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

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第4.12课《联网LED灯控制系统方案设计与实施》教学设计
课题 联网LED灯控制系统方案设计与实施 单元 第四单元 学科 信息科技 年级 八年级
核心素养目标 信息意识：认识控制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，提升对智能控制技术实际应用的敏感度。计算思维：拆解控制系统的设计流程，分析信息在系统各组件间的流动逻辑，培养用技术解决 “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、面包板搭建控制电路，尝试通过网页或 APP 实现远程控制，提升数字工具操作与技术创新能力。信息社会责任：掌握家庭电路改造中的用电安全规范，了解设备网络连接的安全风险，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，掌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动，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 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 第4.12课 联网LED灯控制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、传感器控制，还能与其他智能设备联动，核心是远程控制，能解决学生寝室 “谁最后关灯” 难题，需设计可网络控制的该系统。如图4-6所示。那么，如何设计一个可以通过络控制的智能灯光系统呢？（详细内容见教材p84页）观看视频 课程新知导入。 帮助学生初步理解本课研究内容。
讲授新课 新知讲解：实践探究控制灯具有很多种方法，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控制，应该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控制、灯光亮度控制，甚至可以调节灯光的色彩。这需要根据具体需求来设计。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控制灯的开关灯光亮度调节在用户终端调节灯光的亮度，满足不同场景的光线需求灯光颜色调节支持切换灯光颜色，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。试一试根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”按键输入控制信息。智能灯光系统对输入的信息进行处理、分析后生成控制指令，输出指令信息，实现灯的开关控制。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动的？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；应用层的控制指令（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。小知识闭环信息流动物联网的 “闭环信息流动” 是智能控制的关键，相比传统单向控制（如手动开关），闭环能让用户实时掌握设备状态，避免 “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动方向用户手机生成控制信息，经网络传至微控制器生成指令，指令驱动继电器 / 电子开关控制灯。实现远程开关灯，系统需网络器件，感知层微控制器处理信息，应用层终端发指令和查状态。 （详细内容见教材p86页）图4-8智能灯光系统的组成及信息流动方向在智能灯光系统中，通过电路连接控制系统和灯具，通过无线局域网实现控制终端和控制系统之间的连接。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控制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，所有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控制，适合初次尝试物联网系统设计的同学，开发难度较低。第二种方案优势是能实现跨地域远程控制，适合对远程控制范围要求高的场景。筛选和优化时需考虑开发成本、技术掌握程度、控制范围、功耗等因素。提示方案一：用系统开发板让灯具直连网络，实现局域网内远程控制，适合物联网设计新手。方案二：借助云平台实现跨地域远程控制，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控制终端，不连云平台。（详细内容见教材p88页）三、开发验证1.硬件方案设计物联网开发可用的微控制器芯片多，性能与价格差异大；随着国产芯片技术进步，自主可控芯片逐渐成物联网开发主流。以某国产集成 Wi - Fi 功能的微控制器为例，它功能强、成本低、安全易用。（详细内容见教材p88页）图4-11示例开发板为了快速验证设计方案，同学们准备制作一个灯具控制系统的模型，该模型的电路图如图4-12所示。图4-12 LED灯控制电路图根据电路图连接电路，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实验而设计制造的集成电路实验板。面包板上有若干行/列的插孔，插孔底部通过导体按照行/列或分组连通。（详细内容见教材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，为用户终端提供操控界面。监听网络信息，保持系统正常工作，接收控制指令。