2.2傳感器介紹教學(xué)設(shè)計(jì)-高中通用技術(shù)粵科版選擇性必修6智能家居應(yīng)用設(shè)計(jì)

普通高中教科書《通用技術(shù)》選擇性必修6：智能家居應(yīng)用設(shè)計(jì)第二章智能家居與物聯(lián)通信第二節(jié)傳感器介紹教學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)背景清晨，天慢慢亮了，臥室自動(dòng)響起輕柔的音樂(lè)把你喚醒；房間亮起柔和的燈光；智能衛(wèi)浴會(huì)為你自動(dòng)調(diào)整洗浴水溫；智能廚房會(huì)為你自動(dòng)烹飪?cè)绮汀闶遣皇怯X(jué)得這樣的智能生活離我們還很遙遠(yuǎn)？實(shí)現(xiàn)人民對(duì)美好生活的向往是我們現(xiàn)代化建設(shè)的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。隨著國(guó)家堅(jiān)持把發(fā)展經(jīng)濟(jì)的著力點(diǎn)放在實(shí)體經(jīng)濟(jì)上，推進(jìn)新型工業(yè)化，加快建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)、質(zhì)量強(qiáng)國(guó)、航天強(qiáng)國(guó)、交通強(qiáng)國(guó)、網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)、數(shù)字中國(guó)的進(jìn)程，我國(guó)的科學(xué)技術(shù)得到了高速的發(fā)展。這種帶有科幻色彩的生活場(chǎng)景，已經(jīng)逐漸走進(jìn)了人們的生活。小到智能電燈、智能門鎖，大到智能臥室、智能廚房，各種各樣的智能產(chǎn)品已經(jīng)漸漸地融入了我們的生活，這些就是同學(xué)們將在本書學(xué)習(xí)的內(nèi)容——智能家居。教學(xué)目標(biāo)：知識(shí)與技能目標(biāo):1.熟悉溫度、濕度、光照、紅外、煙霧等傳感器，了解傳感器的標(biāo)準(zhǔn)接口。2.熟知各種型號(hào)的傳感器。教學(xué)內(nèi)容分析:第一章從與同學(xué)們生活密切相關(guān)的典型實(shí)例開始，通過(guò)調(diào)查、討論等活動(dòng)，使同學(xué)們了解智能家居的系統(tǒng)特征及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，感悟智能科技應(yīng)用對(duì)家庭生活方式的影響，形成親近、運(yùn)用智能科技的積極情感。第二章通過(guò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的技術(shù)構(gòu)成、結(jié)構(gòu)特征、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及傳感器的介紹，使同學(xué)們了解物聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)在智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用，并通過(guò)簡(jiǎn)單的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，了解物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，理解智能家居與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)聯(lián)性。第三章通過(guò)實(shí)例展示了各種智能家居產(chǎn)品，并讓同學(xué)們親歷一個(gè)智能家居產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程，掌握簡(jiǎn)易智能家居產(chǎn)品的安裝與調(diào)試，同時(shí)理解組網(wǎng)、通信和傳感器等的原理和功能。第四章是一個(gè)較為完整的智能家居的設(shè)計(jì)、優(yōu)化與搭建過(guò)程，通過(guò)情景描述的方式，使同學(xué)們掌握與用戶進(jìn)行溝通的方法，并學(xué)會(huì)需求分析。通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，同學(xué)們還會(huì)學(xué)到智能家居的設(shè)計(jì)原則及對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化的方法。學(xué)情分析:學(xué)生對(duì)智能家居認(rèn)識(shí)有限，他們需要感受先進(jìn)技術(shù)在家庭生活中的運(yùn)用，需要一個(gè)集通信、計(jì)算、控制等技術(shù)于一體的應(yīng)用性學(xué)習(xí)窗口。