物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的運(yùn)用與創(chuàng)作

黃慧娟

摘要：作者以智能家居為原型，制作了一款微型“智能溫馨小屋”教具，讓學(xué)生在課堂中真實(shí)體驗(yàn)手機(jī)/平板遠(yuǎn)程控制和現(xiàn)場(chǎng)語(yǔ)音控制家居實(shí)物，以期在加深學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的理解的同時(shí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)的積極性，激發(fā)學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的聯(lián)想與創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);自制教具;智能溫馨小屋

中圖分類號(hào)：G434 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?論文編號(hào)：1674-2117（2022）13-0079-03

● 創(chuàng)作緣由

物聯(lián)網(wǎng)是什么？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是萬(wàn)物相連（Internet of things），讓實(shí)物通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)相連接，讓原本了無(wú)生機(jī)的物體通過(guò)聯(lián)網(wǎng)獲得生命，具有學(xué)習(xí)能力，可以感知用戶的行為并做出相應(yīng)的調(diào)整，進(jìn)而人與物、物與物相連相生。目前，物聯(lián)網(wǎng)在家居、醫(yī)療健康、教育、金融與服務(wù)業(yè)、旅游業(yè)等領(lǐng)域都有應(yīng)用，但物聯(lián)網(wǎng)具體是怎樣工作的，很多學(xué)生的理解還是模糊的。如果僅介紹概念及展示應(yīng)用領(lǐng)域的圖片，會(huì)讓學(xué)生覺(jué)得物聯(lián)網(wǎng)是一項(xiàng)離日常生活很遙遠(yuǎn)的高科技，并對(duì)其學(xué)習(xí)產(chǎn)生畏懼。要想激發(fā)學(xué)生探究欲望，讓學(xué)生能更好地理解物聯(lián)網(wǎng)，感受物聯(lián)網(wǎng)的便捷，最直接的一種方式就是帶領(lǐng)學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)參觀和進(jìn)行操作體驗(yàn)。因此，筆者想到如果以智能家居為例，利用DIY小屋材料制作出小屋的模型，再在小屋基礎(chǔ)上進(jìn)行電路設(shè)備改造，加入Wi-Fi智能控制模塊，制造出一款能由手機(jī)/平板遠(yuǎn)程控制和現(xiàn)場(chǎng)語(yǔ)音控制的微型智能家居小屋教具，并將此款家居小屋帶進(jìn)課堂，則能很好地彌補(bǔ)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)法真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)操作和演示的遺憾。課堂中的智能家居，能讓學(xué)生在“課堂現(xiàn)場(chǎng)”真實(shí)操作和體驗(yàn)，在積極的氛圍中分享交流，激發(fā)學(xué)生關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的探究和創(chuàng)新熱情。

● “智能溫馨小屋”的設(shè)計(jì)原理

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用中，智能家居與學(xué)生生活最為貼近。運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將家中的各種云系列設(shè)備和實(shí)物連接到一起，構(gòu)造一個(gè)實(shí)物互聯(lián)的系統(tǒng)。PC端網(wǎng)頁(yè)平臺(tái)、IOS/安卓APP軟件等可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)各云系列設(shè)備和實(shí)物的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制（如圖1）。

筆者制作的“智能溫馨小屋”中加入了遠(yuǎn)程Wi-Fi智能控制模塊。將該智能控制模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，手機(jī)/平板可通過(guò)云智能平臺(tái)發(fā)送指令給智能控制模塊，而后，智能控制模塊根據(jù)指令控制繼電器，從而實(shí)現(xiàn)控制燈的作用（如下頁(yè)圖2）。

“智能溫馨小屋”中遠(yuǎn)程Wi-Fi智能控制模塊由電源模塊、Wi-Fi模塊和繼電器驅(qū)動(dòng)電路三個(gè)部分組成。下頁(yè)圖3為遠(yuǎn)程Wi-Fi智能控制模塊的實(shí)物圖和重要部分的原理圖。

