计算基础技术 7

边缘计算技术及应用教案

课题任务4.1安全数据——安全门状态检测课时2课时授课班级工业互联网应用/物联网技术专业教学目标知识目标：1.掌握ModbusTCP协议帧结构、502端口、MBAP报文头作用2.理解网关write测点API三种调用格式、返回报文含义3.掌握工业BIT/WORD/INT等测点数据类型含义与工业用途。技能目标：1.完成网关、PLC、PC局域网组网与IP配置2.在网关添加S7-1200控制器、批量导入安全门测点3.编写Python自定义快函数，实现安全门智能启停与状态判断4.通过MQTT完成安全门数据本地计算与输出验证。素养目标：1.规范网线接线、IP参数设置，养成细致严谨工作习惯2.多人分工完成组网、测点配置、代码调试，提升团队协作3.建立工业设备安全联锁控制安全生产思维.教学重难点重点：ModbusTCP采集PLC测点、write接口下发控制指令、安全门边缘逻辑代码编写。难点：Python快函数读取多测点数据、多安全门状态逻辑判断、虚拟控制器测点输出。教学方法案例教学法、实操演示法、分组实训、问题研讨法教学过程主要教学内容及步骤一、新课导入（10min）导入案例：机械加工产线安全门异常开启引发设备碰撞事故，引出本地实时联锁控制需求，提出边缘网关本地检测安全门、即时停机的解决方案。二、新知讲授（40min）1.ModbusTCP协议原理、帧结构、西门子S7ISO-onTCP通信参数（102端口、Rack/Slot）2.write写测点API三种调用格式、同步读写机制、返回成功/失败标识3.工业测点BIT、INT数据类型，安全门开关量点位定义4.自定义快函数周期触发机制、recall读取测点数据方法三、实操分步演示（30min）1.硬件组网，按文档配置网关WAN/LAN、PLC、PC静态IP2.网关创建PLC采集分组，添加S7-1200控制器，配置通信参数3.批量添加安全门、启动、急停等BIT测点，验证数据采集4.新建周期触发快函数，编写安全门智能启停代码、多门状态判定代码5.创建虚拟控制器，输出Safety_Door_Status状态测点四、分组实训操作（60min）2人一组，分工完成组网、测点配置、代码编写、实机验证；教师巡回排查IP不通、测点离线、脚本报错问题。五、问题研讨与答疑（15min）研讨：1.边缘网关如何采集PLC数据？2.BIT类型测点适合哪些工业信号？集中解决学生代码读取测点失败、控制器灰色离线等共性故障。课堂小结（10min）梳理组网→PLC采集→边缘函数计算→状态输出完整流程；总结ModbusTCP、writeAPI、安全门联锁逻辑核心知识点。作业布置1.简答题：简述边缘计算网关采集PLC数据完整流程2.实操复盘：画出安全门检测任务硬件组网拓扑，标注各设备IP教学反思学生易错点：PLC机架槽号填写错误、Python代码测点名称拼写错误；下次增加参数填写核对表，提前预设代码模板降低调试难度。

