鄭祥

● 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其原理

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分為感知、傳輸和控制三個方面。一個典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用是通過感知技術(shù)獲取數(shù)據(jù)，再傳輸、存儲到物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器上，最后物聯(lián)網(wǎng)根據(jù)這些外界環(huán)境的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的控制，從而實現(xiàn)與外界環(huán)境的“互動”，如圖1所示。

1.物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的感知技術(shù)涉及的領(lǐng)域非常廣泛，主要包括傳感器技術(shù)、射頻識別技術(shù)、GPS定位技術(shù)等，所有能夠?qū)⑼饨绛h(huán)境或物品的狀態(tài)信息轉(zhuǎn)化為計算機(jī)能處理的數(shù)字信號的技術(shù)都屬于感知技術(shù)。

2.物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的傳輸技術(shù)主要負(fù)責(zé)將物聯(lián)網(wǎng)終端感知到的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，主要借助于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景的多樣性，決定了物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的不同傳輸方案的部署。

3.物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)，顧名思義就是通過物聯(lián)網(wǎng)對某一物品或電器實現(xiàn)控制的目的，在一些智能家居產(chǎn)品上能看到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在控制方面的應(yīng)用。

● 物聯(lián)網(wǎng)課程的教學(xué)現(xiàn)狀

據(jù)調(diào)研，國內(nèi)中小學(xué)開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)課程的寥寥無幾，真正讓學(xué)生自行完成物聯(lián)網(wǎng)實驗的學(xué)校更是少之又少。以江蘇省為例，雖然最早將“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”作為拓展模塊納入義務(wù)教育信息技術(shù)課程指導(dǎo)綱要，但是教材卻停留在“紙上談兵”階段，幾乎沒有機(jī)會開展物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的基礎(chǔ)實驗，更別說動手實踐設(shè)計一個簡單的物聯(lián)網(wǎng)作品了。分析其原因，有如下兩點：①開展物聯(lián)網(wǎng)實驗需要硬件支持。②物聯(lián)網(wǎng)編程的技術(shù)門檻太高。雖然常見的開源硬件降低了硬件成本，但是所支持的編程語言卻不適合初中學(xué)生。如下頁表1所示，除了圖形化編程語言外，可選的只有C++、JavaScript、MicroPython。圖形化的編程只能在小學(xué)階段使用，而C/C++和JavaScript語言對初中學(xué)生而言難度太高。至于MicroPython，雖然其語法風(fēng)格與Python語言一致，但是缺少各種Python擴(kuò)展庫的支持后，很多創(chuàng)意被限制了。

● 用Python語言設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)實驗的可行性

隨著計算思維成為新課程核心素養(yǎng)的重要組成部分，Python語言也作為統(tǒng)一的編程語言納入各個版本的高中新教材。浙江省2020年版初中信息技術(shù)教材中，也將Python語言完全取代了VisualBasic語言的編程教學(xué)，并將物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)內(nèi)容作為主要部分納入八年級下冊新教材，如表2所示。

相較C/C++、JavaScript語言，Python語言語法風(fēng)格簡單。與此同時，Python語言又擁有十分龐大的模塊和庫，非常適合初中學(xué)生編寫與網(wǎng)絡(luò)、人工智能相關(guān)的應(yīng)用。雖然借助pyserial庫，Python能夠通過串口控制各種開源硬件，并與之交互，但是開源硬件端需要編寫相應(yīng)程序（燒錄固件），相對來說難度還是太高，不適合推廣。

當(dāng)pinpong庫出現(xiàn)后，Python導(dǎo)入庫并建立對象后，就能自動給開源硬件“燒錄”固件，還能完美地兼容掌控板和micro：bit等開源硬件。就連不支持網(wǎng)絡(luò)連接的Arduino，也可以在pinpong庫的支持下通過計算機(jī)串口實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。這樣一來，物聯(lián)網(wǎng)終端硬件的選擇范圍擴(kuò)大了，編程的技術(shù)門檻也大幅度降低。Python的庫非常豐富，結(jié)合MQTT或者siot庫，完成一個物聯(lián)網(wǎng)實驗非常簡單。

