律原 楊屹

項(xiàng)目背景

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，教育主管部門充分認(rèn)識(shí)到讓中小學(xué)生盡早體驗(yàn)、學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要性與緊迫性。2022 年4 月，教育部發(fā)布《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 年版）》，將“ 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐與探索”作為7—9 年級(jí)學(xué)生學(xué)習(xí)的三大內(nèi)容之一。

項(xiàng)目主題

本項(xiàng)目使用ESP32 作為主控板，通過圖形化編程軟件Mixly 和Mix IO 平臺(tái)完成1 個(gè)可遠(yuǎn)程控制開關(guān)的元宵節(jié)燈籠，幫助學(xué)生了解并初步掌握前沿的物聯(lián)網(wǎng)軟硬件知識(shí)，激發(fā)他們對(duì)繼承與發(fā)展中華傳統(tǒng)文化的思考。

項(xiàng)目目標(biāo)

● 從硬件知識(shí)的角度，希望學(xué)生了解物聯(lián)網(wǎng)硬件基礎(chǔ)并掌握ESP32 主控板與發(fā)光二極管連接與驅(qū)動(dòng)的電路。

● 從程序設(shè)計(jì)的角度，希望學(xué)生了解物聯(lián)網(wǎng)程序設(shè)計(jì)的基本架構(gòu)，理解下位機(jī)與上位機(jī)的邏輯關(guān)系，初步掌握利用Mixly 圖形化編程軟件設(shè)計(jì)下位機(jī)程序和利用MixIO 平臺(tái)編寫上位機(jī)程序的能力。

● 從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度，希望學(xué)生初步掌握使用LaserMaker 軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的方法。

● 從情感態(tài)度與價(jià)值觀的角度，希望通過本項(xiàng)目激發(fā)學(xué)生對(duì)利用現(xiàn)代科技發(fā)揚(yáng)中國(guó)傳統(tǒng)文化進(jìn)行的思考，并在項(xiàng)目實(shí)施的過程中培養(yǎng)合作精神與項(xiàng)目展示技能。

課程安排

總課時(shí)安排為4 課時(shí)，每個(gè)小組2 ～ 3 名學(xué)生，教師可以根據(jù)學(xué)生的基礎(chǔ)對(duì)各部分的課時(shí)進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最佳效果。

項(xiàng)目引入

元宵節(jié)知識(shí)

元宵節(jié)知識(shí)在本項(xiàng)目中主要起激發(fā)學(xué)生興趣和引入項(xiàng)目的作用，教師可以預(yù)先讓學(xué)生自行上網(wǎng)檢索元宵節(jié)的來歷和習(xí)俗，重點(diǎn)收集元宵節(jié)燈籠圖片，為下一步設(shè)計(jì)和制作打下基礎(chǔ)。

ESP32主控板概述

本項(xiàng)目主要使用ESP32 主控板的物聯(lián)網(wǎng)功能，ESP32使用Tensilica LX6 雙核處理器，CPU 正常工作速度為80 MHz，最高可達(dá)240 MHz，可輕松處理較為復(fù)雜的任務(wù)。

發(fā)光二極管與 ESP32主控板的連接

發(fā)光二極管（簡(jiǎn)稱LED）是一種常用的發(fā)光器件，它通過電子與空穴復(fù)合釋放能量發(fā)光。發(fā)光二極管的正極與ESP32 主控板的12 號(hào)引腳連接，發(fā)光二極管的負(fù)極與ESP32 主控板的GND 連接。ESP32 主控板的每一個(gè)引腳都可控制發(fā)光二極管，需要注意的是每個(gè)發(fā)光二極管的工作電流為20 mA 左右，為了保護(hù)ESP32 主控板，同時(shí)使用的發(fā)光二極管的個(gè)數(shù)最好低于10 個(gè)。

軟件編寫

本項(xiàng)目使用北京師范大學(xué)傅騫教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)的米思齊（Mixly）圖形化軟件編寫ESP32 主控板的程序，上位機(jī)也使用與米思齊配套的Mix IO 平臺(tái)完成，軟硬件均做到了自主、開源、可控。讀者可以通過米思齊的官方網(wǎng)站下載最新版的米思齊軟件。本項(xiàng)目使用Arduino ESP32 為ESP32 主控板編寫程序。

