基于物聯(lián)網(wǎng)與智慧交通的教學(xué)設(shè)計與實現(xiàn)

【摘要】本文通過分析生活中的智能停車收費(fèi)系統(tǒng)實例，圍繞數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)邏輯主線，模擬搭建停車收費(fèi)簡易系統(tǒng)，形成以數(shù)據(jù)為核心的主題單元教學(xué)案例。實驗探索物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)采集、處理、反饋控制等功能和基本原理，體驗物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及人工智能的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生信息科技學(xué)科核心素養(yǎng)。【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)；簡易系統(tǒng)；單元教學(xué)以數(shù)據(jù)為核心的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》提出了“以數(shù)據(jù)為核心”的理念。數(shù)據(jù)流動和數(shù)據(jù)共享正是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用探索最值得關(guān)注和思考的核心問題，建議教師聚焦分析生活中的典型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，設(shè)計并搭建具有數(shù)據(jù)采集、實時傳輸和簡單控制功能的簡易物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，幫助學(xué)生更好地認(rèn)識物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)萬物互聯(lián)的基本原理，體驗物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及人工智能的關(guān)系，發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)。模擬停車收費(fèi)的簡易系統(tǒng)設(shè)計智能停車場是生活中最常見的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，通過攝像頭、傳感器等智能設(shè)備的聯(lián)動，提供更加智能、便捷、高效和安全的停車服務(wù)。整個過程由車輛識別、自動計費(fèi)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和車位管理等多個子系統(tǒng)組成，其中最能體現(xiàn)教學(xué)需要的是停車收費(fèi)子系統(tǒng)。1.核心功能分析本案例聚焦數(shù)據(jù)的處理流程，設(shè)計并實現(xiàn)具有“感知—采集—傳輸—反饋—控制”完整功能的智能停車收費(fèi)簡易系統(tǒng)，所需核心功能包括：（1）車輛駛?cè)霑r，數(shù)字設(shè)備智能識別車牌，記錄駛?cè)霑r間和車牌信息；（2）車輛駛出時，識別車牌，獲取出場時間，計算收費(fèi)金額；（3）反饋收費(fèi)金額，模擬繳費(fèi)過程，車輛駛出。收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)模擬顯示：（1）停車場每小時收費(fèi)10元；（2）30分鐘內(nèi)免費(fèi)，超過30分鐘按1小時計算。2.核心任務(wù)分解依據(jù)系統(tǒng)“輸入—處理—輸出”（IPO）的工作方式和物聯(lián)網(wǎng)的三層構(gòu)架來理解。智能停車收費(fèi)的物聯(lián)網(wǎng)簡易系統(tǒng)可以被拆分為如下子任務(wù)：（1）使用數(shù)字設(shè)備采集車輛進(jìn)入和駛出時的車牌號和時間數(shù)據(jù)；（2）物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺存儲車牌號和入場時間數(shù)據(jù)，提供MQTT訂閱服務(wù)；（3）按需求處理數(shù)據(jù)，使用數(shù)字設(shè)備反饋收費(fèi)信息。3.教學(xué)實驗設(shè)備的選擇考慮到教學(xué)環(huán)境的Wi-Fi覆蓋范圍和真實云平臺應(yīng)用存在賬號登錄、數(shù)據(jù)管理等問題，使用內(nèi)置Wi-Fi與MQTT服務(wù)的1956開發(fā)板快速搭建局域物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)環(huán)境；使用計算機(jī)自帶和外接的攝像頭，結(jié)合車牌識別的人工智能技術(shù)，實現(xiàn)將采集到的出入車輛的車牌圖片信息轉(zhuǎn)化為文本信息，上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺。mPython軟件具備圖形和Python代碼編程兩種模式，內(nèi)部配置了常用的Wi-Fi模塊、物聯(lián)網(wǎng)模塊與攝像頭識別等多個應(yīng)用模塊，支持MQTT消息隊列遙測傳輸協(xié)議的訂閱主題服務(wù)，是編程實現(xiàn)的主陣地。掌控板（樂動掌控）主要用在出口處，攝像頭識別車牌后，程序訂閱平臺入場記錄，計算停車時間，按照收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)計算出收費(fèi)金額，車主繳費(fèi)后車輛駛出。停車收費(fèi)簡易系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示。圖1

