计算基础技术 8

边缘计算技术及应用教案课题任务3.1运行数据——设备运行数据采集课时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.掌握边缘计算网关的概念、工作原理及数据采集、协议转换、边缘计算、本地存储、远程管理五大功能2.理解IG502边缘计算网关的硬件接口定义（WAN/LAN/RS485/USB/DI/DO）及网络参数配置方法3.掌握ModbusTCP通信协议原理，包括主从架构、寄存器地址映射、功能码03读保持寄存器技能目标：1.能完成边缘计算网关、I/O模块、PC的局域网组网与静态IP地址配置2.能在网关Web管理界面中添加ModbusTCP采集分组，配置I/O模块通信参数（IP、端口、SlaveID）3.能批量添加温度、电流、电压、开关量等测点，验证数据采集成功率素养目标：培养工业现场网络调试的规范操作意识，强化数据采集准确性与完整性的工程思维教学重难点重点：边缘计算网关组网配置、ModbusTCP采集分组创建、I/O模块测点添加与数据验证。难点：ModbusTCP寄存器地址与I/O通道的映射关系、通信故障排查（IP不通、SlaveID错误、寄存器地址偏移）。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：某制造企业产线设备运行状态依赖人工巡检，无法实时获取温度、电流等关键参数，设备故障停机损失严重，引出利用边缘计算网关自动采集设备运行数据的需求，提出本任务目标——完成设备运行数据采集系统搭建。二、新知讲授（40min）1.边缘计算网关概念：部署在工业现场靠近数据源端的智能设备，具备数据采集、协议转换、边缘计算、本地存储、远程管理五大功能2.IG502网关硬件接口：WAN口外网接入、LAN口内网通信、RS485串行接口、USB调试口、DI数字输入、DO数字输出3.ModbusTCP协议：主从架构，默认502端口，通过功能码03读取保持寄存器数据，寄存器地址按通道顺序映射4.I/O模块配置参数：IP地址、端口号、SlaveID、寄存器起始地址、数据类型（INT16/FLOAT32）三、实操分步演示（30min）1.硬件组网：网关LAN口连接I/O模块和PC，配置网关LANIP为192.168.1.1，I/O模块IP为192.168.1.51，PCIP为192.168.1.1002.登录网关Web管理界面（浏览器输入192.168.1.1），进入"数据采集"→"设备"页面3.新建ModbusTCP采集分组，添加I/O模块设备，配置IP=192.168.1.51、端口=502、SlaveID=14.批量添加测点：温度（地址0x0000，INT16）、电流（地址0x0001，INT16）、电压（地址0x0002，INT16）、开关量（地址0x0003，INT16）5.查看采集数据，确认各测点数值正常更新四、分组实训操作（60min）2人一组，分工完成组网、IP配置、采集分组创建、测点添加、数据验证；教师巡回排查IP不通、测点离线、数据异常等问题。五、问题研讨与答疑（15min）研讨：1.边缘计算网关采集设备数据的基本流程是什么？2.ModbusTCP协议中寄存器地址如何与I/O通道对应？集中解决学生采集分组创建失败、测点数据不刷新等共性问题。课堂小结梳理组网配置→采集分组创建→测点添加→数据验证完整流程；总结边缘计算网关五大功能、ModbusTCP协议要点、I/O模块配置关键参数。作业布置1.简答题：简述边缘计算网关采集设备运行数据的完整流程2.实操复盘：画出设备运行数据采集任务硬件组网拓扑图，标注各设备IP地址和连接方式教学反思学生易错点：I/O模块IP与网关LAN网段不一致、ModbusTCP寄存器地址偏移填写错误、测点数据类型选择不当导致数值异常；下次增加参数填写核对表，强化寄存器地址映射原理讲解。课题任务3.2运行数据——设备运行数据计算课时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.掌握边缘计算与云计算的关系，理解边缘计算本地实时处理的优势2.掌握边缘数据计算的四种方式：直接计算、阈值判断、聚合计算、多源融合3.理解recallAPI读取测点数据的方法和publishAPI发布计算结果的机制4.掌握设备运行状态判定规则：温度阈值、电流波动范围、综合状态加权判断技能目标：1.能在网关中创建write测点用于存储计算结果2.能编写Python快函数实现多条件逻辑判断（温度超标+电流异常→设备状态判定）3.能使用publishAPI将计算结果发布到指定Topic，验证数据输出素养目标：培养边缘侧数据处理的编程思维，强化工业现场实时计算与状态判断的工程实践能力教学重难点重点：Python快函数编写、recall读取多测点数据、多条件逻辑判断代码实现、publish发布结果。难点：多源数据融合计算逻辑设计、Python代码中测点名称与数据类型的正确引用、快函数周期触发机制理解。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：企业设备采集到温度、电流等运行数据后，仍需人工判断设备是否正常运行，响应延迟大、效率低，引出在边缘侧自动计算设备运行状态的需求，提出本任务目标——编写边缘计算程序实现设备运行状态的自动判定与输出。二、新知讲授（40min）1.边缘计算与云计算的关系：边缘计算本地实时处理低延迟，云计算全局分析海量数据，两者互补协同2.