《 物联网集成系统设计 》-教案 林少茵- 第1-7次课 物联网集成系统的介绍及本书教学例程总体介绍-网关程序Socket通信部分

《物联网集成系统设计》教案

教案填写说明与要求1．教案可以是打印稿也可以到教务处领取教案本书写。2．一门课的教案包括一个课程整体教学设计方案及若干次课的教案设计。3．一次课的教案一般是2学时课的教案，也可以是完成一个教学模块或一个典型工作任务或子项目所需课时（如4学时或6学时）的教案。4．课程整体教学设计方案须依据课程标准要求进行设计。5．每一次课的教案须包含相对完整详细的教学过程设计。

课程整体教学设计课程性质必修课程类型理论+实践学分4总学时72理论学时32实践学时40授课对象教材分析《物联网集成系统设计》以项目为导向，讲解物联网应用系统集成设计的构成及搭建，以LED控制系统为例模拟智能家居系统完成项目。课程整体教学目标通过本课程的学习使学生掌握物联网应用系统集成设计的基础知识、基本理论、基本分析和设计方法，训练学生物联网应用系统集成设计应用的基本技能；培养学生严谨的科学态度、科学思维方式以及创新意识和创新能力。为学习后续课程提供必要的理论基础知识和实践技能，为今后可能从事的职业打好基础。课程整体教学重点和难点在教学内容的选择上突出了基本理论，基本分析方法和知识的应用。重点：理解系统构成，分析系统功能难点：服务器SpringBoot框架的应用教学方式理论教学与实践教学相结合，在各章都设置了相应的实践训练环节--技能训练。它包括基本性技能训练和设计性技能训练两部分。教学资源文档资料、课件、视频等教学方法和手段将课堂讲授、课内讨论、课外自学、技能训练等合理结合，把教学过程分为课题引入、设疑激学、讲练结合、总结巩固等环节进行教学。考核与评价本课程的考核方式采用：课堂表现＋实践考核＋平时考核。注重对基本知识、运用知识解决问题能力的考核。实践考核=项目过程考核成绩＋项目作品考核成绩。主要检查学生对阶段性知识以及基本技能的掌握情况，对每次实验实训进行考核。平时考核由考勤记录、课堂提问、作业情况和平时表现构成。主要参考资料菜鸟教程、spring.io

教案周次第周课次第1次课学时安排4学时本次课题物联网集成系统的介绍及本书教学例程总体介绍教学目标能力目标：具备认知物联网集成系统、开发流程和系统架构的能力具备设计与解读协议的能力知识目标：掌握物联网集成系统简介、结构、系统要求掌握物联网集成系统框架技术理解协议的作用，学会设计用户协议理解例程系统结构教学重点难点重点：用户协议、例程体系结构难点：例程系统结构训练项目（任务）或案例认知智能家居系统、智慧农业系统教学方法反转课堂、视频、课件等教学环境多媒体教室课后作业讨论方案教学后记教学过程设计旁注课程内容介绍什么是物联网集成系统设计物联网系统的构成是什么物联网系统的要求怎么学习物联网集成系统设计成绩构成：课堂成绩40%+作业20%+项目40%物联网系统的四层结构讲解对照物联网系统四层结构，介绍了两个案例，提问学生讲述上课例程总体结构用户协议的构成及本课例程协议的理解分组小组讨论例程讲解探索者板LED灯的硬件连接电路回顾Keil5的使用，编译运行程序HAL_GPIO_WritePin(GPIO_OUT_LED0_GPIO_Port,GPIO_OUT_LED0_Pin,GPIO_PIN_SET);HAL_Delay(500);HAL_GPIO_WritePin(GPIO_OUT_LED0_GPIO_Port,GPIO_OUT_LED0_Pin,GPIO_PIN_RESET);HAL_Delay(500);课堂小结（5分钟）物联网的概念课程案例的结构Keil5的使用开发板LED灯的硬件连接电路教案周次第周课次第2次课学时安排4学时本次课题基于串口的单片机节点主动上传信息教学目标能力目标：掌握基于串口单片机节点主动上传的编程方法掌握基于串口单片机节点被动上传的编程方法知识目标：理解主动上传、被动上传的概念学会使用定时器主动上传节点信息学会使用串口通信上传灯的节点信息教学重点难点重点：主动上传被动上传的概念、结合串口使用主动上传灯的信息难点：程序实现训练项目（任务）或案例1.灯定时闪烁，串口发送灯的状态信息2.用户控制灯，串口发送灯的状态信息教学方法反转课堂、视频、课件等教学环境多媒体教室课后作业讨论方案教学后记教学过程设计旁注回顾上节课内容课程案例的结构用户协议的定义Keil5的使用开发板LED灯的连接电路本次课程内容主动上传、被动上传的概念讲解定时器讲解（1）定时时间决定因素：分频系数n、计数值N、定时器时钟f（2）定时时间计算t=N*n/f（3）优先级分组及设定（4）定时器应用在main函数中开定时器HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);在main外写定时函数voidHAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef*htim)//定时器中断入口{if(htim->Instance==htim2.Instance)//判断是否定时器2中断{//定时任务}}3.串口发送初始化串口串口发送方法USART_SendData(*USART,data);4.讲解例程主动发送的原理发送节点信息，节点采集的信息就是LED1灯的状态。