智能家居融合了物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、生物技術(shù)、大數(shù)據(jù)、自動(dòng)控制等先進(jìn)技術(shù)，意在創(chuàng)設(shè)一種智慧感知、協(xié)調(diào)控制、智能互聯(lián)、方便快捷的家居生活環(huán)境。教學(xué)重難點(diǎn):熟悉溫度、濕度、光照、紅外、煙霧等傳感器，了解傳感器的標(biāo)準(zhǔn)接口。教學(xué)策略:始終強(qiáng)調(diào)實(shí)踐，在書中設(shè)置了“討論”“分析”“思考”“知識(shí)窗”等欄目。這些欄目的設(shè)置，為同學(xué)們自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)和探究學(xué)習(xí)提供了方便。教學(xué)準(zhǔn)備:展示用的圖片、其他技術(shù)產(chǎn)品、多媒體課件。教學(xué)過(guò)程:情景導(dǎo)入:老師：本節(jié)課我們學(xué)習(xí)《通用技術(shù)》選擇性必修6：智能家居應(yīng)用設(shè)計(jì)第二章智能家居與物聯(lián)通信第二節(jié)傳感器介紹。互聯(lián)網(wǎng)將人與人通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，隨著射頻識(shí)別技術(shù)的出現(xiàn)，人們開始思考能否將物也連接到互聯(lián)網(wǎng)中，將物與物、物與人都通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，形成一種新興的網(wǎng)絡(luò)，這就是物聯(lián)網(wǎng)。以智能、平板電腦等為代表的移動(dòng)終端的出現(xiàn)，使互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)的新發(fā)展，加快了智能家居走向成熟的步伐。在物聯(lián)網(wǎng)中，感知識(shí)別技術(shù)相當(dāng)于人類的五官，類似于用視覺(jué)、聽覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)的方式去感知物體信息。感知是信息收集的過(guò)程，識(shí)別是物品身份識(shí)別碼的讀取。感知信息靠傳感器，物品身份識(shí)別碼的識(shí)別則靠電子標(biāo)簽、條形碼或二維碼，其中的電子標(biāo)簽屬于射頻識(shí)別技術(shù)。一、傳感器工作原理傳感器，俗稱探頭，有時(shí)亦被稱為轉(zhuǎn)換器、變換器或探測(cè)器，是獲取信息的工具，能夠?qū)⒈粶y(cè)量信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或其他形式的信號(hào)。它可以測(cè)量物體的各類信息，如溫度、濕度、速度、壓力、位移、流量、加速度等。因此，物聯(lián)網(wǎng)收集信息必須依靠傳感器。傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路組成，有時(shí)還需要外加電源提供轉(zhuǎn)換能量。傳感器的典型組成如圖25（參見(jiàn)教材P23）所示。敏感元件指能直接感受被測(cè)量（通常為非電量）的元件，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的某一物理量。例如，彈性敏感元件將壓力轉(zhuǎn)換為位移，且壓力與位移之間保持一定的函數(shù)關(guān)系。轉(zhuǎn)換元件是將敏感元件的輸出量轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測(cè)量的電信號(hào)的元件。信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路也稱為“二次儀表”，它將轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)放大，轉(zhuǎn)變成易于處理、顯示和記錄的信號(hào)。值得注意的是，并不是所有的傳感器必須同時(shí)包含敏感元件和轉(zhuǎn)換元件。如果敏感元件直接輸出的是電量，它就同時(shí)兼為轉(zhuǎn)換元件，如熱電偶。知識(shí)窗為什么傳感器又叫“電五官”？人們從外界環(huán)境獲取信息，如在研究自然現(xiàn)象規(guī)律以及生產(chǎn)活動(dòng)中，單靠人們自身的感覺(jué)器官是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為了采集更多信息，我們需要傳感器（圖26）（參見(jiàn)教材P24）的輔助。因此，可以說(shuō)傳感器是人類五官的延長(zhǎng)，又稱為“電五官”。將傳感器的功能與人類五大感覺(jué)器官相比擬，則光敏傳感器相當(dāng)于視覺(jué)，聲敏傳感器對(duì)應(yīng)于聽覺(jué)，氣敏傳感器對(duì)應(yīng)于嗅覺(jué)，化學(xué)傳感器則是味覺(jué)的延伸，壓敏、溫敏、流體傳感器則相當(dāng)于觸覺(jué)。討論1．你還知道生活中哪些地方使用了傳感器？2．納米技術(shù)是在極其微小的層面上對(duì)物體進(jìn)行研究，傳統(tǒng)的傳感器正在從納米技術(shù)的角度被重新設(shè)計(jì)和制造。