第三单元 第二节 物联网平台与协议 教案 川教版（2024）信息技术八年级上

中小学教育资源及组卷应用平台
第3.2课《物联网平台与协议》教学设计
课题 物联网平台与协议 单元 第三单元 学科 信息技术 年级 八年级
核心素养目标 信息意识：能够了解物联网云平台的核心功能、常用通信协议的特点及应用场景，认识平台与协议在物联网系统中的核心作用。计算思维：能够分析 MQTT 协议的订阅 / 发布通信逻辑，理解物联网云平台与设备、协议之间的协同关系，提升数据传输与交互的逻辑分析能力。数字化学习与创新：能够借助网络检索查阅云平台、通信协议相关资料，通过实操在物联网云平台创建主题，创新技术应用与实践的学习形式。信息社会责任：能够认识到物联网平台与协议在智能消防、智慧农业等领域的应用价值，理解其对提升生活安全、生产效率的重要意义，树立技术应用的责任意识。
教学重点 能够分析 MQTT 协议的订阅 / 发布通信逻辑，理解物联网云平台与设备、协议之间的协同关系，提升数据传输与交互的逻辑分析能力。
教学难点 能够认识到物联网平台与协议在智能消防、智慧农业等领域的应用价值，理解其对提升生活安全、生产效率的重要意义，树立技术应用的责任意识。
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3.1课 物联网的通信技术学习目标1.通过查阅资料，了解主要的物联网云平台。2.通过案例分析、实践活动，掌握基于M0TT协议实现远程通信的方法。新知导入欢欢：博士爷爷，我知道了Wi-Fi、5G等技术可以实现物联网通信，可是应该借助什么平台与方式来实现智能消防系统的远程报警功能呢 博士爷爷：这就需要我们进一步了解物联网的通信平台与协议了。（观看视频） 观看视频明确目标，思考智能消防远程报警的平台与协议需求。 激发探究欲，让学生初步感知平台与协议的核心作用。
讲授新课 新知讲解：一、物联网云平台物联网云平台是利用云计算为物联网设备提供数据存储、计算和管理的平台。它通过将物联网设备与云服务器进行连接，从而实现设备之间的通信，核心功能包含设备接入与管理、数据存储与分析、远程监控与控制、数据安全与隐私保护等。物联网云平台支持多种通信协议与接口标准，使得各种设备可以方便地接入平台。此外，物联网云平台借助其强大的云计算能力，可以为物联网应用提供实时数据分析与决策支持。借助物联网云平台，人们可以随时随地对设备进行监控和控制，提升了用户使用的便利性。物联网云平台还可以通过加密、身份认证、访问控制等多种手段，保护设备和数据安全。 1、探究活动一查阅资料，了解常用的物联网云平台有哪些？物联网云平台的核心功能离不开大数据与云计算技术的支撑。物联网设备产生了大量的数据，这些数据本身并不具备太多的意义，但是通过大数据技术对这些数据进行分析，便可以从中提取出有用的信息，从而帮助用户做出决策。物联网中设备数量随着应用规模扩大而不断增加，云计算技术则为之提供了弹性、可扩展的计算与存储资源，将物联网应用和服务部署于云平台，还可实现资源的集中管理与调度，减轻本地设备的负担。随着人工智能技术的不断发展，人工智能与物联网的结合让数据分析更加智能化、应用服务更加个性化。例如:人工智能结合物联网照明系统，可根据一天的光照数据和用户偏好自动调整灯光亮度，为用户创造更加个性化的环境;此外，由于物联网设备有一定的寿命周期，借助人工智能算法对设备的寿命周期进行预测，有助于帮助人们了解何时需更换设备，从而减少资源浪费。2、探究活动二查阅资料并交流分享，人工智能与物联网的结合还为哪些领域带来了何种改变？ 二、物联网的通信协议 欢欢：博士爷爷，物联网的通信技术通信平台使得物与物之间有了通信的桥梁，但是物与物之间如何通信呢 我还是不太明白。 