基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居構(gòu)建與實施

□ 主講人：崔東偉 王俊華

項目背景

教育部頒布的《義務(wù)教育信息科技課程標準（2022年版）》提出，信息科技課程要培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，主要包括信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會責(zé)任四個方面。這四個方面相互支持、相互滲透，共同促進學(xué)生數(shù)字素養(yǎng)與技能的提升。

物聯(lián)網(wǎng)的基本含義是“萬物互聯(lián)”，即在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，將人與人的互聯(lián)延伸擴展到人與物、物與物的互聯(lián)。智能家居作為物聯(lián)網(wǎng)時代的代表，已深入我們衣食住行等各個領(lǐng)域。通過物聯(lián)網(wǎng)可以把傳感器網(wǎng)絡(luò)和感知技術(shù)融為一體，將家中的各種設(shè)備連接到一起，實現(xiàn)對它們的控制。比如，我們可以通過向MQTT代理下發(fā)命令來遠程控制掌控板。

教學(xué)目標

知識與技能 了解智能家居的概念；理解智能家居的原理。

過程與方法 學(xué)生小組討論，感受智能家居給生活帶來的便捷和舒適；體驗物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)，了解物聯(lián)網(wǎng)遠程遙控技術(shù)，嘗試進行簡單的智能家居搭建與編程。

情感態(tài)度與價值觀 激發(fā)學(xué)生研究學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)科技的興趣，認識到科技發(fā)展對人類生活的巨大影響；培養(yǎng)學(xué)生計算思維和自主探究、小組合作能力，使學(xué)生樂于使用信息技術(shù)解決生活中的問題，從而提升信息素養(yǎng)。

教學(xué)重點與難點

教學(xué)重點 建立物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下智能家居的概念，了解智能家居的應(yīng)用范圍和工作原理；通過體驗物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)，了解物聯(lián)網(wǎng)遠程控制技術(shù)，嘗試進行簡單的智能家居搭建與編程；激發(fā)學(xué)生研究學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)科技的興趣，認識科技發(fā)展對人類生活的巨大影響。

教學(xué)難點 嘗試完成簡單的智能家居搭建與編程。

教學(xué)準備

硬件清單 掌控板1個、擴展板1個、燈1個、風(fēng)扇1個，手機若干

軟件環(huán)境 mPython0.7.3、Easy IoT網(wǎng)站、Easy IoT微信小程序

教學(xué)過程

一、項目導(dǎo)入

師：同學(xué)們，你是否有出門在外，卻突然懷疑自己有沒有關(guān)閉了家里電燈的疑惑；是否在炎熱的夏季，腦海中出現(xiàn)空調(diào)已經(jīng)提前打開，回家就能瞬間涼爽的想法；等等，而現(xiàn)在這些都不是難題了，有了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，我們可以隨時隨地控制家里的設(shè)備。今天我們以燈和風(fēng)扇為例，一起來制作一個智能家居模型，實現(xiàn)遠程遙控?zé)艉惋L(fēng)扇。

師：我們一起來想一想，這個模型應(yīng)該有哪些部分。首先，通過電腦和手機要發(fā)送控制信號。其次，程序編碼控制信號要通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給掌控板。最后，燈和風(fēng)扇執(zhí)行掌控板的指令，完成相關(guān)動作。

二、項目任務(wù)

本節(jié)課的項目任務(wù)是使用掌控板、擴展板、燈、風(fēng)扇完成智能家居搭建與編程。學(xué)生從項目中學(xué)會合作、學(xué)會思考，體驗科技的魅力，激發(fā)學(xué)習(xí)科技的興趣。

三、項目實踐

學(xué)生以小組形式，初步探討如何讓智能家居連接網(wǎng)絡(luò)？硬件應(yīng)該如何搭建？搭建好后如何進行程序編寫？怎樣優(yōu)化完善模型？學(xué)生討論完成后提出問題，教師進行解答，并給出智能家居搭建與編程思路，學(xué)生觀看PPT，小組合作按照要求完成項目任務(wù)。

項目任務(wù)1：連接網(wǎng)絡(luò)，配置Easy IoT

1.學(xué)生打開瀏覽器后，輸入網(wǎng)址http：//iot.dfrobot.com.cn/，看到如圖1所示的Easy IoT網(wǎng)站首頁的界面。

2.點擊Easy IoT網(wǎng)站首頁右上角注冊，根據(jù)要求，填寫相關(guān)內(nèi)容，完成注冊。

3.根據(jù)設(shè)置的手機號和密碼登錄系統(tǒng)，點擊添加設(shè)備，系統(tǒng)能夠創(chuàng)建一個主題，平臺通過這個主題控制遠端設(shè)備，如圖2所示。