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或圖書館查閱相關(guān)資料，了解納米技術(shù)將會(huì)給傳感器帶來(lái)哪些影響？知識(shí)窗1．傳感器國(guó)標(biāo)定義國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T7665—2005）對(duì)傳感器定義為：能感受被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。2．傳感器擴(kuò)展定義中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟認(rèn)為，傳感器的存在和發(fā)展讓物體有了觸覺(jué)、味覺(jué)和嗅覺(jué)等感官，讓物體慢慢變得活了起來(lái)。傳感器在《韋式大詞典》中定義為：從一個(gè)系統(tǒng)接受功率，通常以另一種形式將功率送到第二個(gè)系統(tǒng)中的器件。3．傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)傳感器接口是物聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)單元，是解決物聯(lián)網(wǎng)感知層信息接入的首要技術(shù)。對(duì)于傳感器生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)化將有效降低傳感器生產(chǎn)成本，解決傳感器的互換和即插即用問(wèn)題；對(duì)于系統(tǒng)集成開發(fā)商來(lái)說(shuō)，接口標(biāo)準(zhǔn)化將有效降低系統(tǒng)集成成本，解決傳感數(shù)據(jù)的共享和跨平臺(tái)應(yīng)用；對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用終端用戶來(lái)說(shuō)，接口標(biāo)準(zhǔn)化將有效降低用戶的使用和維護(hù)成本，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用。2018年6月11日，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布2018年第9號(hào)公告，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《信息技術(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)第804部分：測(cè)試：傳感器接口》（GB/T30269.8042018）已通過(guò)國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)的批準(zhǔn)和正式發(fā)布，將于2019年1月1日起實(shí)施。立即行動(dòng)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或圖書館查閱相關(guān)資料，了解傳感器的類型及其功能，并填入表22中。表22傳感器的類型及其功能傳感器的類型功能二、溫濕度傳感器1．溫度傳感器溫度傳感器是指能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。溫度傳感器是溫度測(cè)量設(shè)備的核心部分，品種繁多，按照測(cè)量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性可分為熱電阻和熱電偶兩類。2．濕度傳感器濕度傳感器是指能將濕度量轉(zhuǎn)換成容易被測(cè)量處理的電信號(hào)的裝置。濕敏元件是最簡(jiǎn)單的濕度傳感器。濕敏元件主要有電阻式、電容式兩大類。濕敏電阻的特點(diǎn)是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時(shí)，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測(cè)量濕度。知識(shí)窗現(xiàn)在的衛(wèi)生間基本上都在室內(nèi)，有的甚至在臥室里。為了節(jié)省空間，衛(wèi)生間的面積一般都比較小，所以透氣效果不好。雖然大部分衛(wèi)生間都安裝了排氣扇，但是排風(fēng)扇的開關(guān)主要還是依賴人工操作，如何自動(dòng)開關(guān)排氣扇以及自動(dòng)調(diào)節(jié)衛(wèi)生間內(nèi)的溫濕度呢？這就需要用到傳感器。溫濕度傳感器將是人們感知室內(nèi)溫濕度變化的重要幫手，圖27（參見(jiàn)教材P26）所示為衛(wèi)生間溫濕度傳感器應(yīng)用示例。立即行動(dòng)1．哪些家用電器使用了溫濕度傳感器？其實(shí)現(xiàn)的功能是什么？填入表23中。表23家用電器中使用溫濕度傳感器舉例使用溫濕度傳感器的家用電器實(shí)現(xiàn)的功能2.溫濕度傳感器不僅在家用電器中得到廣泛應(yīng)用，而且在各行各業(yè)也有它的身影。