博士爷爷：欢欢，物与物之间通信，还需要制定一套通信的规则，这便是物联网的通信协议。 常见的物联网通信协议有ZigBee协议、LoRaWAN 协议MOTT 协议等，它们各有优点与应用场景。ZigBee协议的传输距离为数十到数百米，适用于组建大规模传感器网络和家庭自动化系统。LoRaWAN协议的传输距离可达数千米，常用于农业环境监测、智慧城市等领域。 1、探究活动三 分组查阅资料、交流分享，了解上述物联网通信协议的主要应用场景，进一步感知不同协议的特点。上述物联网通信协议中，MOIT协议采用了独特的订阅/发布模式，具有低带宽、异步通信、使用简单等优点，在物联网通信中被广泛使用。在 MOTT协议中有三种角色:发布方、订阅方和 MOTT代理，发布方、订阅方常常是各种设备或应用，MOTT代理常常是各种物联网云平台，发布方与订阅方之间的通信以“主题”为中介。基于 MOTT 协议的通信过程可分为4步:①在物联网云平台中建立若干主题;②订阅方根据需求订阅某些主题;③发布方将数据发布到某个主题中;④物联网云平台将某主题中的数据发布给该主题的所有订阅方。以智慧农业中远程监测蔬菜大棚内环境温度、土壤湿度等数据为例，首先在物联网云平台中建立“温度”“土壤湿度”主题，假设应用1、应用2订阅了“温度”主题，当温度传感器采集的温度数据发布至物联网云平台后，物联网云平台便会将温度数据发布给应用1、应用2。物联网云平台可以同时管理多个主题，设备或应用既可以是发布方也可以是订阅方，当设备向云平台发送数据时，即是发布方;当设备从云平台接收数据时，即是订阅方。2、思考活动智能消防系统借助温度传感器、烟雾传感器、火焰传感器等监测环境数据，当发生异常情况时，就向手机端远程报警。若借助物联网云平台、MOTT协议实现智能消防系统远程报警功能，物联网云平台中应建立哪些主题 每个主题的发布方和订阅方分别是什么 填写在下表中。3、实践活动登录某个物联网云平台，尝试建立上表中你设计的主题。以 Easylot 物联网云平台为例，首先打开平台官网，完成注册并登录账号。进入平台后，找到 “主题管理” 功能模块。第一步，创建 “温度” 主题：在主题名称栏输入 “温度”，作用描述为 “接收火灾现场温度数据”，将温度传感器设置为发布方，手机应用设置为订阅方，点击 “保存” 完成配置。第二步，创建 “烟雾” 主题：名称设为 “烟雾”，作用为 “接收火灾现场烟雾数据”，发布方选择烟雾传感器，订阅方设置为手机应用，确认参数后保存。第三步，创建 “火焰” 主题：名称填 “火焰”，作用是 “接收火灾现场火焰数据”，发布方选火焰传感器，订阅方为手机应用，完成保存操作。全部设置完毕后，在主题列表中核查三个主题的发布方、订阅方配置是否准确，确保其能支撑智能消防系统的远程报警功能，实现传感器数据向手机应用的实时推送。4、拓展阅读人工智能时代的天气预报天气预报在日常生活、农业生产、航空与交通运输中都起着重要作用。例如在农业生产中，农作物的生长与气象因素密切相关，准确的天气预报可以帮助农民合理安排农事活动，如种植灌溉、收获等，还可以帮助农民防范灾害性天气，如干旱、洪涝和冰雹等;在航空与交通运输中，恶劣的天气条件如大雾、雷暴、风暴等可能导致航班延误、交通拥堵甚至航空事故，准确的天气预报可以帮助航空公司、航运公司和交通管理部门做出决策，如调整航班计划、重新规划航线和进行交通管制等。传统天气预报主要采用数值预测法，通过数学和物理方程来构建模拟和预测大气运动及变化的复杂模型，这些模型将地球大气划分为许多网格，通过计算和模拟各个网格上的物理过程，如空气流动、辐射传输、湿度变化等，来预测未来的天气状况。数值预测需要输入大量的初始观测数据，并通过迭代计算来预测未来的天气，对计算资源的消耗巨大，需要超级计算机持续不断地运算才能满足实际需求，在预测精度和速度上也遭遇了瓶颈。