與時俱進用更合適的方式學習物聯(lián)網技術

與時俱進，用更合適的方式學習物聯(lián)網技術國家課程、地方課程和校本課程構成了我國三級課程體系，對于物聯(lián)網技術的普及而言，我們仍需要通過發(fā)展的眼光看待這個問題。謝作如老師身處信息技術需要參與高考的浙江省，其主導的這樣一組課程，從國家課程的改造、初中課程的銜接和高中典型項目的延展的不同角度，給出了物聯(lián)網課程進一步走向縱深的不同的可能性?！窠滩膬戎庙椖糠桨负喗楦咧行畔⒓夹g必修2模塊的名稱為“信息系統(tǒng)與社會”，模塊的學習目標是讓學生認識信息系統(tǒng)在社會中的作用，并能合理使用信息系統(tǒng)解決生活、學習中的問題。通過動手搭建“室內環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)”這一項目，能夠讓學生從中真正理解物聯(lián)網系統(tǒng)背后的原理，知道信息系統(tǒng)與外部世界的連接方式，了解常見的傳感與控制機制。考慮到各地的教學條件和師資的技術水平，教材中的監(jiān)測系統(tǒng)僅采集了光線、溫度和濕度信息，執(zhí)行器方面也僅做了聲光警報，并沒有和家用電器進行關聯(lián)?！窠滩膬戎庙椖糠桨阜治觥笆覂拳h(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)”項目的硬件（智能終端）是micro：bit，物聯(lián)網協(xié)議采用HTTP協(xié)議，編程語言是Python+MicroPython。綜合各地的教師培訓活動和教材實施情況看，一線教師們普遍反映教材的技術難度較高。究其原因，在于智能終端和物聯(lián)網協(xié)議的選擇并不合理。因為要搭建教材內置的物聯(lián)網應用項目，編寫組不得不增加了一些前置的支撐技術，無形中拔高了整本教材的技術難度。1.對智能終端的分析最初選擇的智能終端是Arduino?？紤]到Ardunio只能支持C/C++語言編寫，編寫組選擇了支持MicroPython的micro：bit。其實這是一種無奈的選擇。首先，micro：bit自身不帶Wi-Fi功能。雖然DFRobot公司開發(fā)了物聯(lián)網模塊（OBLOQ），用串口轉發(fā)的方式來訪問網絡，但是要使用物聯(lián)網模塊，學生要先將micro：bit接上擴展板，然后通過杜邦線連接。模塊和micro：bit的接線中，RX和TX引腳要交叉，這一點特別容易出錯。其次，物聯(lián)網模塊上沒有顯示屏，出現(xiàn)故障后只能根據板載LED燈的顏色來判斷是否正常連上Wi-Fi。這一聯(lián)網過程對學生來說是個“黑盒”，有時很難分析是哪一步出錯了，編程和調試的難度也提高了。另外，micro：bit的內存太小了，如果URL返回的HTML代碼較多，板子就會系統(tǒng)崩潰而重啟。2.對物聯(lián)網協(xié)議的分析既然采用了HTTP協(xié)議，就必須要先搭建Web服務器，既然要搭建Web服務器，則只好加入了Flask（一個極簡的Python的Web框架）和Sqlite（Python內置的數(shù)據庫）的學習內容。牽一發(fā)而動全身，這導致了這一模塊涉及的技術很多，門檻就偏高了。尤其是智能終端和Web服務器的連接，常常會因為電腦防火墻干擾而失敗。如果學生希望將這一系統(tǒng)部署到互聯(lián)網上，即能夠通過公網的Web服務器來存儲、中轉數(shù)據，技術門檻則會更高。因為，用Flask開發(fā)Web應用，需要同時了解前端和后端的網站開發(fā)技術，如HTML、JavaScript，技術難度太大了?！裰悄芙K端的升級思路升級方案1：采用內置Wi-Fi模塊的智能終端ESP8266、ESP32等國產芯片是為物聯(lián)網而生，基于這類芯片開發(fā)的開源硬件是物聯(lián)網終端的最好選擇，如掌控板、FireBeetle和光環(huán)板等。教材中采用的micro：bit編程軟件BXY，同時支持掌控板的編程，示例代碼不需要做任何修改，就能直接運行在掌控板上。省去接線的過程，項目搭建的技術門檻一下子就降下來了。掌控板自帶了常見的傳感器和執(zhí)行器，只要一塊主板，就能完成教材中的基本傳感和控制實驗。用掌控板來連接網絡，過程和手機、電腦聯(lián)網幾乎一致。