項(xiàng)目實(shí)施

為物聯(lián)網(wǎng)控制的元宵節(jié)燈籠編寫 ESP32主控板程序

圖1 所示為本項(xiàng)目ESP32 主控板程序，整體可分為3個(gè)部分：第1 部分程序用于連接燈籠所在環(huán)境的無線路由器，也可通過手機(jī)等設(shè)備的無線熱點(diǎn)連接；第2 部分程序用于創(chuàng)建MQTT 客戶端并進(jìn)行連接，先創(chuàng)建一個(gè)Mix IO平臺(tái)賬號(hào)，并通過該賬號(hào)和項(xiàng)目密碼訪問需要連接的項(xiàng)目；第3 部分程序用于接收指定主題的MQTT 消息，本項(xiàng)目接收“l(fā)ight”主題的消息，如果“l(fā)ight”主題發(fā)送“on”消息，則點(diǎn)亮發(fā)光二極管，如果“l(fā)ight”主題發(fā)送“off”消息，則關(guān)閉發(fā)光二極管。

為物聯(lián)網(wǎng)控制的元宵節(jié)燈籠編寫上位機(jī)程序

為了使用手機(jī)等設(shè)備遠(yuǎn)程控制元宵節(jié)燈籠的打開與關(guān)閉，使用Mix IO 平臺(tái)為元宵節(jié)燈籠編寫上位機(jī)程序。使用Mix IO 前需先訪問網(wǎng)址（http：//47.92.33.17/），注冊(cè)Mix IO 平臺(tái)用戶賬號(hào)（圖2a），再建立一個(gè)名為“hello”的Mix IO 項(xiàng)目（圖2b），進(jìn)入hello 項(xiàng)目后點(diǎn)擊項(xiàng)目名稱“hello”，可獲得項(xiàng)目連接密碼（圖2c），并將密碼填寫到圖1 所示程序第2 部分的密碼中。

建立好項(xiàng)目，就可進(jìn)入項(xiàng)目編寫上位機(jī)程序。每個(gè)Mix IO 項(xiàng)目程序由數(shù)據(jù)、組件和邏輯3 部分構(gòu)成。由于本項(xiàng)目只控制元宵節(jié)燈籠的打開與關(guān)閉，不涉及數(shù)據(jù)的組織，因此程序只需在“組件”界面添加2 個(gè)按鈕，一個(gè)按鈕命名為“打開燈籠”，另一個(gè)按鈕命名為“關(guān)閉燈籠”，然后在“邏輯”界面為2 個(gè)按鈕分別編寫觸發(fā)時(shí)所執(zhí)行的程序即可。如圖3 所示，按下“打開燈籠”按鈕會(huì)向“l(fā)ight”主題發(fā)送“on”消息；按下“關(guān)閉燈籠”按鈕會(huì)向“l(fā)ight”主題發(fā)送“off”消息。

元宵節(jié)燈籠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目使用Laser Maker 軟件設(shè)計(jì)元宵節(jié)燈籠結(jié)構(gòu)，讀者可以到雷宇科教的網(wǎng)站下載該軟件。

如圖4a 所示，先使用Laser Maker 的“一鍵造物”功能生成1 個(gè)內(nèi)部邊長(zhǎng)為10 厘米的正方體，作為燈籠的主體，然后再將前、后、左、右4 片箱體挖空，將上片箱體改造為燈籠的提梁，燈籠的基本結(jié)構(gòu)就改造完成了（圖4b）。

元宵節(jié)燈籠的總裝

使用4 節(jié)5 號(hào)電池為物聯(lián)網(wǎng)控制的元宵節(jié)燈籠供電，預(yù)組裝成功后，為燈籠的結(jié)構(gòu)糊上宣紙（圖5a），圖5b為燈籠組裝完成后點(diǎn)亮的效果。學(xué)生可通過手機(jī)等設(shè)備的Mix IO 上位機(jī)程序遠(yuǎn)程控制燈籠的打開與關(guān)閉。

教學(xué)反思

需要強(qiáng)調(diào)的是，在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中教師的主要作用應(yīng)該是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。在講授完項(xiàng)目所需的基礎(chǔ)知識(shí)后，教師應(yīng)為學(xué)生的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)多“留白”，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性與創(chuàng)造性。在本項(xiàng)目中教師可以引導(dǎo)學(xué)生擴(kuò)展燈籠的功能，比如通過程序控制燈籠的亮度，使用全彩發(fā)光二極管替代單色發(fā)光二極管，通過程序控制燈籠變色；啟發(fā)學(xué)生改進(jìn)燈籠的結(jié)構(gòu)；嘗試為燈籠繪制符合元宵節(jié)氣氛的圖案等。