第4单元第13课第一节《基于物联网平台的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4.13课《基于物联网平台的LED灯控制系统方案设计与实施》教学设计
课题 基于物联网平台的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：主动了解物联网云平台控制 LED 灯的技术原理，明确远程控制与局域网控制的差异，提升对物联网系统优化需求的敏感度。计算思维：分析物联网 LED 灯控制系统的流程，拆解云平台接入、数据交互等关键环节，培养用技术解决远程控制问题的思路。数字化学习与创新：学会选择适配的物联网云平台与开发板，能动手搭建简单的远程 LED 灯控制系统，提升数字工具应用与系统设计创新能力。信息社会责任：关注物联网设备通信过程中的数据安全，如避免控制指令被劫持，不随意泄露设备接入云平台的密钥，树立技术应用的安全意识。
教学重点 掌握基于物联网平台的 LED 灯控制系统的需求分析、系统设计思路，以及云平台和开发板的选择方法。
教学难点 理解物联网云平台与系统开发板的通信机制，以及如何将理论设计转化为实际可操作的系统开发验证流程。
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4.13课 基于物联网平台的LED灯控制系统方案设计与实施问题情境大家有没有发现，我们之前设计组建的联网LED灯控制系统只能在局域网内实现控制。也就是说，一旦脱离局域网环境就无法使用这个控制系统。现在，我们准备设计、组建一个更强大的基于物联网平台的系统，优化对灯具的控制方式。 思考之前 LED 灯控制系统的局限。 引发学生对优化控制系统的兴趣，明确新课目标。
讲授新课 新知讲解：实践探究一、需求分析物联网LED灯控制系统可以实现远程开关灯控制、灯的开关状态显示、开关灯次数及时间记录等诸多功能，具体功能需依据实际需求来确定。试一试我们要设计的物联网LED灯控制系统需要实现哪些功能呢？进行分析并完成表4-6。表4-6物联网LED灯控制系统的功能需求功能具体说明显示灯的开关状态实时显示灯的开关状态数据记录与处理记录每次开灯、关灯的时间远程控制功能通过手机 APP等终端远程控制 LED 灯的开关亮度调节功能支持远程或本地调节 LED 灯的亮度小知识物联网系统的核心在于 “联网交互” 与 “智能联动”，上述功能既满足基础控制需求，又通过数据记录、远程操作、自动化联动提升了系统的智能化和实用性，符合简易物联网系统的设计目标。二、系统设计想一想与之前设计的LED灯局域网控制方案相比，采用物联网云平台的方案需要对物联网的感知层、网络层、应用层中的哪个部分进行再设计？主要对网络层和应用层进行再设计。网络层新增云平台作为数据中转节点，改变原有的 “终端 - 开发板” 直接通信模式。应用层新增云平台的数据存储、处理功能，替代原局域网方案中简单的本地数据交互。小知识云平台在物联网系统中扮演 “数据中枢” 角色，除了实现设备间的通信中转，还能提供数据存储（如长期保存 LED 灯开关记录）、数据分析（如统计某时段开灯时长）、设备管理（如添加 / 删除受控 LED 灯）等增值功能，大幅提升系统的扩展性。在图4-19所示的方案中，控制终端通过无线局域网与系统开发板直接进行信息交互，一旦脱离局域网，通信立即中断。图4-19局域网方案在图4-20所示的方案中，控制终端和系统开发板之间增加了一个云平台，二者都连接到云平台上，通过云平台进行信息交互。云平台还可以存储数据，方便系统进行数据处理和分析。图4-20物联网云平台方案想一想物联网云平台是如何与系统开发板进行通信的 我们要设计的系统需要选择哪种类型的云平台呢？通信方式：开发板通过 WiFi/4G 模块连入互联网，用 MQTT（或 HTTP 等协议，和云平台双向通信：上传 LED 灯状态，接收开关、亮度调节等指令。云平台类型：选阿里云 IoT、华为云 IoT 等公共物联网云平台，它们有成熟的设备管理、协议解析能力和开发工具，能快速实现设备联网与远程控制，适配简易系统需求。小知识MQTT 协议之所以适合物联网设备通信，是因为其具有 “轻量级” 特性 —— 协议数据包小（最小控制报文仅 2 字节）、带宽占用低、功耗低，能适配开发板等硬件资源有限的设备，同时支持 “发布 - 订阅” 模式，可实现多设备同时接收同一指令（如一个云平台向多个 LED 灯开发板发送 “开灯” 指令）。