4立创EDA电路设计（二）8√√实验报告5ESP32MicroPython基础实验(一)4√√实验报告6ESP32MicroPython基础实验(二)4√√实验报告7ESP32MicroPython传感器实验8√√实验报告8ESP32MicroPython进阶实验(一)8√√√实验报告9ESP32MicroPython进阶实验(二)8√√√实验报告10ESP32MicroPython进阶实验(三)8√√√实验报告11期末课堂验收4√教师打分合计64注：1.在理论教学环节中相应栏打钩“√”。课程思政元素及融入实施路径表5课程思政实施路径表序号课程思政元素课程内容实施路径1家国情怀ESP32芯片的发展历史芯片对国家的重要性，展示国内先进的芯片，让学生树立家国情怀。2理想信念TFT显示要求学生在TFT上显示社会主义核心价值观的文字，进一步树立学生的理想信念。3工匠精神基于WIFI的天气预报通过实验任务中，代码的不断改进，培养学生的工匠精神。课程考核及课程目标达成途径（一）考核形式□考试■考查考试：□闭卷□开卷□半开卷考查：□论文■报告□作品□面试□答辩□大型作业■设计□图纸■其他课堂验收（二）成绩评定方式■百分制□五级制□两级制（三）成绩评定方法表6考核环节与成绩评定方法考核环节考核要求成绩占比实验态度根据课堂回答问题情况、课堂讨论与讲解情况、课堂测试情况进行评分20%实验操作在规定时间内完成实验内容，按时完成实验任务30%实验报告考核学生实验报告撰写质量30%课堂验收布置综合实验，由学生完成，老师验收，根据评分标准进行评分20%合计100%表7考核方式详细评分标准考核环节评分标准优(90～100)良(80～89)中(70～79)及格(60～69)不及格(﹤60)实验态度实验态度认真，实验操作过程熟练，实验结果记录完整，团队合作与沟通流畅实验态度认真，实验操作过程较熟练，实验结果记录较完整，团队合作与沟通流畅实验态度较认真，实验操作过程基本流畅，实验结果记录较完整，但有部分缺失，团队合作与沟通基本流畅实验态度基本认真，实验操作过程基本流畅，实验结果基本完整，团队合作与沟通基本流畅未能按要求完成实验实验操作认真完成实验，熟练掌握所使用的硬件系统；熟练掌握MicroPython语言；熟练掌握Thonny等工具使用，错误处理考虑全面，调试效率高认真完成实验，掌握所使用的硬件系统；掌握MicroPython语言；掌握Thonny等工具使用，具有较好的错误处理能力，能进行在线调试认真完成实验，基本掌握所使用的硬件系统；基本掌握MicroPython语言；能够使用Thonny等工具，具有一定的错误处理能力不熟悉所使用的硬件系统；不熟悉MicroPython语言；基本了解Thonny等工具未能按要求完成实验；无法使用相关的开发环境和开发工具实验报告报告内容完整，合作完成全部实验要求。书写端正并保留完整清晰的设计过程，没