基于“Arduino+物联网云+微信小程序”的物联网创意设计

实验题目：基于“Arduino+物联网云+微信小程序”的物联网创意设计

课程简要信息

课程名称：物联网通信技术

课程学时：2周

项目学时：课内（16学时）

适用专业：电子信息类

学生年级：二年级、上学期

实验内容与任务（限500字，可与“实验过程及要求”合并）

“物联网通信技术”是我校通信工程专业于2020年起开设的一门实践课程，该课程选取“Arduino+物联网云+微信小程序”构建物联网开发技术教学、进而组织学生开展创客实践，培养学生的创新实践能力。

物联网创意设计是该课程的核心“综合+设计”性实验，该实验首先要求学生完成“微信小程序远程感知与控制Arduino设备”的综合实验任务，在此基础上，围绕教师给出的主题，自主设计创意作品、完成作品开发。

实验任务包括：

**1）远程感知与控制综合实验（4学时）：**选取支持wifi的Arduino开发板，以温湿度传感器作为感知模块、以继电器作为执行装置，通过MQTT协议接入阿里物联网云；开发微信小程序，同样以MQTT协议接入阿里物联网云；通过云上配置规则引擎，实现微信端远程感知温湿度传感数据、远程控制继电器的开闭。

**2）自主创意设计（12学时）：**由教师给出一个创新主题，如服务老龄化社会的智能装备、智慧校园等，教师引导学生小组围绕该主题进行头脑风暴，构思自我创意、自主提出个性作品并设计解决方案；之后，每一学生小组均需做开题汇报，以PPT陈述自我设计，老师根据学生汇报内容，从创意与技术角度提出改进建议，学生小组进而自我开发，完成创意作品并做汇报展示。

实验过程及要求（限300字）

1）完成Arduino单片机侧的开发，包括：读取温湿度传感器、控制数字继电器、通过MQTT协议接入上云。

2）在阿里物联网云上创建两个设备，分别用于接入Arduino与微信小程序；配置云上规则引擎，实现两个设备间的数据流转。

3）开发微信小程序，调用第三方MQTT库访问物联网云，完成对Arduino远程感知与控制。

* 以上完成“远程感知与控制综合实验”。

4）2人一组，围绕教师设定主题，自主发现问题、设计创意作品，并运用“端、云、用”技术设计解决方案。

5）用PPT、原型展示等方式，做开题汇报，向老师和同学们展示自我创意设计与解决方案。

6）结合开题中教师给出的反馈意见，完成创意设计开发。

* 以上完成物联网自主创意设计。

7）撰写实验总结报告。

相关知识及背景（限150字）

这是一个运用单片机技术开发实际物联网系统的综合性、设计性实验，需要综合运用Arduino单片机、物联网云及微信小程序的相关知识与开发技术，并涉及云接入的身份验证、通信数据解析等工程概念与方法。

本实验所采用的“Arduino、阿里物联网云、微信客户端”开发技术，也是当前物联网应用的主流开发技术。

实验环境条件

1）硬件实验设备：

① 远程感知与控制综合实验阶段，采用Dfrobot公司的《阿里云IoT入门套件》，含Arduino ESP32开发板、以及LED灯、DHT11温湿度传感器、继电器、电磁锁、土壤湿度传感器、数字按钮、红外热释电模块等器件。

② 自主创意设计阶段，使用自建创客空间，如图2，拥有Arduino开发套件、三轮/四轮机器小车、人形机器人、机械手臂等丰富的创新器材，还展示了部分往届学生的作品，这些设施极大激发了低年级学生的动手热情与主动学习兴趣，学生可以在创客空间中自主开发、交流创意、碰撞火花。