1.電源模塊

不同的模塊、芯片需要有不同的工作電壓。智能溫馨小屋的電源輸入是12V，而繼電器線圈需要5V，Wi-Fi模塊的供電是3.3V，由于電路改造，智能溫馨小屋中的燈也需要供電，其工作電壓是3V。不同電源模塊的作用就是實(shí)現(xiàn)不同電壓轉(zhuǎn)換的，將12V轉(zhuǎn)化成各種需要的電壓。以5V為例，將電壓12V接入DCDC模塊的VIN口，DCDC模塊的VOUT的電壓輸出為5V。

2.Wi-Fi模塊

Wi-Fi模塊的主要芯片是ESP8285。這款芯片可實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信與互聯(lián)網(wǎng)連接，接收手機(jī)/平板APP的控制信號(hào)，然后控制I/O口輸出相應(yīng)的高低電平，給繼電器驅(qū)動(dòng)線路提供信號(hào)。

3.繼電器驅(qū)動(dòng)

繼電器驅(qū)動(dòng)電路接收ESP8285芯片I/O口的高低電平，電平信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離后驅(qū)動(dòng)三極管控制繼電器線圈的吸合和釋放。原理圖中繼電器驅(qū)動(dòng)部分共有6個(gè)，圖3中繼電器驅(qū)動(dòng)部分的原理圖以GPIO5口線輸出信號(hào)為例，畫出了一路繼電器驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)GPIO5口線輸出信號(hào)為高電平時(shí)，繼電器閉合，對(duì)應(yīng)這一路的LED小燈接通電源。

● “智能溫馨小屋”的材料及裝配

1.小屋材料及制作過(guò)程

目前網(wǎng)絡(luò)上有很多DIY小屋模型售賣，筆者選擇用來(lái)制作“智能溫馨小屋”的模型是一款家居具有現(xiàn)代風(fēng)的小屋模型。選擇購(gòu)買DIY小屋進(jìn)行模型建造，一是因?yàn)樾∥莞鞣块g原本就有燈的設(shè)計(jì)，方便改造;二是只加入功能模塊即可實(shí)現(xiàn)手機(jī)/平板遠(yuǎn)程控制和語(yǔ)音控制，會(huì)讓學(xué)生覺(jué)得物聯(lián)網(wǎng)離我們的生活并不遙遠(yuǎn)，從而產(chǎn)生探索的意愿，提高學(xué)習(xí)積極性;三是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)上購(gòu)買的小屋模型更加精致美觀，帶進(jìn)課堂能對(duì)學(xué)生起到很好的美育作用，提升學(xué)生對(duì)美的判斷與追求。

按照說(shuō)明，利用材料包，搭建智能小屋，下頁(yè)圖4為小屋部分內(nèi)景。

2.線路連接以及云智能平臺(tái)的調(diào)試

帶有遠(yuǎn)程Wi-Fi的智能控制模塊是實(shí)現(xiàn)“智能溫馨小屋”的必要組成部分。在智能控制模塊上有六個(gè)繼電器，需要與小屋內(nèi)部的六個(gè)燈進(jìn)行連接，其外部連線如下頁(yè)圖5所示。在線路連通的基礎(chǔ)上，登錄云智能平臺(tái)，在平臺(tái)中添加該款遠(yuǎn)程Wi-Fi智能控制模塊，并進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)設(shè)置，可將智能控制模塊顯示名稱更改為“智能溫馨小屋”，完成添加后的云智能平臺(tái)就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制燈的開(kāi)關(guān)狀態(tài)了。可以將云智能平臺(tái)中的六個(gè)燈也更名為對(duì)應(yīng)房間的燈名，如“客廳燈”“廚房燈”“臥室燈”等。

