律原 楊屹

項目背景

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，教育主管部門充分認識到讓中小學(xué)生盡早體驗、學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要性與緊迫性。2022 年4 月，教育部發(fā)布《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 年版）》，將“ 物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索”作為7—9 年級學(xué)生學(xué)習(xí)的三大內(nèi)容之一。

項目主題

本項目使用ESP32 作為主控板，通過圖形化編程軟件Mixly 和Mix IO 平臺完成1 個可遠程控制開關(guān)的元宵節(jié)燈籠，幫助學(xué)生了解并初步掌握前沿的物聯(lián)網(wǎng)軟硬件知識，激發(fā)他們對繼承與發(fā)展中華傳統(tǒng)文化的思考。

項目目標(biāo)

● 從硬件知識的角度，希望學(xué)生了解物聯(lián)網(wǎng)硬件基礎(chǔ)并掌握ESP32 主控板與發(fā)光二極管連接與驅(qū)動的電路。

● 從程序設(shè)計的角度，希望學(xué)生了解物聯(lián)網(wǎng)程序設(shè)計的基本架構(gòu)，理解下位機與上位機的邏輯關(guān)系，初步掌握利用Mixly 圖形化編程軟件設(shè)計下位機程序和利用MixIO 平臺編寫上位機程序的能力。

● 從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度，希望學(xué)生初步掌握使用LaserMaker 軟件設(shè)計簡單結(jié)構(gòu)的方法。

● 從情感態(tài)度與價值觀的角度，希望通過本項目激發(fā)學(xué)生對利用現(xiàn)代科技發(fā)揚中國傳統(tǒng)文化進行的思考，并在項目實施的過程中培養(yǎng)合作精神與項目展示技能。

課程安排

總課時安排為4 課時，每個小組2 ～ 3 名學(xué)生，教師可以根據(jù)學(xué)生的基礎(chǔ)對各部分的課時進行調(diào)整，以達到最佳效果。

項目引入

元宵節(jié)知識

元宵節(jié)知識在本項目中主要起激發(fā)學(xué)生興趣和引入項目的作用，教師可以預(yù)先讓學(xué)生自行上網(wǎng)檢索元宵節(jié)的來歷和習(xí)俗，重點收集元宵節(jié)燈籠圖片，為下一步設(shè)計和制作打下基礎(chǔ)。

ESP32主控板概述

本項目主要使用ESP32 主控板的物聯(lián)網(wǎng)功能，ESP32使用Tensilica LX6 雙核處理器，CPU 正常工作速度為80 MHz，最高可達240 MHz，可輕松處理較為復(fù)雜的任務(wù)。

發(fā)光二極管與 ESP32主控板的連接

發(fā)光二極管（簡稱LED）是一種常用的發(fā)光器件，它通過電子與空穴復(fù)合釋放能量發(fā)光。發(fā)光二極管的正極與ESP32 主控板的12 號引腳連接，發(fā)光二極管的負極與ESP32 主控板的GND 連接。ESP32 主控板的每一個引腳都可控制發(fā)光二極管，需要注意的是每個發(fā)光二極管的工作電流為20 mA 左右，為了保護ESP32 主控板，同時使用的發(fā)光二極管的個數(shù)最好低于10 個。

軟件編寫

本項目使用北京師范大學(xué)傅騫教授團隊開發(fā)的米思齊（Mixly）圖形化軟件編寫ESP32 主控板的程序，上位機也使用與米思齊配套的Mix IO 平臺完成，軟硬件均做到了自主、開源、可控。讀者可以通過米思齊的官方網(wǎng)站下載最新版的米思齊軟件。本項目使用Arduino ESP32 為ESP32 主控板編寫程序。

