第14课 智能物联系统的软件设计 教学设计- 2023—2024学年浙教版（2023）初中信息技术八年级下册

教学设计 课程基本信息 学科 信息科技 年级 八年级 学期 秋季 课题 《智能物联系统的软件设计》 教学目标 1.通过智能物联系统的程序编写，理解实现智能物联系统中数据采集、处理、存储和呈现等功能的基本过程。 2.通过在物联网平台发布和订阅消息，理解物联协议在数据传输中的作用。 教学重难点 教学重点： 1.数据的采集、传输与存储功能的实现。 2.物联协议在数据传输中的作用。 教学难点： 1.程序编写的实现。 2.第三方库的安装。 教学过程 （一）回顾旧知，导入新课 环节一：回顾“校园数字气象站”所需的硬件，并回忆硬件在物联系统中的作用与功能，明晰物联协议在数据传输中的作用。 通过前一节课的学习，我们确定了“校园数字气象站”所需的硬件，各类传感器、物联中台、服务器、网络设备，同学们是否还记得它们分别起到什么功能呢？ 我们通过传感器来帮助我们采集不同的数据，通过wifi实现将数据发布到物联中台，物联中台它只是个中介，并不能存储获取数据，我们通过服务器来订阅主题、获取存储数据，最后我们希望能够呈现数据方便用户查看。 环节二：问题思考，引出智能物联系统的软件设计 问题思考：硬件搭建好后就能直接获取气象数据吗？ 当然不能，我们得通过编程告诉它，让其一步步实现。今天我们沿着这个顺序一起来对智能物联系统进行软件设计。 （二）任务一：采集数据 环节一：明确任务 我们的第一个任务挑战，采集数据，通过编程实现气象数据的采集，每隔一段时间获取新数据，并在屏幕上显示。 环节二：了解编程软件，Python语言编程特点 我们所需的编程软件为：信息科技实验板编程工具，该软件是用python语言进行编程，python语言有个特点就是它有丰富的类库，编程的过程通过导入相应库，调用相应函数。 环节三：实践操作，编程演示 打开实验板编程工具，新建一个文件，默认已经导入npython模块，在该模块下内置了右侧这些函数，首先输入while True无限循环，获取温度的函数赋值给wendu变量，获取气压的函数赋值给qiya变量，获取成功，就让其在屏幕上显示，第一行显示标题“校园数字气象站”，第二行显示温度，我们可以通过复制粘贴提升编程速度，第三行显示气压，最后等待3秒，连接实验板到电脑端，出现com空闲中，就可以运行程序，上传成功，此时实验板屏幕上实时呈现温度和气压数据。 （三）任务二：发布数据 环节一：明确任务。任务二，发布数据，将采集到的气象数据发布到物联中台。 环节二：明确算法。首先明确算法，也就是思考编程整体思路，刚才我们已经实现数据的采集与显示，那发布数据应该在采集前还是采集后呢？是采集后，要实现数据的发布，我们得先进行MQTT的连接，MQTT的连接又需要建立在wifi的连接。 环节三：创建项目与主题。这里的发布数据到对应主题，那我们得先到物联中台创建项目与主题，这个操作我们在七下有过实践，我们来一起回忆一下。首先创建名称为“校园数字气象站”的项目，在该项目下创建对应的主题。主题是干什么的呢，用于接收发布来的数据，我们按照所需进行创建对应主题。比如温度主题用于接收实时温度，创建好后要运行项目才能接收数据，为确保数据发布到这个主题下，还有两个参数，用户ID和项目ID，到时候编程时需要用到。通过设置来查看获取。 环节三：编写程序。这是我们刚才写的程序，我们来继续扩充代码，这三个语句实现wifi连接，获取wifi名称和密码并在这里进行更换，接下去MQTT连接，需要进行服务器地址、端口号、用户ID和项目ID参数的配置，这是我们刚才创建的用户ID和项目ID，同学们观察一下，程序中需要更改哪个参数呢？两个参数都需要更改，通过复制粘贴来实现。最后是发布数据，将采集到的温度数据发布到温度主题，这里主题的名称必须跟物联中台创建的名称要一致。 环节四：测试一段程序，该程序中增加了风速风向的采集与发布，这段程序我们需要进行相应的修改，①修改当前可用的wifi名称与密码，②修改用户ID和项目ID，从物联中台获取，通过复制粘贴来完成修改，物联中台中运行该项目，再到编程软件中运行程序，上传成功后，屏幕上显示采集到的数据，并将其发布到物联中台的各个主题。此时我们完成了第二个任务。 （四）任务三：订阅主题存储数据 环节一：明确算法流程图。我们来看一下其算法流程图，首先是MQTT连接，连接好后就可以订阅主题，这里主题只需订阅1次，当有新消息时，订阅者便会被通知，然后去获取该主题下的数据，再将其存储在数据库文件中。 环节二：讲解代码。在这个程序中，我们需要导入3个模块，MQTT、time时间模块和sqlite数据库模块。首先进行mqtt的连接，该代码跟刚才的一致，接下去订阅主题，我们订阅温度这个一主题，赋值给该变量，然后定义一个回调函数，也是最关键的代码，首先获取温度主题下发布来的数据进行解码，然后将数据、时间、主题名称其插入到数据库“database.db”文件中。再是订阅主题，每当有新消息时，就去执行一次回调函数。 环节三：测试代码。用thonny软件打开该程序，需要注意用户ID、项目ID和需订阅的主题名称是否正确，运行该程序，此时shell输出连接成功，订阅结果返回温度值，这些数据从物联中台订阅温度主题获取而来的，此时说明订阅成功。订阅来的数据将其存储到数据库文件“database”中，我们在这里可查看存储情况，刷新可看到最新的数据，我们观察一下，每一条除了温度数值，还有序号、时间、用户ID和主题名称，它们以表格形式呈现。 （五）任务四：呈现数据——折线图 环节一：引出折线图。刚才我们得到表格形式存储的数据，我们再来看下另一种呈现方式——折线图，折线图相对于表格形式有什么优势呢？折线图更清晰呈现数据的变化趋势，易于分析 环节二：认识并安装第三方库matplotlib。如何用程序将刚才存储的数据编程折线图呢？我们来一起完成最后一个任务：以折线图呈现数据。这涉及到一个绘图，我们需要导入matplotlib绘图模块，这是一个第三方库，需要安装后才能使用，我们通过cmd打开命令提示符界面，在该界面输入pip install matplotlib，等待下载安装，出现安装成功就表明我们已经安装好第三方库matplotlib。 环节三：讲解代码。整个程序先进行参数的设置，连接刚才的数据库文件，然后绘制折线图，通过运行本程序，可以得到如图这样的折线图。 环节四：数据分析。请同学们观察并分析，一天当中，哪个时间的温度最高呢？我们可以看到中午12点-下午3点是温度最高的时候。 （六）课堂小结 今天我们通过编写程序，对智能校园数字气象站进行采集数据、发布数据、订阅存储数据、呈现数据这四大功能的实现，从而让气象数据在物联系统中有序流转，我们也收获了编程的相关技巧，包括Python库的功能与使用，②写代码是调用函数的过程，以及我们要③先形成算法流程图，再编写代码，这样思路更加清晰。我们的项目还未结束，我们还能为这个气象站增加哪些更具智能化、个性化的功能呢，期待同学们下节课的迭代与创新。今天的课就上到这里，同学们再见。 学科网（北京）股份有限公司 $$