与时俱进，用更合适的方式学习物联网技术

国家课程、地方课程和校本课程构成了我国三级课程体系，对于物联网技术的普及而言，我们仍需要通过发展的眼光看待这个问题。谢作如老师身处信息技术需要参与高考的浙江省，其主导的这样一组课程，从国家课程的改造、初中课程的衔接和高中典型项目的延展的不同角度，给出了物联网课程进一步走向纵深的不同的可能性。

浙江教育出版社的高中信息技术教材（下面简称“教材”）的必修2模块中，“内置”了一个搭建信息系统的学习项目，即第四章《信息系统的搭建》中的“室内环境实时监测系统”。这是一个基于物联网技术的项目，涉及了软件和硬件。教材的编写工作在2016年左右启动，那段时间物联网技术还没有“飞入寻常百姓家”，但随着物联网技术的普及和发展，各种开源、免费的物联网服务器软件也陆续发布，搭建物联网应用有了更多选择，无论从价格成本、技术难度还是功能去衡量，教材中的方案都可以进行“升级”。

● 教材内置项目方案简介

高中信息技术必修2模块的名称为“信息系统与社会”，模块的学习目标是让学生认识信息系统在社会中的作用，并能合理使用信息系统解决生活、学习中的问题。通过动手搭建“室内环境实时监测系统”这一项目，能够让学生从中真正理解物联网系统背后的原理，知道信息系统与外部世界的连接方式，了解常见的传感与控制机制。

系统功能需求主要包括：①利用智能终端结合相关的传感器，如温度传感器、湿度传感器、粉尘传感器、烟雾传感器等，实时检测室内环境的各种指标，并上传到服务器保存在数据库，供后期分析。②通过Web页面实时显示各种传感器上传的数据，能根据各种需求直接生成在线实时图表。③使用者可以对监测系统进行相关的设置，限定温度、湿度、烟雾等环境因素的临界值。一旦某项指标超过所限定的临界值，系统将自动触发声光警报，并发送警示信息通知用户。④能够通过网络发送指令，控制相关执行器（如家用电器）自动调节室内环境。

考虑到各地的教学条件和师资的技术水平，教材中的监测系统仅采集了光线、温度和湿度信息，执行器方面也仅做了声光警报，并没有和家用电器进行关联。

● 教材内置项目方案分析

“室内环境实时监测系统”项目的硬件（智能终端）是micro：bit，物联网协议采用HTTP协议，编程语言是Python+MicroPython。综合各地的教师培训活动和教材实施情况看，一线教师们普遍反映教材的技术难度较高。究其原因，在于智能终端和物联网协议的选择并不合理。因为要搭建教材内置的物联网应用项目，编写组不得不增加了一些前置的支撑技术，无形中拔高了整本教材的技术难度。

1.对智能终端的分析

最初选择的智能终端是Arduino。考虑到Ardunio只能支持C/C++语言编写，编写组选择了支持MicroPython的micro：bit。其实这是一种无奈的选择。首先，micro：bit自身不带Wi-Fi功能。虽然DFRobot公司开发了物联网模块（OBLOQ），用串口转发的方式来访问网络，但是要使用物联网模块，学生要先将micro：bit接上扩展板，然后通过杜邦线连接。模块和micro：bit的接线中，RX和TX引脚要交叉，这一点特别容易出错。其次，物联网模块上没有显示屏，出现故障后只能根据板载LED灯的颜色来判断是否正常连上Wi-Fi。这一联网过程对学生来说是个“黑盒”，有时很难分析是哪一步出错了，编程和调试的难度也提高了。另外，micro：bit的内存太小了，如果URL返回的HTML代码较多，板子就会系统崩溃而重启。

2.对物联网协议的分析

物联网通信协议很多，如AMQP、JMS、REST、HTTP/HTTPS、COAP、MQTT等。2017年前，MQTT还算不上是主流协议。因而，编写组选择了HTTP协议。

既然采用了HTTP协议，就必须要先搭建Web服务器，既然要搭建Web服务器，则只好加入了Flask（一个极简的Python的Web框架）和Sqlite（Python内置的数据库）的学习内容。牵一发而动全身，这导致了这一模块涉及的技术很多，门槛就偏高了。尤其是智能终端和Web服务器的连接，常常会因为电脑防火墙干扰而失败。

如果学生希望将这一系统部署到互联网上，即能够通过公网的Web服务器来存储、中转数据，技术门槛则会更高。因为，用Flask开发Web应用，需要同时了解前端和后端的网站开发技术，如HTML、JavaScript，技术难度太大了。

● 智能终端的升级思路

2018年是国产开源硬件的元年，各种为教育而设计的开源硬件如雨后春笋般涌现。综合价格、性能、编程语言和技术难度，笔者提出了两种替代micro：bit的智能终端升级方案。

升級方案1：采用内置Wi-Fi模块的智能终端

ESP8266、ESP32等国产芯片是为物联网而生，基于这类芯片开发的开源硬件是物联网终端的最好选择，如掌控板、FireBeetle和光环板等。教材中采用的micro：bit编程软件BXY，同时支持掌控板的编程，示例代码不需要做任何修改，就能直接运行在掌控板上。省去接线的过程，项目搭建的技术门槛一下子就降下来了。

掌控板自带了常见的传感器和执行器，只要一块主板，就能完成教材中的基本传感和控制实验。用掌控板来连接网络，过程和手机、电脑联网几乎一致。如图1所示，代码仅仅6行，就实现了联网和显示IP地址的功能。