2）软件实验工具：Arduino IDE、微信开发者工具。

图1 《阿里云IoT入门套件》

图2 自建创客空间

教学目标与目的（限150字）

1. 思政方面

• 介绍我国ICT产业的发展成就，激发学生的民族自豪感与服务祖国的斗志。

• 知识向能力转化过程中培养学生不怕困难、团结协作、勇于挑战的品行和精神。

2. 知识层面

• 知识学习：掌握利用单片机开发一个完整物联网应用所涉及的关键技术。

• 知识运用：能运用单片机技术设计“远程感知与控制”解决方案。

3. 能力层面

• 能力提升：能够在实验过程中，提高自身获取知识、整合多方面知识的能力。

• 能力迁移：创客实践中培养自主发现问题、自主运用物联网技术解决实际问题的能力。

教学设计与实施进程

7.1 教学设计

本实验分为两个阶段，第一阶段“远程感知与控制综合实验”是一个完整的物联网系统开发，第二阶段“物联网创意设计”组织学生开展物联网创客实践，具体过程如图3所示。

1. **阶段一：**远程感知与控制综合实验

本阶段的教学地点为创客实验室，教学中，2名同学分为一组，每组学生分配一套《阿里云IoT入门套件》。由于2周的《物联网通信技术》实践课中，第一周已经给学生分别做了Arduino开发教学、物联网云的使用教学、微信小程序的开发教学，因此本阶段课堂上教师只对“远程感知与控制综合实验”所涉及的关键知识点进行强调，之后学生们完成基于“Arduino+物联网云+微信小程序”的一个完整物联网系统开发，实现微信小程序客户端经由物联网云对Arduino设备的远程感知与控制，最终实验结果应为：手机上可以显示温湿度传感数据、可以控制继电器的开关。

该综合实验时间约为1个半天，教师所讲解的关键知识点包括：

① 阿里物联网云上数据转发（规则引擎）配置。

② MQTT接入物联网云的要点，重点是接入云的发布、订阅Topic，以及云与设备间通信的上下行JSON格式。

③ Arduino侧的JSON数据的构造、解析。

2. 阶段二：物联网创意设计

该阶段首先由教师给出一个创新主题，如服务老龄化社会的智能装备、智慧校园等，教师引导学生小组围绕该主题进行头脑风暴，构思自我创意、自主提出个性作品，并运用物联网“端、云、用”技术设计解决方案；之后，每一学生小组均需做开题汇报，以PPT陈述自我设计，老师根据学生汇报内容，从创意与技术角度提出改进建议，学生小组进而自我开发，完成创意作品并做汇报展示。

图3 实验教学设计

在学生小组自主发现问题、自主解决问题、自主设计开发的“创意转化为实物”过程中，学生体验到了完整的创客经历，初步提升创新能力。本阶段约需时间3个半天。

7.2 阶段一综合实验的实验步骤

1）进入阿里物联网云平台，创建云上物联网设备A和B，如图4。

图4 创建阿里物联网云上产品

2）完成Arduino开发板与温湿度传感器、继电器的物理连线，然后在Arduino IDE中完成程序开发：

• 编程完成读取温湿度值、控制继电器。

• 编写MQTT程序接入阿里物联网云，与云上物联网设备A关联，如图5；进而并完成上行数据构造、下行数据解析。

  

图5 Arduino开发-MQTT上云

3）开发微信小程序，调用“mqtt_min.js”库通过MQTT协议访问云上物联网设备B，如图6；同时，在物联网云上配置“规则引擎”实现“物联网设备A”和“物联网设备B”相互通信，如图7；然后，实现用微信小程序远程读取Arduino上连接的温湿度传感器、远程控制Arduino上的继电器，如图8。

图6 微信小程序开发界面

图7 阿里云上规则引擎配置

7.3 阶段二自主创意设计的实验步骤

本阶段的实验步骤如图9所示。

1）教师首先结合当下物联网系统与设备需求设计创意主题，并提出作品规格：必须包括“端、云、用”三方面的技术，应具备一定的智能性、具备友好的客户端界面，能够聚焦产业或者生活中的具体问题。

