基于物聯網的智能家居構建與實施

□ 主講人：崔東偉 王俊華

項目背景

教育部頒布的《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》提出，信息科技課程要培養學生的核心素養，主要包括信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任四個方面。這四個方面相互支持、相互滲透，共同促進學生數字素養與技能的提升。

物聯網的基本含義是“萬物互聯”，即在互聯網的基礎上，將人與人的互聯延伸擴展到人與物、物與物的互聯。智能家居作為物聯網時代的代表，已深入我們衣食住行等各個領域。通過物聯網可以把傳感器網絡和感知技術融為一體，將家中的各種設備連接到一起，實現對它們的控制。比如，我們可以通過向MQTT代理下發命令來遠程控制掌控板。

教學目標

知識與技能 了解智能家居的概念；理解智能家居的原理。

過程與方法 學生小組討論，感受智能家居給生活帶來的便捷和舒適；體驗物聯網智能家居系統，了解物聯網遠程遙控技術，嘗試進行簡單的智能家居搭建與編程。

情感態度與價值觀 激發學生研究學習物聯網科技的興趣，認識到科技發展對人類生活的巨大影響；培養學生計算思維和自主探究、小組合作能力，使學生樂于使用信息技術解決生活中的問題，從而提升信息素養。

教學重點與難點

教學重點 建立物聯網技術下智能家居的概念，了解智能家居的應用范圍和工作原理；通過體驗物聯網智能家居系統，了解物聯網遠程控制技術，嘗試進行簡單的智能家居搭建與編程；激發學生研究學習物聯網科技的興趣，認識科技發展對人類生活的巨大影響。

教學難點 嘗試完成簡單的智能家居搭建與編程。

教學準備

硬件清單 掌控板1個、擴展板1個、燈1個、風扇1個，手機若干

軟件環境 mPython0.7.3、Easy IoT網站、Easy IoT微信小程序

教學過程

一、項目導入

師：同學們，你是否有出門在外，卻突然懷疑自己有沒有關閉了家里電燈的疑惑；是否在炎熱的夏季，腦海中出現空調已經提前打開，回家就能瞬間涼爽的想法；等等，而現在這些都不是難題了，有了物聯網技術，我們可以隨時隨地控制家里的設備。今天我們以燈和風扇為例，一起來制作一個智能家居模型，實現遠程遙控燈和風扇。

師：我們一起來想一想，這個模型應該有哪些部分。首先，通過電腦和手機要發送控制信號。其次，程序編碼控制信號要通過網絡發送給掌控板。最后，燈和風扇執行掌控板的指令，完成相關動作。

二、項目任務

本節課的項目任務是使用掌控板、擴展板、燈、風扇完成智能家居搭建與編程。學生從項目中學會合作、學會思考，體驗科技的魅力，激發學習科技的興趣。

三、項目實踐

學生以小組形式，初步探討如何讓智能家居連接網絡？硬件應該如何搭建？搭建好后如何進行程序編寫？怎樣優化完善模型？學生討論完成后提出問題，教師進行解答，并給出智能家居搭建與編程思路，學生觀看PPT，小組合作按照要求完成項目任務。

項目任務1：連接網絡，配置Easy IoT

1.學生打開瀏覽器后，輸入網址http：//iot.dfrobot.com.cn/，看到如圖1所示的Easy IoT網站首頁的界面。

2.點擊Easy IoT網站首頁右上角注冊，根據要求，填寫相關內容，完成注冊。

3.根據設置的手機號和密碼登錄系統，點擊添加設備，系統能夠創建一個主題，平臺通過這個主題控制遠端設備，如圖2所示。

項目任務2：連接硬件，構建模型

教師向學生演示將掌控板插入擴展板插槽中的過程，并提醒學生注意插入的方向。

學生按步驟操作，將燈和風扇模塊連接線一頭插入擴展板的P8、P9接口，注意插線方向。

教師在這里要提醒學生注意，具體接入什么接口要根據模塊來定，燈和風扇都是輸出設備，所以要接入能輸出信號的接口。P2、P3、P4接口是輸入信號接口，所以不能連接，其他接口均可連接。

項目任務3：編寫程序，測試調試程序

掌控板自帶Wi-Fi模塊，通過無線網絡與Easy IoT進行通信，首先要連接網絡和Easy IoT的服務器平臺。Wi-Fi模塊分類下的模塊可以實現掌控板接入無線網絡，只需要填寫正確的Wi-Fi名稱和密碼。

服務器連接模塊實現了掌控板與Easy IoT平臺服務器的通信，服務器182.254.130.180是默認服務器網址，不可修改，Client ID可任意填寫。Iot_id、Iot_pwd是在此之前注冊的賬號和密碼（如圖2），設置好參數后，教師提醒學生連接MQTT。

通過上面的步驟已經建立了掌控板與Easy IoT的連接，這樣兩者之間就可以通信了。當掌控板接收到來自Easy IoT的消息后，根據消息內容的不同，執行不同的指令。完整參考程序如圖3所示。這里注意程序的最后要添加命令，該命令是控制掌控板持續等待接收消息，如不添加，程序就不能正常執行。

當程序編寫完成后，進行模型測試。打開Easy IoT，進入工作臺，點擊主題下的發送消息，嘗試發送開燈、關燈、開風扇、關風扇消息，測試模型是否正常工作。

其實，除了在電腦上控制設備，教師還可以繼續擴展知識，讓學生實現手機隨時隨地控制模型。Easy IoT提供了微信小程序。學生點擊小程序，用注冊的手機號登錄后點擊上面New Device可以發送消息給掌控板，控制燈和風扇工作。

四、項目展示

教師組織學生進行智能家居現場展示，并且提出問題，引導學生進一步完善優化小組作品。例如用紙板建造一個房間，將掌控板、燈和風扇固定到房間內合適的位置，讓智能家居模型更完美。

五、項目評價

教師出示課堂評價表（如下表），組織學生完成評價表填寫。學生根據本節課知識掌握情況給表格里的小星星涂色，每項評價內容為優秀、良好、合格。

六、項目總結

通過優化迭代，我們的智能家居已經初見雛形。教師提出問題：1.智能家居完成后，你希望它如何推廣運用？2.在制作智能家居的過程中你有哪些收獲？

學生思考回答，進行總結。

教學反思

本節課基于學生認知水平，教師給予了足夠的引導和學習材料，大部分學生能夠制作完成簡單智能家居模型，部分學生還能夠拓展延伸設計出智能門鎖、智能窗簾等新設備。學生體驗物聯網的原理，感受利用信息科技手段解決真實問題的便捷性，體會信息科技的重要性，為未來能夠繼續學習和鉆研信息科技打下基礎。

信息科技課程不再聚焦于軟件的應用和具體操作，而是轉變為體驗掌握解決問題的過程和方法，理解背后的原理。教師在教學設計時要注重提高學生解決復雜問題的能力。

崔東偉 北京市朝陽區骨干教師。曾獲得全國創新教學獎、全國微課大賽一等獎，多次獲得科技類優秀輔導教師獎，撰寫多篇論文獲得市區級獎項。

王俊華 中學一級教師。曾獲得北京市朝陽區優秀青年教師、朝陽區骨干教師、北京市十佳科技輔導員，獲得VEX機器人世界錦標賽全能獎。