如圖1所示，代碼僅僅6行，就實現(xiàn)了聯(lián)網和顯示IP地址的功能。此外，掌控板支持的幾乎是完整的MicroPython，而micro：bit支持僅僅是簡化版的MicroPython。如掌控板可以用urequest、json等Python上很常見的庫，實現(xiàn)較復雜的功能，而micro：bit是做不到的。升級方案2：采用運行Linux系統(tǒng)的智能終端使用pinpong的最大優(yōu)勢在于，搭建物聯(lián)網項目不需要在Python和MicroPython之間來回切換。學生僅僅使用Python代碼，就能完成與智能終端的交互：傳感和控制。在課堂教學中，師生不用再去關心硬件的類型，只需要掌握最基本的引腳電平控制和讀取的語句，利用普通電腦結合任何一款開源硬件，都可以完成引腳電平控制和讀取的實驗，或者搭建出物聯(lián)網應用原型。如果想制作一個演示作品，那么把代碼“部署”（復制）到一個卡片電腦上即可?！裎锫?lián)網協(xié)議的升級思路前文已經提及，正是因為選擇了HTTP協(xié)議，教材中才不得不加上Flask、SQLite等比較專業(yè)的技術。如果教材將HTTP更換為MQTT協(xié)議，那么搭建物聯(lián)網項目不僅變得簡單，而且功能更加強大。MQTT（MessageQueuingTelemetryTransport，消息隊列遙測傳輸協(xié)議）是一種基于發(fā)布/訂閱（Publish/Subscribe）模式的“輕量級”通信協(xié)議。MQTT最大的優(yōu)點在于以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。目前，MQTT是物聯(lián)網協(xié)議中應用最廣泛的一種。采用MQTT協(xié)議搭建教材項目，需要借助MQTT服務器（MQTTBroker），系統(tǒng)架構如圖2所示。雖然和借助Web服務器搭建的系統(tǒng)架構并沒有太大的區(qū)別，但MQTT服務器是現(xiàn)成的，不需要編寫代碼來搭建，數(shù)據庫技術更不需要了解，學生只需要理解MQTT協(xié)議的消息發(fā)送和訂閱機制，給智能終端編寫相應的代碼即可完成“物物相連”。至于想監(jiān)視數(shù)據或者控制智能終端，可以用Python編寫代碼，保存數(shù)據則用CSV文本文件即可。如果還想降低門檻，直接用瀏覽器訪問MQTT服務器的Web管理頁面，也可以用現(xiàn)成的MQTT客戶端工具，如MQTTX。絕大多數(shù)的MQTT服務器都自帶了Web管理功能，有些還提供了WebAPI功能，兼容HTTP協(xié)議。在教學中，一般需要在局域網內搭建服務器，所以一鍵部署的SIoT是最好的選擇。如果想部署到公網上，則可以直接借助EasyIoT或者阿里云等免費的MQTT服務器。掌控板、虛谷號、樹莓派等都支持MQTT協(xié)議。虛谷號和樹莓派自身還可以運行SIoT軟件，將自己模擬為一個MQTT服務器。至于編程，教學中完全可以使用名為“siot”的MQTT庫，同時支持MicroPython和Python，代碼規(guī)范是統(tǒng)一的。（SIoT的下載地址：https：///vvlink/SIoT）當然，選擇MQTT協(xié)議最重要的原因并不是為了降低技術門檻，而在于MQTT是當前主流的物聯(lián)網開發(fā)協(xié)議。目前，除了Python和MicroPython外，主流的編程語言如C、C++、C#、GoLang、JavaScript都支持MQTT協(xié)議，甚至連Mind+之類的圖形化編程語言都有MQTT擴展庫。借助MQTT協(xié)議，用很簡潔的代碼就能搭建出一個物聯(lián)網應用。學生不僅可以用MQTT來理解物聯(lián)網的核心原理，還能用物聯(lián)網技術真實解決一些生活中的難題。●建議和結論綜上所述，若在智能終端和物聯(lián)網協(xié)議方面進行“升級”，教材中的物聯(lián)網項目就會更接地氣，更容易實施。拋開教材本身，對照課標和物聯(lián)網技術的發(fā)展趨勢，我們也可以得出如下三點建議：①物聯(lián)網技術完全有必要進入學生課堂。②物聯(lián)網協(xié)議應該從HTTP轉向MQTT。③智能終端應該內置Wi-Fi功能。信息技術的發(fā)展日新月異，紙質教材無論如何快速迭代，始終會比現(xiàn)實