3.智能音箱（天貓精靈）及（天貓精靈）APP的配置與調(diào)試

為了實(shí)現(xiàn)小屋內(nèi)部語(yǔ)音控制，小屋還需要與智能音箱連接。以天貓精靈為例，先將天貓精靈接入網(wǎng)絡(luò)，然后打開(kāi)天貓精靈APP，在APP中添加前面所述的云智能平臺(tái)。當(dāng)添加完畢之后，天貓精靈APP中會(huì)出現(xiàn)“智能溫馨小屋”中的六盞燈名。接下來(lái)，只需喚醒天貓精靈，通過(guò)“開(kāi)廚房燈”或者“關(guān)客廳燈”等語(yǔ)句就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)燈的控制。如果要實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的設(shè)置，如定時(shí)、特殊語(yǔ)句回應(yīng)等，可以在天貓精靈APP中的場(chǎng)景中添加。

● “智能溫馨小屋”的效果展示及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)想

1.效果展示

開(kāi)燈方式1：手機(jī)/平板遠(yuǎn)程控制。

在課堂上，利用一部手機(jī)做熱點(diǎn)，將“智能溫馨小屋”中的遠(yuǎn)程Wi-Fi智能控制模塊接入該熱點(diǎn)中。讓學(xué)生用另一部手機(jī)/平板登錄云智能平臺(tái)，對(duì)“智能溫馨小屋”中的六盞燈進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，體驗(yàn)手機(jī)/平板操控開(kāi)關(guān)的過(guò)程。同時(shí)，教師提問(wèn)“如果主人出差去上海了，能不能實(shí)現(xiàn)關(guān)燈操作呢”？并通過(guò)視頻與在上海市的老師進(jìn)行通話，讓學(xué)生觀看在上海市的老師操作開(kāi)燈關(guān)燈的過(guò)程，學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)查看燈的亮滅情況。

通過(guò)在課堂現(xiàn)場(chǎng)操作與讓另外城市的老師進(jìn)行操作，讓學(xué)生直觀地認(rèn)識(shí)到，在傳統(tǒng)家居基礎(chǔ)上，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備和實(shí)物的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制，方便人們的日常生活。

開(kāi)燈方式2：“天貓精靈”語(yǔ)音控制。

在進(jìn)入課堂之前，確保在天貓精靈APP中已添加云智能平臺(tái)。將天貓精靈接入網(wǎng)絡(luò)，讓學(xué)生體驗(yàn)呼喚天貓精靈。在喚醒之后可以讓天貓精靈執(zhí)行開(kāi)燈、關(guān)燈的任務(wù)（如圖6）。學(xué)生在現(xiàn)場(chǎng)可以進(jìn)行添加場(chǎng)景，如添加定時(shí)開(kāi)啟某些燈，每當(dāng)語(yǔ)音指令“天貓精靈，我要上樓了”，就執(zhí)行關(guān)閉一樓燈、打開(kāi)樓梯燈及臥室燈的效果（如圖7）。讓學(xué)生進(jìn)行場(chǎng)景預(yù)設(shè)，能調(diào)動(dòng)學(xué)生的邏輯思維，使其在思考的過(guò)程中感受操作的樂(lè)趣，并激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

2.物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)想

在現(xiàn)有模型基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生暢想小屋中可以聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備和實(shí)物，如窗簾、可視門鈴、電動(dòng)沙發(fā)、掃地機(jī)器人、寵物喂食機(jī)、智能跳繩、智能鞋柜等，并與同學(xué)分享交流。

● 總結(jié)

“智能溫馨小屋”利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了由手機(jī)/平板遠(yuǎn)程控制和現(xiàn)場(chǎng)語(yǔ)音控制的功能，初體驗(yàn)者在體驗(yàn)的過(guò)程中會(huì)不自覺(jué)地驚嘆現(xiàn)代科技的神奇。將“智能溫馨小屋”帶進(jìn)課堂，能避免在課堂上單純的概念講述，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，同時(shí)讓學(xué)生在操作體驗(yàn)中學(xué)習(xí)，在積極的氛圍中分享交流，近距離接觸物聯(lián)網(wǎng)，可以激發(fā)學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的想象，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。

參考文獻(xiàn)：

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