边缘数据计算四种方式：直接计算（数值变换）、阈值判断（超限报警）、聚合计算（多源统计）、多源融合（综合判定）3.recallAPI：函数签名为recall(tag_name)，返回测点当前值，支持同时读取多个测点4.publishAPI：函数签名为publish(tag_name,value)，将计算结果写入指定测点并发布5.设备状态判定规则：温度>75°C为过热，电流波动>额定值20%为异常，综合判定设备运行状态等级三、实操分步演示（30min）1.在网关Web界面创建write测点：Device_Status（INT16）、Alarm_Level（INT16）2.进入"边缘计算"→"快函数"页面，新建周期触发快函数（触发周期5秒）3.编写Python代码：使用recall读取温度、电流、电压测点值4.编写多条件判断逻辑：温度>75且电流>额定值1.2倍→状态=2（故障），温度>60或电流>额定值1.1倍→状态=1（预警），否则→状态=0（正常）5.使用publish发布Device_Status和Alarm_Level结果，验证输出测点数值正确更新四、分组实训操作（60min）2人一组，分工完成测点创建、快函数代码编写、逻辑判断实现、结果验证；教师巡回排查代码语法错误、测点名称引用错误、逻辑判断条件遗漏等问题。五、问题研讨与答疑（15min）研讨：1.边缘计算相比云计算在设备状态判定方面有哪些优势？2.多条件逻辑判断的优先级如何设计？集中解决学生代码运行报错、recall返回None、publish结果不刷新等共性问题。课堂小结梳理测点创建→快函数编写→recall读取数据→多条件判断→publish发布结果完整流程；总结边缘计算四种方式、recall/publishAPI用法、设备状态判定规则。作业布置1.简答题：简述边缘计算中数据计算的四种方式及适用场景2.实操复盘：整理快函数代码，添加注释说明多条件判断逻辑设计思路教学反思学生易错点：Python代码中测点名称拼写错误、recall返回值未做None判断导致程序崩溃、多条件判断逻辑不完整遗漏边界情况；下次提供代码模板框架，强化None值处理和边界条件讲解。课题任务3.3运行数据——设备运行状态数据上云课时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.掌握工业互联网云平台的概念、功能架构及在设备远程运维中的应用2.理解物模型（属性、事件、服务）与物实例的概念，掌握云平台建模流程3.掌握MQTT协议原理：发布/订阅模式、Topic主题、QoS服务质量等级4.掌握Python字典数据结构及JSON序列化方法技能目标：1.能在工业互联网云平台创建物模型，定义设备属性（温度、电流、电压、状态）2.能注册物实例，获取设备三元组（ProductKey、DeviceName、DeviceSecret）3.能在网关配置MQTT云服务，填写连接参数和发布/订阅Topic4.能编写Python上云脚本，将边缘计算结果通过MQTT发布到云平台，验证物实例状态由"未激活"变为"在线"素养目标：培养云边协同的系统思维，强化工业数据上云的安全意识和规范操作习惯教学重难点重点：云平台物模型创建与物实例注册、MQTT云服务配置、上云Python脚本编写。难点：物模型属性与边缘测点的映射关系、MQTTTopic格式与JSON数据封装、设备三元组认证配置与连接调试。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：企业设备运行状态数据仅在边缘本地显示，管理人员出差时无法远程查看设备状态，引出将边缘计算结果上传到云平台实现远程监控的需求，提出本任务目标——完成设备运行状态数据上云系统的搭建与调试。二、新知讲授（40min）1.工业互联网云平台：提供设备接入、数据存储、远程监控、数据分析的云端服务平台2.物模型：描述设备特征的数字化模型，包含属性（设备运行参数）、事件（报警/通知）、服务（远程控制指令）3.物实例：物模型的具体化实例，注册后获得设备三元组用于身份认证4.MQTT协议：轻量级发布/订阅消息协议，Topic为主题地址，QoS分0/1/2三个等级，工业上云常用QoS=15.Python字典：键值对数据结构，json.dumps()可将字典序列化为JSON字符串用于MQTT消息发布三、实操分步演示（30min）1.登录工业互联网云平台，创建物模型"设备运行状态监测"，定义属性：温度（float）、电流（float）、电压（float）、设备状态（int）2.注册物实例"Device_001"，获取三元组ProductKey、DeviceName、DeviceSecret3.在网关Web界面进入"云服务"→"MQTT配置"，填写云平台MQTT地址、端口（1883）、设备三元组认证信息4.配置发布消息（Topic:v4/p/post/thing/live/json/1.1,QoS:1），编写数据上云Python脚本5.脚本中使用recall读取边缘测点数据，构造字典并通过publish发布到MQTTTopic，验证物实例由"未激活"变为"在线"四、分组实训操作（60min）2人一组，分工完成云平台建模、物实例注册、网关MQTT配置、上云脚本编写、云端数据验证；教师巡回排查三元组填写错误、Topic格式不对、JSON数据格式异常等问题。五、问题研讨与答疑（15min）研讨：1.工业数据上云的完整流程是什么？2.MQTT协议的发布/订阅模式如何实现云边数据同步？集中解决学生物实例状态不在线、MQTT连接失败、云端数据不刷新等共性问题。课堂小