因此，单片机要把LED1灯的状态先读取出来，进行数据采集。然后根据灯的状态，进行开关的协议代码的发送。本例程采用主动上传方式发送灯的状态信息，所以定时中断处理函数中采用以下代码，每次定时器0.5秒时间到时，通过串口USART1发送数据。5.学生实验结合灯的闪烁程序，使用定时发送灯的状态信息关键代码：if(TIM_GetITStatus(TIM3,Tim_IT_Update)==SET)//溢出中断{i=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOF,GPIO_Pin_10);if(i==0x1)USART_SendData(USART1,(u8)'0'); elseUSART_SendData(USART1,(u8)'1');//向串口USART1发送数据while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)!=SET);//等待发送结束}6.讲解串口调试助手的使用7.讲解按键电路及相关编程方法按键控制LED1灯if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE,GPIO_Pin_2)==0){ delay_ms(30);if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE,GPIO_Pin_2)==0){while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE,GPIO_Pin_2)==0);GPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_10);}}elseGPIO_SetBits(GPIOF,GPIO_Pin_10);8.学生实验结合按键控制灯的程序，主动发送用户控制灯的信息到网关（串口助手）三、课堂小结1.主动上传与被动主传的区别2.复习单片机开发板定时器的使用3.复习单片机开发板串口发送的使用4.完成程序：灯定时闪烁，串口发送灯的状态信息5.完成程序：用户控制灯，串口发送灯的状态信息教案周次第周课次第3次课学时安排4学时本次课题单片机节点信息串口被动上传及控制教学目标能力目标：能够描述被动上传与主动上传的区别能够编写被动上传节点信息的代码能够编写控制节点的程序知识目标：1.会用串口接收数据2.能描述被动上传的原理3.能描述控制节点的原理教学重点难点重点：利用单片机串口与网关（串口助手）通信接收信息难点：串口中断训练项目（任务）或案例节点接收控制信息节点接收信息后上传灯的状态教学方法反转课堂、视频、课件等教学环境多媒体教室课后作业书本课后作业教学后记教学过程设计旁注一、上次课回顾（5分钟）1.主动上传与被动主传的区别2.复习单片机开发板定时器的使用3.复习单片机开发板串口发送的使用4.完成程序：灯定时闪烁，串口发送灯的状态信息5.完成程序：用户控制灯，串口发送灯的状态信息二、本次课程内容1.讲解被动上传原理接收到“2”--->读联灯的状态------>把灯的状态通过串口发送出去2.讲解串口中断的方式接收数据要点串口接收中断函数voidUSART1_IRQHandler(void) //串口USART1中断服务程序{}3.学生理解原理及编程要点编写被动上传节点状态程序讲解程序u8i，j;if(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_IT_RXNE)==SET){ i=USART_ReceiveData(USART1); if(i=='2'){j=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOF,GPIO_Pin_10); if(j==0x0)USART_SendData(USART1,(u8)'1'); elseUSART_SendData(USART1,(u8)'0');while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)==RESET);} }讲解节点接收信息控制原理串口接收到1开灯串口接收到0关灯根据控制节点原理编写程序while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_RXNE)==SET){ i=USART_ReceiveData(USART1); if(i=='1') { GPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_10); } elseif(i=='0') { GPIO_SetBits(GPIOF,GPIO_Pin_10); } elseif(i=='2'){i=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOF,GPIO_Pin_10);if(i==0x0)USART_SendData(USART1,(u8)'1');elseUSART_SendData(USART1,(u8)'0'); while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)==RESET);}}讲解控制程序练习课后习题，解学生问题课堂小结（5分钟）复习串口接收编程要点完成程序：串口被动上传灯的信息完成程序：节点根据接收的控制信息控制LED灯教案周次第4周课次第4次课学时安排4学时本次课题单片机节点以太网客户端通信程序教学目标能力目标：能够简单描述以太网的编程原理能够理解以太网通信程序的接收、发送的方法能独自完成实验55的演示操作能够改写以太网通信程序完成节点作为客户端主动上传的功能知识目标：了解单片机以太网的编程原理理解程序接收完成标志位、接收数据缓冲区理解程序发送标志位、发送数据指针会使用网络调试助手教学重点难点重点：发送标志位、发送数据指针意义及用法难点：以太网程序原理训练项目（任务）或案例实验55改写太网通信程序，使其按本例程协议节点作为TCP/IP客户端主动上传节点信息教学方法反转课堂、视频、课件等教学环境多媒体教室课后作业教学后记教学过程设计旁注回顾上节课的内容（5分钟）通过串口主动上传节点信息通过串口被动上传节点信息根据串口接收到的信息控LED灯本节课程内容简单讲解ICP/IP通信的原理客户端-服务端服务端IP、端口号简单讲解单片机实验55的TCP通信本实验开机后，程序初始化LWIP，包括：初始化LAN8720A、申请内存、开启DHCP服务、添加并打开网卡，然后等待DHCP获取IP成功，当DHCP获取成功后，将在LCD屏幕上显示DHCP得到的IP地址，如果DHCP获取失败，那么将使用静态IP（固定为：192.168.1.30），然后开启WebServer服务，并进入主循环，等待按键输入选择需要测试的功能。直接教师演示KEY0按键，用于选择TCPServer测试功能、KEY1按键，用于选择TCPClient测试功能。讲解程序注意事项TCPServer测试的时候，直接使用DHCP获取到的IP（DHCP失败，则使用静态IP）作为服务器地址，端口号固定为：8088。在电脑端，可以使用网络调试助手（TCPClient模式）连接开发板，连接成功后，屏幕显示连接上的Client的IP地址，此时便可以互相发送数据了。按KEY0发送数据给电脑，电脑端发送过来的数据将会显示在LCD屏幕上。按KEY_UP可以退出TCPServer测试。TCPClient测试的时候，先通过KEY0/KEY2来设置远端IP地址（Server的IP），端口号固定为：8087。设置好之后哦，通过KEY_UP确认，随后，开发板会不断尝试连接到所设置的远端IP地址（端口：8087），此时我们需要在电脑端使用网络调试助手(TCPServer模式)，设置端口为：8087，开启TCPServer服务，等待开发板连接。当连接成功后，测试方法同TCPServer测试的方法一样。介绍网络调试助手用法，网络调试助手模拟服务器注意：网络调试助手作为TCP/IP通信的服务端，因为单片机的端口号是固定的，所以服务端提供的端口号：8087根据实验55讲解以下标志位及缓冲区的使用接收数据缓冲区u8tcp_client_recvbuf[TCP_CLIENT_RX_BUFSIZE];发送数据指针u8*tcp_client_sendbuf接收完成标志位tcp_client_flag&1<<61接收到数据0没接收到数据标记要发送数据标志tcp_client_flag|=1<<7;1标记发送0不标记发送连接标志位tcp_client_flag&1<<51要连接0不用连接已连接标记connflag1连接上0没连接上同学们自行测试实验55根据实验55功能以节点为客户端完成基于以太网的节点主动发送通信程序主动上传if(LED1==0){ tcp_client_sendbuf="1";//发送数据缓指针,指向发送内容 tcp_client_flag|=1<<7;//标记发送信息 }elseif(LED1==1){ tcp_client_sendbuf="0";//发送数据缓指针,指向发送内容 tcp_client_flag|=1<<7;//标记发送信息 }课堂小结（5分钟）演示实验55的功能介绍网络调试助手的使用讲解了实验55接收完成标志位、接收缓冲区、发送标志位、发送数据指针的作用与使用方法根据实验55完成了节点作为客户端通过以态主动上传数据的程序教案周次第周课次第5次课学时安排4学时本次课题单片机节点以太网服务端通信程序教学目标能力目标：能够改写以太网通信程序完成节点作为客户端被上传的功能能够改写以太网通信程序完成节点作为服务端主动上传、被动上传、控制功能知识目标：了解单片机以太网的编程原理理解程序接收完成标志位、接收数据缓冲区理解程序发送标志位、发送数据指针教学重点难点重点：接收完成标志位、接收数据缓冲区、发送标志位、发送数据指针意义及用法难点：以太网程序原理训练项目（任务）或案例1.改写太网通信程序，使其按本例程协议节点作为TCP/IP客户端控制节点2.