2）学生小组调研资料，开展头脑风暴，初步提出本组作品构思，在作品设计中还应考虑实用性、经济性、社会/环境影响性等。

3）学生小组做开题汇报，汇报作品构思与初步设计，教师点评并给出建议，对于不符合设计规格的作品要求重新构思。

4）通过开题汇报的学生小组，根据作品设计内容，进行组内知识整合与新知识学习，进而应用所掌握知识进行项目开发，完成机、电硬件开发以及控制软件开发。

5）学生小组做作品汇报，对比开题任务说明目前完成度、展示完成效果，由老师与所有同学共同打分。

图8 阶段一的实验完成展示（微信小程序通过云访问Arduino）

图9 阶段二的创意设计过程

实验原理及方案

当前的智能化产品大部分具备物联网特征，即具备远程感知与控制的功能，且大多数以手机APP的方式落地、展现给用户使用。考虑到“端、云、用”是物联网的典型结构，课程团队围绕这三部分精选产业热点技术设计教学内容，选择开源硬件Arduino作为物联网终端、选择国内物联网云平台中市场份额最大的阿里物联网云作为数据处理平台、选择绝大多数手机都支持的微信小程序作为远程终端应用，构成一套完整物联网系统开发的产业技术教学，如图10所示。

上述三项技术每项难度均不大，适合低年级学生学习。而这三项组合起来，又恰好构成一套完整的物联网系统，学生掌握后可以马上学以致用，开发出服务于产业、生活的物联网应用，为后续创新活动奠定技术基础。

图10 课程教学方案原理

实验报告要求

实验报告要求撰写内容如下：

第一部分是“远程感知与控制综合实验”，包括（1）实验目的；（2）解释本实验所涉及的“Arduino、物联网云、微信小程序”彼此之间的通信方法；（3）分别撰写Arduino侧、阿里物联网云上、微信小程序侧的开发工作；（4）分析实验中遇到的问题以及自我解决措施。

第二部分是“物联网创意设计”，按“作品背景、需求分析、作品设计”撰写自我工作，重点是：1）清晰撰写出作品的需求，针对需求完成相应的软件+硬件系统设计，并在设计中体现创新意识；2）能用报告、软件或实物呈现设计结果（需要给出实物照片+软件截图）。

第三部分是实验总结，写个人关于本实验的心得、反思、对教学工作或者课程内容提出建议等。

考核要求与方法（限300字）

本实验采用综合评价方法，从实验完成情况、开题汇报以及作品完成情况、课程报告三方面进行评价：

1）远程感知与控制综合实验完成情况，30分

• 完成Arduino开发任务，可以正常读取传感器、控制继电器，可以访问阿里物联网云，10分；

• 完成物联网云开发任务，完成产品/设备创建，规则引擎工作正常，10分。

• 可以用微信小程序远程控制Arduino侧的继电器、可以远程读取温湿度数据，10分。

2）开题汇报以及作品完成情况，40分

• 开题汇报：从创新、功能与技术、可行性、PPT制作、汇报五方面评分，20分。

• 作品检查：从完成度、完成效果两方面评分，20分。

3）课程报告，30分：评分标准为文字撰写质量20分+报告排版10分。

项目特色或创新（可空缺，限150字）

**（1）实验内容紧扣创新活动需求：**本案例紧扣“端-云-用”物联网系统架构，创新构建出一套基于热点产业技术“Arduino、物联网云、微信小程序”的实验教学内容，为低年级学生参加后续创新活动奠定IT技术基础，案例内容设计体现了前沿性与时代性。

**（2）教学方法聚焦创新实践能力培养：**本案例践行创客教育理论，基于物联网综合实验设计了“自主创意设计”的创客实践过程，学生通过自主发现问题、解决问题的创客实践，在“自己想、自己做”的创意开发过程中，获得了深刻的自主创新体验，促进了创新能力形成。