項目任務(wù)2：連接硬件，構(gòu)建模型

教師向?qū)W生演示將掌控板插入擴展板插槽中的過程，并提醒學(xué)生注意插入的方向。

學(xué)生按步驟操作，將燈和風(fēng)扇模塊連接線一頭插入擴展板的P8、P9接口，注意插線方向。

教師在這里要提醒學(xué)生注意，具體接入什么接口要根據(jù)模塊來定，燈和風(fēng)扇都是輸出設(shè)備，所以要接入能輸出信號的接口。P2、P3、P4接口是輸入信號接口，所以不能連接，其他接口均可連接。

項目任務(wù)3：編寫程序，測試調(diào)試程序

掌控板自帶Wi-Fi模塊，通過無線網(wǎng)絡(luò)與Easy IoT進行通信，首先要連接網(wǎng)絡(luò)和Easy IoT的服務(wù)器平臺。Wi-Fi模塊分類下的模塊可以實現(xiàn)掌控板接入無線網(wǎng)絡(luò)，只需要填寫正確的Wi-Fi名稱和密碼。

服務(wù)器連接模塊實現(xiàn)了掌控板與Easy IoT平臺服務(wù)器的通信，服務(wù)器182.254.130.180是默認服務(wù)器網(wǎng)址，不可修改，Client ID可任意填寫。Iot_id、Iot_pwd是在此之前注冊的賬號和密碼（如圖2），設(shè)置好參數(shù)后，教師提醒學(xué)生連接MQTT。

通過上面的步驟已經(jīng)建立了掌控板與Easy IoT的連接，這樣兩者之間就可以通信了。當掌控板接收到來自Easy IoT的消息后，根據(jù)消息內(nèi)容的不同，執(zhí)行不同的指令。完整參考程序如圖3所示。這里注意程序的最后要添加命令，該命令是控制掌控板持續(xù)等待接收消息，如不添加，程序就不能正常執(zhí)行。

當程序編寫完成后，進行模型測試。打開Easy IoT，進入工作臺，點擊主題下的發(fā)送消息，嘗試發(fā)送開燈、關(guān)燈、開風(fēng)扇、關(guān)風(fēng)扇消息，測試模型是否正常工作。

其實，除了在電腦上控制設(shè)備，教師還可以繼續(xù)擴展知識，讓學(xué)生實現(xiàn)手機隨時隨地控制模型。Easy IoT提供了微信小程序。學(xué)生點擊小程序，用注冊的手機號登錄后點擊上面New Device可以發(fā)送消息給掌控板，控制燈和風(fēng)扇工作。

四、項目展示

教師組織學(xué)生進行智能家居現(xiàn)場展示，并且提出問題，引導(dǎo)學(xué)生進一步完善優(yōu)化小組作品。例如用紙板建造一個房間，將掌控板、燈和風(fēng)扇固定到房間內(nèi)合適的位置，讓智能家居模型更完美。

五、項目評價

教師出示課堂評價表（如下表），組織學(xué)生完成評價表填寫。學(xué)生根據(jù)本節(jié)課知識掌握情況給表格里的小星星涂色，每項評價內(nèi)容為優(yōu)秀、良好、合格。

六、項目總結(jié)

通過優(yōu)化迭代，我們的智能家居已經(jīng)初見雛形。教師提出問題：1.智能家居完成后，你希望它如何推廣運用？2.在制作智能家居的過程中你有哪些收獲？

學(xué)生思考回答，進行總結(jié)。

教學(xué)反思

本節(jié)課基于學(xué)生認知水平，教師給予了足夠的引導(dǎo)和學(xué)習(xí)材料，大部分學(xué)生能夠制作完成簡單智能家居模型，部分學(xué)生還能夠拓展延伸設(shè)計出智能門鎖、智能窗簾等新設(shè)備。學(xué)生體驗物聯(lián)網(wǎng)的原理，感受利用信息科技手段解決真實問題的便捷性，體會信息科技的重要性，為未來能夠繼續(xù)學(xué)習(xí)和鉆研信息科技打下基礎(chǔ)。

信息科技課程不再聚焦于軟件的應(yīng)用和具體操作，而是轉(zhuǎn)變?yōu)轶w驗掌握解決問題的過程和方法，理解背后的原理。教師在教學(xué)設(shè)計時要注重提高學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力。

崔東偉 北京市朝陽區(qū)骨干教師。曾獲得全國創(chuàng)新教學(xué)獎、全國微課大賽一等獎，多次獲得科技類優(yōu)秀輔導(dǎo)教師獎，撰寫多篇論文獲得市區(qū)級獎項。

王俊華 中學(xué)一級教師。曾獲得北京市朝陽區(qū)優(yōu)秀青年教師、朝陽區(qū)骨干教師、北京市十佳科技輔導(dǎo)員，獲得VEX機器人世界錦標賽全能獎。