改写太网通信程序，使其按本例程协议节点作为TCP/IP服务端上传节点信息及控制节点教学方法反转课堂、视频、课件等教学环境多媒体教室课后作业教学后记教学过程设计旁注一、回顾上节课的内容（5分钟）简单回顾实验55接收完成标志位、接收缓冲区、发送标志位、发送数据指针的作用与使用方法回顾网络调试助手的使用回顾节点作为TCP/IP通信的客户端主动发送信息二、本节课程内容重点复习以下标志位接收数据缓冲区u8tcp_client_recvbuf[TCP_CLIENT_RX_BUFSIZE];发送数据指针u8*tcp_client_sendbuf接收完成标志位tcp_client_flag&1<<61接收到数据0没接收到数据标记要发送数据标志tcp_client_flag|=1<<7;1标记发送0不标记发送连接标志位tcp_client_flag&1<<51要连接0不用连接已连接标记connflag1连接上0没连接上讲解以下标志位接收数据缓冲区u8tcp_server_recvbuf[TCP_SERVER_RX_BUFSIZE]; 发送数据缓指针u8*tcp_server_sendbuf接收完成标志位tcp_server_flag&1<<61接收到数据0没接收到数据标记要发送数据标志tcp_server_flag|=1<<71标记发送0标记不发送连接标志位tcp_server_flag&1<<51要连接0不用连接已连接标记connflag1连接上0没连接上根据实验55功能以节点为客户端完成基于以太网的节点被动上传及控制功能把以下代码放到tcp_client_test函数的if(tcp_client_flag&1<<6)的判断里面，就可完成接收控制与被动发送的目的。 if(tcp_client_recvbuf[0]=='0'){ //接收到“0”的时候，关灯 LED1=1;} elseif(tcp_client_recvbuf[0]=='1'){ //接收到“1”的时候，开灯 LED1=0; } elseif(tcp_client_recvbuf[0]=='2'){ //接收到“2”，返回灯的状态 if(LED1==0){//判断灯是亮的 tcp_client_sendbuf="dengliang"; tcp_client_flag|=1<<7;//标记发送 } elseif(LED1==1){//判断灯是灭的 tcp_client_sendbuf="dengmie"; tcp_client_flag|=1<<7;//标记发送 }}同学们自行完成根据实验55功能以节点为服务端完成基于以太网的节点主动上传。根据实验55功能以节点为服务端完成基于以太网的节点被动上传。根据实验55功能以节点为服务端完成基于以太网的节点控制。做作业题巩固所学课堂小结（5分钟）接收完成标志位、接收缓冲区、发送标志位、发送数据指针的作用与使用方法节点可以作为TCP/IP通信的客户端也可以作为通信的服务端根据实验55完成了节点作为客户端通过以态被动上传数据和控制的程序根据实验55完成了节点作为服务端通过以态主、被动上传数据和控制的程序教案周次第周课次第6次课学时安排2学时本次课题网关程序串口通信部分教学目标能力目标：会例举使用JAVA语言编写串口通信的步骤能实现JAVA语言编写串口程序接收和发送信息知识目标：理解网关通信的原理及作用进一步掌握JAVA中类的定义及类的方法调用掌握JAVA编写串口通信程序的方法教学重点难点重点：网关通信的原理、JAVA语言编写串口接收、发送的基本语句难点：JAVA接收原理及实现训练项目（任务）或案例网关串口接收发送程序教学方法反转课堂、视频、课件等教学环境多媒体教室课后作业教学后记教学过程设计旁注回顾上节课的内容（5分钟）单片机节点网络接收单片机节点网络发送单片机节点串口接收单片机节点串口发送本节课程内容网关的介绍介绍网关的作用与功能强调串口的连接，或者说非网络节点连接方式通过网关把信息发送到网络上。网关的作用是，不同传输网络之间的转换。要实现串口的协议转换成TCP/IP的协议的本地网关的设计与实现。网关中串口的初始化步骤新建一个串口类（1）找到硬件连接的串口；（2）打开串口；（3）取得串口输出输入流；（4）设置串口通信参数。网关初始化代码写在串口构造函数中强调输入流和输出流学生实验进行串口初始化，并确认初始化成功与否使用串口接收信息讲解串口接收信息的原理串口接收信息是通过串口消息处理机制完成讲解串口接收信息的编程方法添加串口消息处理有三个步骤如下：（1）首先需要在端口控制类（如CommUti）加上“implementsSerialPortEventListener”；（2）复写publicvoidserialEvent(SerialPortEvente)方法，在其中对事件进行判断；（3）添加监视器serialPort.addEventListener(this);。使用串口调试助手模拟单片机节点使用串口调试助手向网关发送信息，查看网关接收串口信息的情况学生写代码及使用串口助手测试串口接收使用串口发送信息讲解串口发送信息的原理主动发送，只要写发送函数，供其它类调用讲解串口发送信息的编程方法publicvoidsendtomcu(Stringstring){ if(outputStream!=null) try{ outputStream.write(string.getBytes()); }catch(IOExceptione){ e.printStackTrace(); } }学生写代码及使用串口助手测试串口发送课堂小结（5分钟）串口初始化串口串口接收原理及编程方法串口发送原理及编程方法教案周次第周课次第7