物联网技术的运用与创作
时间：2023-02-05 16:15:08 来源：千叶帆 本文已影响人
黄慧娟
摘要：作者以智能家居为原型，制作了一款微型“智能温馨小屋”教具，让学生在课堂中真实体验手机/平板远程控制和现场语音控制家居实物，以期在加深学生对物联网的理解的同时，提高学生学习物联网知识的积极性，激发学生对物联网技术应用的联想与创新。
关键词：物联网;自制教具;智能温馨小屋
中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2022）13-0079-03
● 创作缘由
物联网是什么？简单来说就是万物相连（Internet of things），让实物通过互联网相连接，让原本了无生机的物体通过联网获得生命，具有学习能力，可以感知用户的行为并做出相应的调整，进而人与物、物与物相连相生。目前，物联网在家居、医疗健康、教育、金融与服务业、旅游业等领域都有应用，但物联网具体是怎样工作的，很多学生的理解还是模糊的。如果仅介绍概念及展示应用领域的图片，会让学生觉得物联网是一项离日常生活很遥远的高科技，并对其学习产生畏惧。要想激发学生探究欲望，让学生能更好地理解物联网，感受物联网的便捷，最直接的一种方式就是带领学生现场参观和进行操作体验。因此，笔者想到如果以智能家居为例，利用DIY小屋材料制作出小屋的模型，再在小屋基础上进行电路设备改造，加入Wi-Fi智能控制模块，制造出一款能由手机/平板远程控制和现场语音控制的微型智能家居小屋教具，并将此款家居小屋带进课堂，则能很好地弥补物联网无法真实现场操作和演示的遗憾。课堂中的智能家居，能让学生在“课堂现场”真实操作和体验，在积极的氛围中分享交流，激发学生关于物联网技术应用的探究和创新热情。
● “智能温馨小屋”的设计原理
在物联网技术应用中，智能家居与学生生活最为贴近。运用物联网技术，将家中的各种云系列设备和实物连接到一起，构造一个实物互联的系统。PC端网页平台、IOS/安卓APP软件等可通过网络监测各云系列设备和实物的状态，实现实时控制（如图1）。
笔者制作的“智能温馨小屋”中加入了远程Wi-Fi智能控制模块。将该智能控制模块接入互联网，手机/平板可通过云智能平台发送指令给智能控制模块，而后，智能控制模块根据指令控制继电器，从而实现控制灯的作用（如下页图2）。
“智能温馨小屋”中远程Wi-Fi智能控制模块由电源模块、Wi-Fi模块和继电器驱动电路三个部分组成。下页图3为远程Wi-Fi智能控制模块的实物图和重要部分的原理图。
1.电源模块
不同的模块、芯片需要有不同的工作电压。智能温馨小屋的电源输入是12V，而继电器线圈需要5V，Wi-Fi模块的供电是3.3V，由于电路改造，智能温馨小屋中的灯也需要供电，其工作电压是3V。不同电源模块的作用就是实现不同电压转换的，将12V转化成各种需要的电压。以5V为例，将电压12V接入DCDC模块的VIN口，DCDC模块的VOUT的电压输出为5V。
2.Wi-Fi模块
Wi-Fi模块的主要芯片是ESP8285。这款芯片可实现无线通信与互联网连接，接收手机/平板APP的控制信号，然后控制I/O口输出相应的高低电平，给继电器驱动线路提供信号。
3.继电器驱动
继电器驱动电路接收ESP8285芯片I/O口的高低电平，电平信号经过光耦隔离后驱动三极管控制继电器线圈的吸合和释放。原理图中继电器驱动部分共有6个，图3中继电器驱动部分的原理图以GPIO5口线输出信号为例，画出了一路继电器驱动电路。当GPIO5口线输出信号为高电平时，继电器闭合，对应这一路的LED小灯接通电源。
● “智能温馨小屋”的材料及装配
1.小屋材料及制作过程