請(qǐng)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或圖書館查閱相關(guān)資料，說(shuō)說(shuō)哪些行業(yè)使用了溫濕度傳感器，其實(shí)現(xiàn)的功能是什么，并填入表24中。表24使用溫濕度傳感器的行業(yè)舉例使用溫濕度傳感器的行業(yè)實(shí)現(xiàn)的功能三、光傳感器光傳感器是利用光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。光傳感器主要由光敏元件組成，主要分為環(huán)境光傳感器、紅外光傳感器、太陽(yáng)光傳感器、紫外光傳感器四類。光傳感器不局限于對(duì)光的探測(cè)，它還可以作為探測(cè)元件組成其他傳感器，對(duì)許多非電量進(jìn)行檢測(cè)，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的變化即可。知識(shí)窗在車身電子應(yīng)用中，環(huán)境光傳感器可用于調(diào)節(jié)儀表盤的背光強(qiáng)度，以及導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS）、溫度控制及DVD屏幕中的LCD背光強(qiáng)度（圖28）（參見(jiàn)教材P27）。例如，當(dāng)日光變得昏暗或者漆黑一片時(shí)，儀表盤背光將進(jìn)行不同程度的調(diào)節(jié)，以達(dá)到最佳可見(jiàn)度，并降低可能對(duì)駕駛者造成的強(qiáng)光。環(huán)境光傳感器的關(guān)鍵功能是利用對(duì)380～780nm可見(jiàn)波長(zhǎng)的敏感度，可獲得與人眼類似的對(duì)環(huán)境光的感知。四、煙霧傳感器煙霧傳感器通過(guò)監(jiān)測(cè)煙霧的濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)的防范。其中離子式煙霧傳感器是一種技術(shù)先進(jìn)、工作穩(wěn)定可靠的傳感器，被廣泛運(yùn)用于各種消防報(bào)警系統(tǒng)中，其性能遠(yuǎn)優(yōu)于氣敏電阻類的火災(zāi)報(bào)警器。離子式煙霧傳感器在內(nèi)部有內(nèi)外兩個(gè)電離室，在內(nèi)外電離室里面有放射源镅241電離產(chǎn)生的正、負(fù)離子，在電場(chǎng)的作用下各自向正、負(fù)電極移動(dòng)。在正常情況下，內(nèi)外電離室的電流、電壓都是穩(wěn)定的。一旦有煙霧竄入外電離室，干擾了帶電粒子的正常運(yùn)動(dòng)，破壞了內(nèi)外電離室之間的平衡，電流、電壓就會(huì)有所改變，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)煙霧的檢測(cè)。煙霧傳感器廣泛應(yīng)用于城市安防，以及小區(qū)、工廠、公司、學(xué)校、家庭、倉(cāng)庫(kù)、燃?xì)廨斉涞?。高鐵、動(dòng)車、飛機(jī)等交通工具中都裝有煙霧傳感器。在動(dòng)車行駛過(guò)程中，如果被煙霧傳感器察覺(jué)到有煙霧存在，它便會(huì)第一時(shí)間向駕駛室發(fā)出報(bào)警信號(hào)。與此同時(shí)，車內(nèi)控制系統(tǒng)自動(dòng)讓列車行駛速度降低，甚至停車。案例在2018年6月13日重慶北開往萬(wàn)州北的C6402次動(dòng)車組列車上，一名乘客躲在廁所吸煙，觸發(fā)了煙霧報(bào)警裝置，使列車降速運(yùn)行，還導(dǎo)致了晚點(diǎn)。由于造成的后果較為嚴(yán)重，公安機(jī)關(guān)根據(jù)相關(guān)法律法規(guī)，給予這名乘客行政拘留5天的處罰。2018年3月2日，中國(guó)鐵路總公司等8個(gè)部門聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于在一定期限內(nèi)適當(dāng)限制特定嚴(yán)重失信人乘坐火車推動(dòng)社會(huì)信用體系建設(shè)的意見(jiàn)》，里面詳細(xì)地介紹了包括對(duì)在高鐵列車上吸煙等各類情況限制乘坐火車的規(guī)定。根據(jù)新規(guī)，在動(dòng)車組列車或其他列車的禁煙區(qū)域內(nèi)吸煙，將被處以180天內(nèi)禁止乘坐火車的處罰。立即行動(dòng)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或圖書館查閱相關(guān)資料，了解煙霧傳感器的分類及其應(yīng)用領(lǐng)域，并填入表25中。表25煙霧傳感器的分類及其應(yīng)用領(lǐng)域分類應(yīng)用領(lǐng)域課外作業(yè)習(xí)題1．為了使廚房環(huán)境更舒適、安全，你認(rèn)為可選什么傳感器？原因是什么？2．比爾·蓋茨通過(guò)自己的“未來(lái)屋”展示了人類未來(lái)智能生活場(chǎng)景，包括廚房、會(huì)客廳、家庭辦公、臥室等一應(yīng)俱全。他的家是什么樣子的？請(qǐng)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或圖書館查閱相關(guān)資料