基于Python語言開展初中物聯網實驗教學

鄭祥

● 物聯網技術及其原理

物聯網技術分為感知、傳輸和控制三個方面。一個典型的物聯網應用是通過感知技術獲取數據，再傳輸、存儲到物聯網服務器上，最后物聯網根據這些外界環境的數據做出相應的控制，從而實現與外界環境的“互動”，如圖1所示。

1.物聯網感知技術

物聯網的感知技術涉及的領域非常廣泛，主要包括傳感器技術、射頻識別技術、GPS定位技術等，所有能夠將外界環境或物品的狀態信息轉化為計算機能處理的數字信號的技術都屬于感知技術。

2.物聯網傳輸技術

物聯網的傳輸技術主要負責將物聯網終端感知到的環境數據傳輸至物聯網服務器，主要借助于互聯網技術。物聯網應用場景的多樣性，決定了物聯網終端設備的不同傳輸方案的部署。

3.物聯網控制技術

物聯網控制技術，顧名思義就是通過物聯網對某一物品或電器實現控制的目的，在一些智能家居產品上能看到物聯網技術在控制方面的應用。

● 物聯網課程的教學現狀

據調研，國內中小學開設物聯網課程的寥寥無幾，真正讓學生自行完成物聯網實驗的學校更是少之又少。以江蘇省為例，雖然最早將“物聯網技術”作為拓展模塊納入義務教育信息技術課程指導綱要，但是教材卻停留在“紙上談兵”階段，幾乎沒有機會開展物聯網相關的基礎實驗，更別說動手實踐設計一個簡單的物聯網作品了。分析其原因，有如下兩點：①開展物聯網實驗需要硬件支持。②物聯網編程的技術門檻太高。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階段使用，而C/C++和JavaScript語言對初中學生而言難度太高。至于MicroPython，雖然其語法風格與Python語言一致，但是缺少各種Python擴展庫的支持后，很多創意被限制了。

● 用Python語言設計物聯網實驗的可行性

隨著計算思維成為新課程核心素養的重要組成部分，Python語言也作為統一的編程語言納入各個版本的高中新教材。浙江省2020年版初中信息技術教材中，也將Python語言完全取代了VisualBasic語言的編程教學，并將物聯網的相關內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，非常適合初中學生編寫與網絡、人工智能相關的應用。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程序（燒錄固件），相對來說難度還是太高，不適合推廣。

當pinpong庫出現后，Python導入庫并建立對象后，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。就連不支持網絡連接的Arduino，也可以在pinpong庫的支持下通過計算機串口實現聯網。這樣一來，物聯網終端硬件的選擇范圍擴大了，編程的技術門檻也大幅度降低。Python的庫非常豐富，結合MQTT或者siot庫，完成一個物聯網實驗非常簡單。

● 初中物聯網實驗的設計范例

感知和控制是物聯網中的核心內容。本文選擇了兩個經典的物聯網實驗，即感知溫度和遠程控制，展示基于Python和pinpong庫的物聯網實驗設計。實驗的硬件采用Arduino，物聯網服務器選擇SIoT，物聯網協議采用MQTT，并使用siot庫。SIoT服務器和siot庫都是開源的，屬于“虛谷計劃”中虛谷物聯項目中的組成部分。從難度上看，小學高年級和初中學生完全可以理解和掌握。

1.物聯網采集實驗：感知溫度

實驗內容：通過Arduino定時采集環境溫度，然后上傳到物聯網服務器。

硬件清單：ArduinoUno、擴展板、LM35溫度傳感器。

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

運行代碼后，計算機將自動給Arduino刷寫一個“固件”，隨后就每隔0.5秒上傳溫度數據到SIoT服務器，Topicid為“tiyan2/temp”。感知溫度代碼運行及siot平臺溫度數據掃描下頁二維碼。

2.物聯網控制實驗：LED燈遠程控制

實驗內容：通過物聯網平臺SIoT，發送MQTT指令，實現對LED燈的控制。

硬件清單：Arduino Uno、擴展板、LED燈模塊。

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

運行程序代碼。當收到物聯網平臺上的消息為“on”時，點亮LED燈;當收到物聯網平臺上的消息為“off”時，則熄滅LED燈。

注：MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸）是一種基于發布/訂閱模式的“輕量級”物聯網通信協議。它可以用極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠程設備提供實時可靠的消息服務，也就是說它可以在較差的網絡環境下使用。目前，國內外主要的云計算服務商，如阿里云、AWS、百度云、Azure以及騰訊云等都支持MQTT協議。

● 基于Python語言的初中物聯網課程設計

隨著物聯網技術的普及，智能家居也逐漸走進了人們的生活。智能家居是物聯網應用的拓展，也是學生對物聯網應用的最直觀感受。因此，初中的物聯網課程可以與智能家居相結合，初中物聯網課程可按如表3所示的參考目錄進行開設。

這兩個單元，除了增加相應的物聯網實驗外，還可以采用項目式學習的方式，讓學生分組真正動手制作物聯網應用。例如，第一單元可以選擇制作“搭建一個簡單的物聯網應用模型”，第二單元可以選擇“改造家里的智能家居應用”。除了可以完成課程中的各種實驗，還可以開發物聯網方面的創客作品。

● 結語

信息技術在高速發展，中小學的信息技術課程也要與時俱進。物聯網課程的開設，既需要一系列硬件、軟件的支持，也需要設計一系列貼近學生生活的經典實驗，以此來激發學生的實踐能力和創造意識。語法簡潔而功能強大的Python語言、價格低廉而擴展豐富的開源硬件，是物聯網課程的最佳選擇。在pinpong庫的支持下，二者完美地結合在一起，大大降低了物聯網的技術門檻，期望在越來越多的物聯網課程中加入實驗活動，讓學生能夠真正駕馭物聯網技術。