此外，掌控板支持的几乎是完整的MicroPython，而micro：bit支持仅仅是简化版的MicroPython。如掌控板可以用urequest、json等Python上很常见的库，实现较复杂的功能，而micro：bit是做不到的。

升级方案2：采用运行Linux系统的智能终端

在2017年前，能够运行Linux系统的智能终端并不多，2018年板载Arduino的虚谷号发布，随后虚谷物联项目启动，SIoT软件和siot库相继推出，用Python开发物联网应用变得非常方便。2020年pinpong库发布，让Python连接开源硬件变得非常简单，只要数行代码，就能实现读取传感器，控制执行器。

pinpong是基于通用串口通信协议Firmata开发的Python库。当Python访问开源硬件时，电脑会给通过串口连接的开源硬件烧录一个特定的固件，然后借用Firmata实现对硬件的读写工作。pinpong兼容各种常见的开源硬件，实现了“一次编写处处运行”。具体用法请参考本刊2020年12月专题《用Python驱动开源硬件》。

使用pinpong的最大优势在于，搭建物联网项目不需要在Python和MicroPython之间来回切换。学生仅仅使用Python代码，就能完成与智能终端的交互：传感和控制。在课堂教学中，师生不用再去关心硬件的类型，只需要掌握最基本的引脚电平控制和读取的语句，利用普通电脑结合任何一款开源硬件，都可以完成引脚电平控制和读取的实验，或者搭建出物联网应用原型。如果想制作一个演示作品，那么把代码“部署”（复制）到一个卡片电脑上即可。

● 物联网协议的升级思路

前文已经提及，正是因为选择了HTTP协议，教材中才不得不加上Flask、SQLite等比较专业的技术。如果教材将HTTP更换为MQTT协议，那么搭建物联网项目不仅变得简单，而且功能更加强大。

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议）是一种基于发布/订阅（Publish/Subscribe）模式的“轻量级”通信协议。MQTT最大的优点在于以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。目前，MQTT是物联网协议中应用最广泛的一种。

采用MQTT协议搭建教材项目，需要借助MQTT服务器（MQTT Broker），系统架构如图2所示。虽然和借助Web服务器搭建的系统架构并没有太大的区别，但MQTT服务器是现成的，不需要编写代码来搭建，数据库技术更不需要了解，学生只需要理解MQTT协议的消息发送和订阅机制，给智能终端编写相应的代码即可完成“物物相连”。至于想监视数据或者控制智能终端，可以用Python编写代码，保存数据则用CSV文本文件即可。如果还想降低门槛，直接用浏览器访问MQTT服务器的Web管理页面，也可以用现成的MQTT客户端工具，如MQTTX。绝大多数的MQTT服务器都自带了Web管理功能，有些还提供了WebAPI功能，兼容HTTP协议。

在教学中，一般需要在局域网内搭建服务器，所以一键部署的SIoT是最好的选择。如果想部署到公网上，则可以直接借助EasyIoT或者阿里云等免费的MQTT服务器。掌控板、虚谷号、树莓派等都支持MQTT协议。虚谷号和树莓派自身还可以运行SIoT软件，将自己模拟为一个MQTT服务器。至于编程，教学中完全可以使用名为“siot”的MQTT库，同时支持MicroPython和Python，代码规范是统一的。（SIoT的下载地址：https：//gitee.com/vvlink/SIoT）

当然，选择MQTT协议最重要的原因并不是为了降低技术门槛，而在于MQTT是当前主流的物联网开发协议。目前，除了Python和MicroPython外，主流的编程语言如C、C++、C#、GoLang、JavaScript都支持MQTT协议，甚至连Mind+之类的图形化编程语言都有MQTT扩展库。借助MQTT协议，用很简洁的代码就能搭建出一个物联网应用。学生不仅可以用MQTT来理解物联网的核心原理，还能用物联网技术真实解决一些生活中的难题。

● 建议和结论

综上所述，若在智能终端和物联网协议方面进行“升级”，教材中的物联网项目就会更接地气，更容易实施。抛开教材本身，对照课标和物联网技术的发展趨势，我们也可以得出如下三点建议：①物联网技术完全有必要进入学生课堂。②物联网协议应该从HTTP转向MQTT。③智能终端应该内置Wi-Fi功能。

物联网协议的选择和硬件无关，对教材编写者和教师来说，可能更关心如何在五花八门的硬件中选择一个合适的智能终端。在笔者看来，如果从当前的硬件和技术来选择，掌控板、乾坤板之类显然是最合适的，因为软硬件成熟，案例丰富。但如果考虑到未来几年的发展，虚谷号、树莓派和香蕉派之类的能够运行Linux系统的卡片电脑可能更适合高中，也就是说用pinpong库实现物联网中的传感和控制功能，因为掌控板的教育定位本来就在小学和初中。

信息技术的发展日新月异，纸质教材无论如何快速迭代，始终会比现实发展“慢一拍”。但是从HTTP到MQTT，恰好处于物联网技术发展的分水岭，无论从哪个角度看，都有“升级”的必要。本文虽然针对浙教版教材做分析，但是提出的几种物联网实现方案，对其他地区、其他版本的中小学信息技术教材都有参考价值。与时俱进，让学生动手玩转真正的物联网技术，拥抱万物相连的时代，是每一位信息技术教育工作者努力的方向。