三、开发验证1.物联网云平台选择选云平台需考虑易用性、安全性、功能；商用项目还需兼顾售后、商业支持及成本。物联网云平台分商用和免费开源两类。本项目平台需支持 MQTT 协议、具备数据可视化功能，且操作简便、适合初学者。（详细内容见教材p94页）MQTT 是轻量级协议，适用于物联网设备通信；数据可视化可直观呈现设备数据，还需界面友好、操作简捷。以图 4 - 21 所示平台为例，介绍本项目设计过程。（详细内容见教材p94页）小知识数据可视化是物联网云平台的重要功能，常见的可视化形式有状态指示灯（直观显示 LED 灯 “亮 / 灭”）、时间轴图表（展示某时段开关灯记录）、统计报表（计算每日开灯次数），能帮助用户快速理解设备运行状态，无需查看原始数据。2.开发板选择开发板选择对项目至关重要，需综合三方面：集成度高，内置多种传感器与执行器。硬件连接简单，接线及设置简便，接口便于外接设备。软件开发简便，支持图形化编程及与物联网平台连接。（详细内容见教材p95页）示例开发板如图4-22所示。图4-22示例开发板四、课堂练习完成单项选择题:1，与 LED 灯局域网控制方案相比，物联网云平台方案新增的核心组件是（ B ）。A. 系统开发板 B. 云平台 C. LED 灯 D. 控制终端2，物联网云平台与系统开发板通信时，适合采用的轻量级协议是（ B ）。A. HTTP B. MQTT C. TCP D. IP完成多项选择题:选择物联网云平台时，本项目需考虑的因素有（ ABCD ）。A.支持 MQTT 协议 B. 具备数据可视化功能 C. 操作简便 D. 适合初学者使用示例开发板的优势包括（ ABC ）。A.集成多种传感器和执行器 B. 硬件连接简单C. 支持图形化编程 D. 仅能用于局域网项目五、拓展延伸云平台的数据安全措施商用云平台通常提供设备身份认证（如设备密钥）。数据加密传输（如 TLS/SSL 加密）。访问权限控制（如仅指定账号可控制 LED 灯）等安全功能，可防止控制指令被篡改、设备被非法接入。开发板的低功耗优化若需设计电池供电的远程 LED 灯系统，可选择支持深度休眠模式的开发板（如 ESP32-C3），通过减少非工作时段的功耗（如仅在接收指令时唤醒），延长电池使用寿命，常见于智能家居中的无线感应灯项目。观看视频：云平台的架构 分析物联网 LED 灯控制系统需实现的功能。完成试一试。学习小知识。完成想一想。学习小知识。对比局域网与云平台方案，思考需再设计的物联网层级。完成想一想。学习小知识。学习相关知识。学习小知识。学习相关知识。完成课堂联练习。进行知识拓展。 培养学生需求分析与归纳能力，明确系统功能方向。引导学生主动思考系统功能需求，培养需求分析与归纳总结的能力。帮助学生明确物联网系统核心要点。引导学生对比两种控制方案，加深对物联网分层架构的理解。帮助学生明确云平台的核心作用与价值，理解其如何通过多种功能提升物联网系统的扩展性。帮助学生理解系统架构变化，掌握方案优化逻辑。引导学生主动探究云平台与开发板的通信机制及云平台选型要点。帮助学生掌握 MQTT 协议的特性及在物联网通信中的优势。让学生明确云平台作用与选型要点，深化对通信的认识。帮助学生认识数据可视化在物联网云平台中的重要性。使学生掌握开发板选型依据，了解硬件对项目的支撑作用。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。
课堂小结 基于物联网平台的LED灯控制系统方案设计与实施 第一节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 尝试使用选定的云平台（如阿里云 IoT 入门版）与示例开发板，搭建简易的远程 LED 灯控制系统，完成以下任务：记录开发板接入云平台的步骤（如设备注册、参数配置）；测试远程控制功能（用手机发送开关灯指令，观察 LED 灯状态是否变化）；记录搭建过程中遇到的问题（如连接失败、指令无响应）及解决方法；撰写 150 字以上的实验报告，总结本次搭建的收获与不足。 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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