课题任务4.2安全数据——设备安全数据聚合计算课时2课时授课班级工业互联网应用/物联网技术专业教学目标知识目标：1.掌握电机温升、设备电压监测工业意义，4~20mA变送器换算原理2.理解LoRa无线通信低功耗、远距离特性，LoRa模块ModbusRTU寄存器3.掌握recall召读API参数、多源数据聚合判定逻辑技能目标：1.完成LoRa采集模块、透传模块串口与无线参数配置2.网关添加ModbusRTULoRa控制器，配置温度/电压测点比例换算3.聚合PLC报警、电机温度、电压多源数据，编写设备总停判定脚本4.虚拟控制器输出设备总停状态测点，完成异常触发验证。素养目标1.无线模块接线规范，串口参数反复核对，培养严谨调试习惯2.多传感器数据融合分析，建立设备预测性维护思维3.异常阈值停机逻辑设计，强化工业设备故障防护意识。教学重难点重点：LoRa模块全套配置、变送器4-20mA比例换算、多源数据边缘聚合计算。难点：recall同时读取PLC与LoRa双控制器测点、多条件阈值逻辑编写。教学方法案例教学法、实操演示法、分组实训、问题研讨法教学过程主要教学内容及步骤一、新课导入（10min）导入案例：电机温升超标、电压波动未及时停机导致电机烧毁，传统云端监测延迟过高，引出边缘本地聚合多传感器数据、提前预警停机需求。二、新知讲授（40min）1.电机温升、运行电压监测工业价值，4~20mA电流转物理值换算公式2.LoRa扩频调制、低功耗远距离优势，LoRa模块Modbus输入寄存器定义3.recall召读API多控制器、多测点读取语法，同步读取机制4.多条件聚合逻辑：报警/超温/过压任一满足设备总停判定规则三、实操分步演示（30min）1.电脑连接LoRa从站模块，配置串口、无线频率、扩频因子参数；配置主站透传模块2.网关新建LoRa采集分组，添加ModbusRTU控制器，配置从站地址、轮询周期3.添加温度Temp、电压Ua测点，配置0~4095对应4~20mA比例换算参数4.读取PLC总报警测点，新建聚合计算快函数，编写多阈值判断代码5.虚拟控制器输出Device_Status总停测点，模拟超温验证状态切换四、分组实训操作（60min）3人一组，分工LoRa模块配置、PLC数据采集、聚合代码编写、异常模拟验证；解决无线通信断连、测点换算数值错误等故障。五、问题研讨与答疑（15min）研讨：1.LoRa模块配置有哪些关键注意事项？2.边缘数据聚合计算有哪些优势？统一讲解无线参数不匹配、比例上下限设置错误等共性问题。课堂小结梳理LoRa无线采集→多源数据读取→边缘聚合判定→设备状态输出完整流程；总结变送器换算、recallAPI、多条件逻辑核心知识点。作业布置1.简答题：简述边缘计算中数据聚合计算的优势与实施过程2.实操复盘：整理LoRa模块配置关键参数清单，标注易错参数教学反思学生易出错：LoRa主从站无线频率不一致、测点比例换算上下限颠倒；实训前发放参数对照表，强化换算逻辑理论讲解。

课题任务4.3边缘计算之云边端协同课时2课时授课班级工业互联网应用/物联网技术专业教学目标知识目标：1.区分云边协同、边端联动、云边端协同三层架构分工2.掌握工业云边协同三大场景：设备优化、工艺优化、价值链优化3.理解MQTT订阅Topic、云端物模型/物实例创建规则、云边指令下发流程技能目标：1.根云平台创建设备物模型，定义安全门、继电器属性与指令2.网关配置MQTT云端订阅，编写云端指令下发至终端的Python脚本3.完成云边协同：边缘数据上传云端可视化展示4.完成边端联动：网关直接控制LoRa继电器输出5.完成云边端全链路协同：云端下发指令→边缘转发→终端模块动作素养目标：1.云端平台参数标准化配置，养成数字化建模规范意识2.云、边、端三层联调分工协作，提升大型系统调试团队能力3.理解工业数据分级处理，建立本地实时控制+云端全局分析思维教学重难点重点：云端物模型创建、MQTT订阅配置、云边端全链路数据交互。难点：云端指令JSON解析脚本编写、三层协同数据流向梳理教学方法案例教学法、实操演示法、分组实训、问题研讨法教学过程主要教学内容及步骤一、新课导入（10min）导入案例：工厂需要本地实时停机控制+云端长期设备数据分析、远程运维，单纯边缘或云端无法兼顾，引出云边端协同分层处理架构。二、新知讲授（40min）1.云边协同、边端联动、云边端协同定义与架构分工2.工业三大云边协同应用场景及各自价值3.物模型、物实例概念，MQTT协议云边通信机制，订阅Topic作用4.云端指令下发、网关解析、终端执行完整数据流向三、实操分步演示（30min）1.登录根云平台，新建智慧工厂物模型，添加安全门状态、继电器读写属性，创建控制指令2.边缘网关配置云服务MQTT订阅，填写Topic、Qos，导入指令解析Python脚本3.验证云边协同：边缘安全门数据实时上传云端，云端显示对应状态编号4.验证边端联动：网关直接修改LoRaRelay测点，模块输出指示灯点亮5.验证云边端协同：云端下发继电器开启指令，经边缘网关转发，LoRa模块动作四、分组实训操作（60min）4人一组，分工云端建模、网关MQTT配置、脚本调试、三层协同验证；排查云端离线、指令无响应、终端不动作故障。五、问题研讨与答疑（15min）研讨：1.什么是云边协同？2.工业领域云边协同主要场景有哪些？集中讲解MQTT订阅参数错误、JSON解析代码报错等共性问