随着人工智能技术的发展，物联网+人工智能为更精准的天气预报带来了可能。2024年，我国企业研发的“盘古气象大模型”，采用适配地球坐标的三维神经网络与层次化时域聚合策略，实现了精准的全球中期气象预报。该模型仅需10秒即可完成全球 7天内的天气预报，计算速度提升万倍以上，相比全球领先的欧洲中期天气预报中心系统，预报时效提高约 0.6天，热带气旋路径预报误差率降低 25%。三、课堂练习完成课堂练习26-27页。六、拓展延伸1、 MQTT 协议优势MQTT 协议以轻量、低功耗著称，仅需少量带宽即可实现设备间数据传输，尤其适合传感器、智能硬件等资源有限的设备。它支持消息订阅 / 发布模式，能灵活适配多设备通信场景，比如智能消防系统中，多个传感器可同时向手机应用推送数据，是物联网场景中应用最广泛的协议之一。2、 AIoT 未来趋势AI 与物联网的融合（AIoT）正朝着 “边缘智能” 发展，设备可在本地完成数据处理和决策，减少对云端依赖，提升响应速度。未来，AIoT 将更深入融入智慧校园、智能社区等场景，比如校园智能安防系统自动识别异常行为，社区垃圾分类设备智能引导分类，让生活更便捷高效。3、 物联网安全防护物联网设备联网后易面临数据泄露、恶意控制等风险。防护核心在于三点：一是设备设置强密码并定期更换；二是及时更新设备固件，修复安全漏洞；三是避免在公共网络下传输敏感数据。比如智能消防系统，需加密传感器传输的火灾数据，防止被篡改导致误报警。4、通信协议大比拼 不同物联网通信协议各有侧重：MQTT 适合远程、低带宽场景；ZigBee 功耗低、延迟小，适合家庭短距离设备联动；LoRaWAN 传输距离远、覆盖广，适合大规模户外监测。选择时需结合场景需求，比如农业农田监测选 LoRaWAN，家庭智能灯光控制选 ZigBee。 通过网络检索，搜集并整理常用物联网云平台名称及特点。分组交流 AI 与物联网结合的领域及带来的改变，分享观点。分组查阅资料，梳理 ZigBee、LoRaWAN 等协议的应用场景。设计智能消防系统的 MQTT 主题，明确各主题的发布方与订阅方。登录 Easylot 平台，创建设计的主题并配置发布方与订阅方。阅读资料，分析物联网 + AI 在天气预报中的应用优势。独立完成练习，巩固本课核心知识点。学习了解拓展知识 培养学生信息检索能力，让学生了解云平台的多样性。拓宽学生视野，让学生理解技术融合的实用价值。让学生掌握不同协议的差异，提升对比分析能力。锻炼学生计算思维，理解 MQTT 协议的订阅 / 发布逻辑。提升学生数字化实操能力，强化平台与协议的协同认知。让学生感受技术融合的创新价值，拓宽应用认知。检测学生知识掌握情况，及时查漏补缺。拓展学生知识面
课堂小结 《物联网平台与协议》课程小结：我们跟着博士爷爷和欢欢，探秘物联网的 “云端与连接”。先认识了阿里云、华为云等常用物联网云平台，了解了 AI 与物联网在智能家居、医疗、交通领域的融合应用。还分清了 MQTT、ZigBee、LoRaWAN 三大通信协议的适用场景，通过 Easylot 平台搭建智能消防主题，实操了发布方与订阅方的配置。测试调试时格外好奇这些知识还能适配哪些场景，满心期待解锁物联网更多实用 “技能”！ 总结回顾 对本节课内容进行总结概括。
课后作业 1、用 Easylot 平台创建 “燃气浓度” 主题，指定发布 / 订阅方，简述所选通信协议及理由。 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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