执行指令，根据 “开 / 关” 指令控制开发板引脚电平，点亮或熄灭 LED 灯。（详细内容见教材p90页）图4-16LED灯智能控制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情况。若实际效果与预期效果不一致，则需要查找原因并修改程序。试一试案例涉及的程序已经在配套的资源包中提供，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，在浏览器页面输入示例开发板的IP地址，即可通过网页控制LED灯的开关。控制界面参考图4-17。此程序仅能实现灯的开关控制，如果想要实现灯的亮度控制，需要进行哪些修改呢？图4-17LED灯控制界面实现灯的亮度控制，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，通过调节脉冲占空比控亮度。软件：一是添加 PWM 控制代码，通过改变占空比调节灯的电压 / 电流；二是修改网页控制界面，增加滑块等调节元素，方便用户发送亮度指令。四、课堂练习围绕 “联网 LED 灯控制系统在使用过程中，可能存在哪些信息安全风险”，结合具体案例，写下自己的思考，提出 2-3 条保护自身信息安全的建议。风险：1. 网络权限泄露（如 Wi-Fi 弱密码被破解，他人非法控制）。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 安全（WPA3 加密、强密码、定期更换）。2. 控制界面加账号密码认证。3. 定期更新设备固件。五、拓展延伸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交流电源为灯具供电，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控制高压设备，电路图如图4-18所示。图4-18 灯具控制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控制。断电操作：确保家庭电路总开关断开，避免触电。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，无裸露导线）。通电测试：先接通家庭电路总开关，再通过开发板发送控制指令，观察灯具是否正常开关。提示同学们一定要在老师的指导下进行电路改造，注意用电安全。物联网设备的网络安全防护联网 LED 灯控制系统虽简单，但仍需注意网络安全：Wi-Fi 加密：使用 WPA2/WPA3 加密方式，设置强密码（含字母、数字、符号），避免开放 Wi-Fi 导致他人非法控制。设备认证：在网页控制界面添加简单的账号密码验证，防止知道 IP 地址就能控制。固件更新：定期更新开发板的 MicroPython 固件，修复已知的安全漏洞。继电器的其他应用继电器除控制灯光外，还可用于控制其他高压设备：智能插座：通过继电器控制插座通电 / 断电，实现远程控制家电（如电饭煲、热水器）。电动窗帘：通过继电器控制窗帘电机的正反转，实现远程开关窗帘。鱼缸供氧机：通过继电器定时控制供氧机开关，节省电能观看视频：智能系统的应用 引导学生思考灯具控制的多种方式。学习相关知识。完成试一试。学习相关知识。完成试一试。学习相关知识。完成试一试。学习小知识。学生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。。阅读小知识。学习硬件方案相关知识。阅读材料。学习软件方面的设计知识。阅读提示。学习如果测试相关知识。完成试一试。完成练习题。进行知识拓展。完成试一试。 激发学生的探究兴趣。引导学生从实际生活出发，深入理解智能灯光系统的多样需求。引导学生从实际应用角度出发，思考智能灯光系统的功能需求，培养学生的需求分析能力和创新思维。帮助学生建立分层设计的思维。引导学生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逻辑的认识。将抽象的概念与智能灯光系统这一具体案例相结合，帮助学生建立系统的思维方式。深入理解 “闭环信息流动” 的概念和优势。引导学生深入理解智能灯光系统的结构组成和信息流转逻辑。让学生将课本中关于无线局域网的知识与生活实际相联系，同时拓展学生的知识面。引导学生将各部分组件的功能与系统整体运行联系起来。引导学生从不同角度分析智能灯光系统的架构方案。引导学生深入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。将理论知识（电路图、微控制器功能等）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入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实验做好知识准备。引导学生深入理解智能灯光系统软件方案的工作流程与各环节的功能。让学生了解使用 MicroPython 开发前期工作，补充知识盲区。让学生体会到程序开发中测试验证环节的重要性。引导学生深入思考智能灯光系统的功能拓展，培养学生的创新思维和对物联网系统软硬件协同设计的理解能力。考察学生学以致用的能力，深化对本课知识内容的理解和掌握。拓宽学生知识面。通过完成电路改造与智能控制实现，使学生深入理解智能灯光系统的工作原理。
课堂小结 联网LED灯控制系统方案设计与实施1.需求分析2.系统设计3.开发验证4.完成课堂练习5.进行知识拓展 总结回顾 对本节课内容进行总结概括。
课后作业 围绕 “如何将联网 LED 灯控制系统与人体红外传感器结合，实现‘人来灯亮、人走灯灭’的智能功能”，设计具体的实现方案，包括：需添加的硬件（如传感器型号）。硬件连接方式（绘制简单电路图）。软件编程思路（如传感器数据读取、灯的控制逻辑），字数不少于 300 字。 布置作业 拓展学生的学习能力
课堂板书 观看板书 强调教学重点内容。
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