項目實施

為物聯(lián)網(wǎng)控制的元宵節(jié)燈籠編寫 ESP32主控板程序

圖1 所示為本項目ESP32 主控板程序，整體可分為3個部分：第1 部分程序用于連接燈籠所在環(huán)境的無線路由器，也可通過手機等設(shè)備的無線熱點連接；第2 部分程序用于創(chuàng)建MQTT 客戶端并進行連接，先創(chuàng)建一個Mix IO平臺賬號，并通過該賬號和項目密碼訪問需要連接的項目；第3 部分程序用于接收指定主題的MQTT 消息，本項目接收“l(fā)ight”主題的消息，如果“l(fā)ight”主題發(fā)送“on”消息，則點亮發(fā)光二極管，如果“l(fā)ight”主題發(fā)送“off”消息，則關(guān)閉發(fā)光二極管。

為物聯(lián)網(wǎng)控制的元宵節(jié)燈籠編寫上位機程序

為了使用手機等設(shè)備遠程控制元宵節(jié)燈籠的打開與關(guān)閉，使用Mix IO 平臺為元宵節(jié)燈籠編寫上位機程序。使用Mix IO 前需先訪問網(wǎng)址（http：//47.92.33.17/），注冊Mix IO 平臺用戶賬號（圖2a），再建立一個名為“hello”的Mix IO 項目（圖2b），進入hello 項目后點擊項目名稱“hello”，可獲得項目連接密碼（圖2c），并將密碼填寫到圖1 所示程序第2 部分的密碼中。

建立好項目，就可進入項目編寫上位機程序。每個Mix IO 項目程序由數(shù)據(jù)、組件和邏輯3 部分構(gòu)成。由于本項目只控制元宵節(jié)燈籠的打開與關(guān)閉，不涉及數(shù)據(jù)的組織，因此程序只需在“組件”界面添加2 個按鈕，一個按鈕命名為“打開燈籠”，另一個按鈕命名為“關(guān)閉燈籠”，然后在“邏輯”界面為2 個按鈕分別編寫觸發(fā)時所執(zhí)行的程序即可。如圖3 所示，按下“打開燈籠”按鈕會向“l(fā)ight”主題發(fā)送“on”消息；按下“關(guān)閉燈籠”按鈕會向“l(fā)ight”主題發(fā)送“off”消息。

元宵節(jié)燈籠的結(jié)構(gòu)設(shè)計

本項目使用Laser Maker 軟件設(shè)計元宵節(jié)燈籠結(jié)構(gòu)，讀者可以到雷宇科教的網(wǎng)站下載該軟件。

如圖4a 所示，先使用Laser Maker 的“一鍵造物”功能生成1 個內(nèi)部邊長為10 厘米的正方體，作為燈籠的主體，然后再將前、后、左、右4 片箱體挖空，將上片箱體改造為燈籠的提梁，燈籠的基本結(jié)構(gòu)就改造完成了（圖4b）。

元宵節(jié)燈籠的總裝

使用4 節(jié)5 號電池為物聯(lián)網(wǎng)控制的元宵節(jié)燈籠供電，預(yù)組裝成功后，為燈籠的結(jié)構(gòu)糊上宣紙（圖5a），圖5b為燈籠組裝完成后點亮的效果。學(xué)生可通過手機等設(shè)備的Mix IO 上位機程序遠程控制燈籠的打開與關(guān)閉。

教學(xué)反思

需要強調(diào)的是，在項目式學(xué)習(xí)中教師的主要作用應(yīng)該是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進而引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。在講授完項目所需的基礎(chǔ)知識后，教師應(yīng)為學(xué)生的項目式學(xué)習(xí)活動多“留白”，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性與創(chuàng)造性。在本項目中教師可以引導(dǎo)學(xué)生擴展燈籠的功能，比如通過程序控制燈籠的亮度，使用全彩發(fā)光二極管替代單色發(fā)光二極管，通過程序控制燈籠變色；啟發(fā)學(xué)生改進燈籠的結(jié)構(gòu)；嘗試為燈籠繪制符合元宵節(jié)氣氛的圖案等。