第四单元 第12课 联网 LED 灯控制系统方案设计与实施（教学课件） 2025-2026学年河大版初中信息科技八年级全一册

该初中信息科技课件聚焦联网LED灯控制系统的方案设计与实施，从“出门忘关灯”的生活问题切入，引导学生完成需求分析、系统设计（物联网三层结构）、开发验证（硬件连接与编程）及拓展应用，构建从生活到技术实践的学习支架。 其亮点是以项目式学习融合核心素养，通过需求分析表、系统结构设计图等实例，培养信息意识（挖掘生活需求）、计算思维（系统分解与方案对比）和数字化学习能力（使用开发板、面包板实践）。结构化小结与分层作业设计，助力学生提升工程思维与实践创新能力，也为教师提供清晰教学路径。

第12课 联网 LED 灯控制系统方案设计与实施 目录 教学目标 01 教学重难点 02 教学过程 03 课堂小结 04 05 作业布置 03 教学过程 教学目标 信息意识： 结合生活挖掘智能灯光控制的实际需求，将生活问题转化为技术需求，认识物联网的应用价值；区分不同信息传输方式并合理选用，主动关注智能家居应用，理解信息、硬件与网络的协同逻辑。 计算思维： 利用分解、抽象、建模方法拆解智能灯光系统，梳理完整运行流程；针对各类故障开展逻辑排查与调试，对比技术方案优劣，结合实际选择实现路径，培养工程设计思维。 数字化学习与创新： 熟练使用各类数字化工具完成系统搭建与编程实践，在基础功能上自主拓展创意功能、优化设计方案；依托小组协作完成任务，提升数字化场景下的合作与探究能力。 信息社会责任： 遵守电路与硬件操作规范，分清用电风险边界，树立安全操作意识；知晓智能设备的隐私与安全隐患，拒绝私自改装市电电路，秉持技术服务生活的理念，合规使用信息技术。 教学重难点 02 教学重难点 重点 1.智能灯光系统的功能需求分析。 2.物联网三层结构在项目中的应用。 3.LED 灯远程控制的实现流程。 难点 1.系统输入 - 输出流程的梳理。 2.硬件电路与软件编程的协同调试。 3.技术方案的对比与优化。 教学过程 03 问题情境 大家有没有遇到过出门忘关灯的困扰？用什么方法可以解决？ 又如何设计一个可以通过网络控制的智能灯光系统呢? 智能灯光系统可以实现灯具开关控制灯光亮度控制，甚至可以调节灯光的色彩。这需要根据具体需求来设计。我们的智能灯光系统需要实现哪些功能?填写表4-5，完成智能灯光系统的功能需求分析。 需求分析 表4-5 智能灯光系统功能需求表 功能 具体说明 在用户终端显示灯的开关状态 用户能够实时了解灯的开关状态 远程开关灯 通过手机应用软件或者相应服务平台网页控制灯的开关 灯光亮度调节 可根据环境光线或用户需求，调整灯光亮度，实现节能与场景适配 定时开关控制 可设置固定时间自动开灯/关灯，适用于作息管理、场景模拟等需求 环境光感应自动控制 通过光敏传感器检测环境亮度，自动控制灯光开启/闭或调节亮度 系统设计——确认信息输入输出方式 物联网系统由感知层、网络层和应用层三层结构组成， 对智能灯光系统需要分层进行功能设计。根据智能灯光系 统的功能需求补全图4-7中的输入与输出模块信息。 用户通过手机 APP 发送的控制指令（如 “开 / 关” 信号） 灯光的开关控制动作（灯亮/灯灭的状态） 系统设计——明确系统的组成部分及信息流动方向 尝试分析，在智能灯光系统中，信息在感知层、网络层和 应用层之间是如何流动的? 手机 APP 终端 → 生成控制信息 → 无线局域网 (WiFi / 蓝牙) → 网络连接器件 → 微控制器（解析、生成控制指令）→ 继电器 / 电子开关 → 电灯（执行亮 / 灭） 系统设计——明确系统的组成部分及信息流动方向 尝试分析，在智能灯光系统中，信息在感知层、网络层和 应用层之间是如何流动的? 智能灯光系统的总体结构设计图 系统设计——确定系统总体结构 控制终端 系统开发板 灯具 WI-Fi 电路连接 想一想 控制终端和系统开发板可以通过网络连接，也可以都连接到物联 网云平台上，所有信息通过云平台进行交互，如下图所示。