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(huán)境的數據做出相應的控制，從而實現與外界環(huán)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(huán)境或物品的狀態(tài)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(huán)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(chuàng)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(yǎng)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(huán)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(fā)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(fā)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(huán)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(fā)物聯網方面的創(chuàng)客作品。

● 結語

信息技術在高速發(fā)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(fā)學生的實踐能力和創(chuàng)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。