停車收費(fèi)簡易系統(tǒng)設(shè)計示意圖4.關(guān)鍵問題分析與程序?qū)崿F(xiàn)（1）車牌數(shù)據(jù)的采集及傳輸。mPython軟件啟動SIoT-Python模式和車牌識別擴(kuò)展應(yīng)用，筆記本使用外接攝像頭，方便車牌掃描識別，設(shè)置啟動1956開發(fā)板的Wi-Fi和SIoT物聯(lián)服務(wù)。有車輛駛?cè)霑r，智能車牌識別模塊采集車牌數(shù)據(jù)，通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺的mPython/in主題中。（2）獲取車輛入場數(shù)據(jù)，計算收費(fèi)金額，給出繳費(fèi)提示信息。有車輛駛出時，筆記本自帶攝像頭和智能車牌識別模塊采集車牌數(shù)據(jù)，通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺的mPython/out主題中，同時訂閱獲取該車牌的入場時間，按收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)計算出收費(fèi)金額，反饋提示收費(fèi)等相關(guān)信息。基于簡易系統(tǒng)案例的教學(xué)單元設(shè)計1.前序知識要求本單元教學(xué)非零起點(diǎn)，需要學(xué)生已經(jīng)了解和掌握以下前序知識：（1）掌握了一些常用傳感器的原理及使用方法；（2）熟悉了mPython軟件的基本使用方法；（3）了解Python中列表和字典的基本功能和用法；（4）了解物聯(lián)網(wǎng)的基本原理。2.確定單元目標(biāo)（1）通過設(shè)計規(guī)劃模擬停車收費(fèi)系統(tǒng)，深刻理解物聯(lián)網(wǎng)的原理和作用。（2）通過分析現(xiàn)實停車收費(fèi)系統(tǒng)，體驗問題分析、分解、抽象的基本方法。（3）通過采集車牌數(shù)據(jù)、發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)平臺并實現(xiàn)自動收費(fèi)的功能，掌握從物聯(lián)設(shè)備中讀取、發(fā)送、接收和使用數(shù)據(jù)的基本方法。（4）體驗利用計算機(jī)自動解決現(xiàn)實問題的方法，提升計算思維。（5）通過模擬停車收費(fèi)系統(tǒng)的拓展應(yīng)用，拓展思路，達(dá)到知識遷移應(yīng)用的目的，提升學(xué)習(xí)成就感，體會技術(shù)給人們的生活帶來的美好變化，提升信息意識和社會責(zé)任感。3.單元課時安排依據(jù)項目要求及學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，重點(diǎn)結(jié)合停車收費(fèi)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的流動過程，我們將本單元設(shè)計為4課時完成。第一課時，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下總結(jié)、分析觀察到的停車收費(fèi)實際場景，學(xué)會分析、分解問題并對實際問題進(jìn)行合理抽象。學(xué)生圍繞觀察到的停車收費(fèi)現(xiàn)象和問題，進(jìn)行分析、規(guī)劃和試驗。第二課時，學(xué)生分組，在教師的引導(dǎo)下各組依據(jù)所使用的開源硬件及軟件（mPython）的特點(diǎn)開始進(jìn)行項目實施。主要完成以下任務(wù)：根據(jù)前期分析停車場入口、出口的功能繪制程序?qū)崿F(xiàn)的過程圖；根據(jù)過程圖編寫程序，實現(xiàn)采集車牌數(shù)據(jù)、上傳物聯(lián)網(wǎng)平臺，并實現(xiàn)計費(fèi)功能。第三課時，拓展應(yīng)用，對系統(tǒng)反思、優(yōu)化，達(dá)到知識遷移。分組實現(xiàn)個性化的停車計費(fèi)系統(tǒng)。學(xué)生可以根據(jù)前期的分析，分組實現(xiàn)個性化停車收費(fèi)系統(tǒng)功能，如空車位顯示、限行提示、剩余車位信息等；設(shè)置不同場景的不同計費(fèi)形式；完善程序?qū)崿F(xiàn)跨天收費(fèi)等。第四課時，展示分享，自評互評。教師發(fā)放自評、互評評價表，學(xué)生分組進(jìn)行展示、自評、互評。教師引導(dǎo)學(xué)生對項目過程及問題進(jìn)行共同研討，學(xué)生在自評、互評及共同研討過程中達(dá)到深刻理解物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理等功能的實現(xiàn)過程，達(dá)到取長補(bǔ)短、共同提高的目的。教學(xué)建議為保證教學(xué)效果，教師可以提前引導(dǎo)學(xué)生觀察并記錄自己身邊的停車場（庫）出入及計費(fèi)情況，依據(jù)同學(xué)們觀察到的不同計費(fèi)場景功能將學(xué)生分成不同的小組。這樣既可以滿足不同學(xué)生的興趣，也可以體現(xiàn)現(xiàn)實問題的多樣性，從而最大限度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在教學(xué)過程中，教師要更加關(guān)注問題的分析與分解過程，引領(lǐng)學(xué)生從復(fù)雜的實際問題中抽象梳理車輛入口及出口的設(shè)備動作流程，畫出流程圖，依據(jù)清晰的流程圖編寫程序?qū)崿F(xiàn)功能。這樣學(xué)生可以避免非關(guān)鍵因素的干擾，從而達(dá)到順