● 初中物聯(lián)網(wǎng)實驗的設(shè)計范例

感知和控制是物聯(lián)網(wǎng)中的核心內(nèi)容。本文選擇了兩個經(jīng)典的物聯(lián)網(wǎng)實驗，即感知溫度和遠(yuǎn)程控制，展示基于Python和pinpong庫的物聯(lián)網(wǎng)實驗設(shè)計。實驗的硬件采用Arduino，物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器選擇SIoT，物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議采用MQTT，并使用siot庫。SIoT服務(wù)器和siot庫都是開源的，屬于“虛谷計劃”中虛谷物聯(lián)項目中的組成部分。從難度上看，小學(xué)高年級和初中學(xué)生完全可以理解和掌握。

1.物聯(lián)網(wǎng)采集實驗：感知溫度

實驗內(nèi)容：通過Arduino定時采集環(huán)境溫度，然后上傳到物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。

硬件清單：ArduinoUno、擴(kuò)展板、LM35溫度傳感器。

將ArduinoUno與擴(kuò)展板連接起來，再將LM35溫度傳感器連接到擴(kuò)展板的A0引腳，如圖2所示。具體代碼掃描下方二維碼。

運(yùn)行代碼后，計算機(jī)將自動給Arduino刷寫一個“固件”，隨后就每隔0.5秒上傳溫度數(shù)據(jù)到SIoT服務(wù)器，Topicid為“tiyan2/temp”。感知溫度代碼運(yùn)行及siot平臺溫度數(shù)據(jù)掃描下頁二維碼。

2.物聯(lián)網(wǎng)控制實驗：LED燈遠(yuǎn)程控制

實驗內(nèi)容：通過物聯(lián)網(wǎng)平臺SIoT，發(fā)送MQTT指令，實現(xiàn)對LED燈的控制。

硬件清單：Arduino Uno、擴(kuò)展板、LED燈模塊。

將ArduinoUno與擴(kuò)展板連接起來，再將LED燈連接到擴(kuò)展板的D8引腳上，如圖3所示。具體代碼掃描下方二維碼。

運(yùn)行程序代碼。當(dāng)收到物聯(lián)網(wǎng)平臺上的消息為“on”時，點亮LED燈;當(dāng)收到物聯(lián)網(wǎng)平臺上的消息為“off”時，則熄滅LED燈。

注：MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸）是一種基于發(fā)布/訂閱模式的“輕量級”物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議。它可以用極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠(yuǎn)程設(shè)備提供實時可靠的消息服務(wù)，也就是說它可以在較差的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下使用。目前，國內(nèi)外主要的云計算服務(wù)商，如阿里云、AWS、百度云、Azure以及騰訊云等都支持MQTT協(xié)議。

● 基于Python語言的初中物聯(lián)網(wǎng)課程設(shè)計

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，智能家居也逐漸走進(jìn)了人們的生活。智能家居是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的拓展，也是學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的最直觀感受。因此，初中的物聯(lián)網(wǎng)課程可以與智能家居相結(jié)合，初中物聯(lián)網(wǎng)課程可按如表3所示的參考目錄進(jìn)行開設(shè)。

這兩個單元，除了增加相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)實驗外，還可以采用項目式學(xué)習(xí)的方式，讓學(xué)生分組真正動手制作物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。例如，第一單元可以選擇制作“搭建一個簡單的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模型”，第二單元可以選擇“改造家里的智能家居應(yīng)用”。除了可以完成課程中的各種實驗，還可以開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)方面的創(chuàng)客作品。

● 結(jié)語

信息技術(shù)在高速發(fā)展，中小學(xué)的信息技術(shù)課程也要與時俱進(jìn)。物聯(lián)網(wǎng)課程的開設(shè)，既需要一系列硬件、軟件的支持，也需要設(shè)計一系列貼近學(xué)生生活的經(jīng)典實驗，以此來激發(fā)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)造意識。語法簡潔而功能強(qiáng)大的Python語言、價格低廉而擴(kuò)展豐富的開源硬件，是物聯(lián)網(wǎng)課程的最佳選擇。在pinpong庫的支持下，二者完美地結(jié)合在一起，大大降低了物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)門檻，期望在越來越多的物聯(lián)網(wǎng)課程中加入實驗活動，讓學(xué)生能夠真正駕馭物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。