这两种方 案各自的优势是什么?在方案筛选和优化的过程中需要考虑哪些因素? 云平台 系统开发板 灯具 控制终端 云平台方案图 第一种方案，通过系统开发板将灯具直接接入网络，与控制终端进行通信。结合设计的需求，这个系统可以实现局域网内的远程控制，因此推荐此方案给首次尝试物联网系统设计的同学们。 系统设计——确定系统总体结构 第二种方案，使用云平台实现跨地战的远程控制。目前，大部公智能家居设备都是通过连接云平台的方式支持远程控制。通过云平台进行连接，开发成本高，还需要掌握更多的技术。 系统设计——确定系统总体结构 在实际应用中，也有因为考虑功耗等因素，没有将一些设备连滨云平台，而是通过蓝牙将其直接连接到智能手机等控制终端，如电动牙刷等设备的连接。 系统设计——确定系统总体结构 开发验证——硬件方案设计 左图为国产芯片的示例开发板，它是一款集成Wi-Fi功能的微控制器，具有功能强大、成本低、安全易用等优点。 开发验证——硬件方案设计 为了快速验证设计方案，同学们准备制作一个灯具控制系统的模型，该模型的电路图如上图所示。 GPIO2 GND 示例开发板 220Ω LED 灯控制电路图 开发验证——硬件方案设计 根据电路图连接电路，可以使用杜邦线和LED模块，也可以使用面包板结合相应的元器件进行电路搭接，如图上所示。 图4-14 使用面包板连接电路 图4-13 使用杜邦线和LED模块连接电路 面包板拓展 面包板是为进行电子电路实验而设计制造的集成电路实验板。面包板上有若干行/列的插孔，插孔底部通过导体按照行/列 或分组连通。面包板的结构如图4-15所示。电子元器件的引 脚可以插入插孔中，通过面包板本身的连通关系以及附加的 连接导线来构造电路。各种电子元器件可根据需要插入或拔 出，不用焊接，可以重复使用。面包板适用于电子电路的组 装和调试实验。 面包板拓展 在智能灯光系统的工作过程中，需要运行程序完成以下任务:建立网连接，启动网页服务，监听网络信息，根据控制指令执行相应的操作。 开发验证——软件方案设计 开发验证——软件方案设计 示例开发板的Wi-F有AP(无线网络接入点)、STA(站点)、AP+ST三种工作模式。我们选择STA模式。 案例涉及的程序已经在配套的资源包中提供，请将程序上传到示例开发板中，通过串口工具了解联网信息。联网成功后，在浏览器页面输入示例开发板的IP地址，即可通过网页控制LED灯的开关。控制界面参考图4-17。 此程序仅能实现灯的开关控制，如果想要实现灯的亮度控制，需要进行哪些修改呢? 开发验证——测试验证 硬件：改用 PWM 驱动 LED。 网页：增加亮度滑块。 程序：解析滑块值、映射为 PWM 占空比并输出。 开发验证——测试验证 电路中是5V直流电源为LED灯供电，而家中是220V交流电源为灯具供电，因此方案应用于家庭电路时需要对电路进行改造。可以使用继电器实现低压电路控制高压设备，电路图如上图所示。 大家已经通过制作模型验证了设计方案，那么如何将 电路中的LED灯替换为家中的灯具呢? 拓展与深化 课堂小结 04 联网LED灯控制系统方案设计与实施 一、需求分析： 开关控制、状态显示、亮度/色彩调节 二、系统设计： 三层结构：感知层（开发板、LED）→网络层（Wi-Fi）→应用层（浏览器/APP） 输入-输出：控制指令→解析处理→灯光控制 方案对比：本地控制vs云平台控制 三、开发验证： 硬件：开发板+LED+电阻 软件：Wi-Fi连接+网页控制 四、拓展深化： 继电器控制高压电路、PWM亮度调节 课堂小结 课后作业 05 课后作业 1.基础：请用自己的话解释：为什么智能灯光系统的信息流动是 “双向闭环” 的？ 2.提升层：如果智能灯光系统的网络层出现故障（比如 WiFi 断连），会对系统的信息流动产生哪些影响？请分别分析本地控制和远程控制两种场景下的结果。 3.拓展层：请为家庭智能灯光系统设计一个新的自动化场景，并画出该场景下，信息在感知层、网络层、应用层之间流动的流程图。 感谢观看！ Lavf58.46.101 $