目前网络上有很多DIY小屋模型售卖，笔者选择用来制作“智能温馨小屋”的模型是一款家居具有现代风的小屋模型。选择购买DIY小屋进行模型建造，一是因为小屋各房间原本就有灯的设计，方便改造;二是只加入功能模块即可实现手机/平板远程控制和语音控制，会让学生觉得物联网离我们的生活并不遥远，从而产生探索的意愿，提高学习积极性;三是因为网络上购买的小屋模型更加精致美观，带进课堂能对学生起到很好的美育作用，提升学生对美的判断与追求。
按照说明，利用材料包，搭建智能小屋，下页图4为小屋部分内景。
2.线路连接以及云智能平台的调试
带有远程Wi-Fi的智能控制模块是实现“智能温馨小屋”的必要组成部分。在智能控制模块上有六个继电器，需要与小屋内部的六个灯进行连接，其外部连线如下页图5所示。在线路连通的基础上，登录云智能平台，在平台中添加该款远程Wi-Fi智能控制模块，并进行联网设置，可将智能控制模块显示名称更改为“智能温馨小屋”，完成添加后的云智能平台就可以实现实时控制灯的开关状态了。可以将云智能平台中的六个灯也更名为对应房间的灯名，如“客厅灯”“厨房灯”“卧室灯”等。
3.智能音箱（天猫精灵）及（天猫精灵）APP的配置与调试
为了实现小屋内部语音控制，小屋还需要与智能音箱连接。以天猫精灵为例，先将天猫精灵接入网络，然后打开天猫精灵APP，在APP中添加前面所述的云智能平台。当添加完毕之后，天猫精灵APP中会出现“智能温馨小屋”中的六盏灯名。接下来，只需唤醒天猫精灵，通过“开厨房灯”或者“关客厅灯”等语句就可以实现对灯的控制。如果要实现较复杂的设置，如定时、特殊语句回应等，可以在天猫精灵APP中的场景中添加。
● “智能温馨小屋”的效果展示及物联网应用设想
1.效果展示
开灯方式1：手机/平板远程控制。
在课堂上，利用一部手机做热点，将“智能温馨小屋”中的远程Wi-Fi智能控制模块接入该热点中。让学生用另一部手機/平板登录云智能平台，对“智能温馨小屋”中的六盏灯进行开关控制，体验手机/平板操控开关的过程。同时，教师提问“如果主人出差去上海了，能不能实现关灯操作呢”？并通过视频与在上海市的老师进行通话，让学生观看在上海市的老师操作开灯关灯的过程，学生现场查看灯的亮灭情况。
通过在课堂现场操作与让另外城市的老师进行操作，让学生直观地认识到，在传统家居基础上，应用物联网技术，可以实现设备和实物的远程网络控制，方便人们的日常生活。
开灯方式2：“天猫精灵”语音控制。
在进入课堂之前，确保在天猫精灵APP中已添加云智能平台。将天猫精灵接入网络，让学生体验呼唤天猫精灵。在唤醒之后可以让天猫精灵执行开灯、关灯的任务（如图6）。学生在现场可以进行添加场景，如添加定时开启某些灯，每当语音指令“天猫精灵，我要上楼了”，就执行关闭一楼灯、打开楼梯灯及卧室灯的效果（如图7）。让学生进行场景预设，能调动学生的逻辑思维，使其在思考的过程中感受操作的乐趣，并激发学生的创新思维。
2.物联网应用设想
在现有模型基础上，引导学生畅想小屋中可以联网的设备和实物，如窗帘、可视门铃、电动沙发、扫地机器人、宠物喂食机、智能跳绳、智能鞋柜等，并与同学分享交流。
● 总结
“智能温馨小屋”利用物联网技术，实现了由手机/平板远程控制和现场语音控制的功能，初体验者在体验的过程中会不自觉地惊叹现代科技的神奇。将“智能温馨小屋”带进课堂，能避免在课堂上单纯的概念讲述，充分调动学生的学习热情，同时让学生在操作体验中学习，在积极的氛围中分享交流，近距离接触物联网，可以激发学生对物联网的想象，培养创新思维。
参考文献：
[1]刘陈，景兴红，董钢.浅谈物联网的技术特点及其广泛应用[J].科学咨询，2011（09）：86.
[2]韵力宇.物联网及应用探讨[J].信息与电脑，2017（03）：184-186.
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