制作簡易噪聲檢測系統(tǒng)模型 課件 2023-2024學年電子工業(yè)出版社（2022）初中信息技術第三冊

第5課制作簡易噪聲監(jiān)測系統(tǒng)模型電子工業(yè)出版社第三冊教學目標1、信息意識：幫助了解噪聲問題、識別相關數(shù)據(jù)來源、評估數(shù)據(jù)質量和可信度，以及利用這些信息來構建和優(yōu)化模型。2、計算思維：幫助我們理解噪聲監(jiān)測問題的本質、設計合適的算法和模型結構，以及實現(xiàn)高效的計算過程。3、數(shù)字化學習與創(chuàng)新：有助于我們掌握最新的技術動態(tài)、學習相關理論知識，以及將創(chuàng)新思維應用到模型設計和實現(xiàn)過程中。4、信息社會責任：確保模型使用的數(shù)據(jù)來源合法、保護用戶隱私、遵循相關法律法規(guī)，以及確保模型的輸出結果公正、準確。情境描述馬寧所在的班級最近試行“無人監(jiān)管自習”措施，上自習課時，無須老師值守，同學們自覺保持安靜上自習課。剛開始執(zhí)行時，馬寧和同學們發(fā)現(xiàn)，雖然老師不在身邊，但是教室里一旦出現(xiàn)說話聲，老師馬上就能發(fā)覺，清楚地知道同學們說話的時間點，并及時進行干預。原來教室里有一套基于物聯(lián)網的簡易噪聲監(jiān)測系統(tǒng)模型。本節(jié)通過分析“簡易噪聲監(jiān)測系統(tǒng)模型”的工作原理，深入學習物聯(lián)網的組成。情境描述噪聲是一種環(huán)境污染物，且在時間和空間上具有瞬時性的特點，不便于人工監(jiān)測。使用基于物聯(lián)網的簡易噪聲監(jiān)測系統(tǒng)模型基本能夠解決人工監(jiān)測噪聲不便的問題。在不同地點設置噪聲監(jiān)測點，并將每個噪聲監(jiān)測點采集到的數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)測終端平臺，即可得到每個監(jiān)測點的噪聲數(shù)據(jù)并進行處理?；顒?簡易噪聲監(jiān)測系統(tǒng)模型的感知層新知講解1.物聯(lián)網的感知層：(1)感知層是物聯(lián)網的眼睛和耳朵，一般由可以采集數(shù)據(jù)的集成電子設備或傳感器模塊構成。新知講解1.物聯(lián)網的感知層：(2)某街道建筑施工中使用了如圖2.2.2所示的噪聲監(jiān)測系統(tǒng)設備，在這個簡易噪聲監(jiān)測系統(tǒng)模型的監(jiān)測設備中集成了聲音傳感器模塊、可視化模塊、GPS模塊等，其中，聲音傳感器模塊和GPS模塊作為感知設備，用來獲取噪聲的聲強、頻率等數(shù)據(jù)信息和噪聲源的位置信息。圖2.22某街道建筑施工時的噪聲監(jiān)測設備新知講解1.物聯(lián)網的感知層：(3)智能開發(fā)板上集成了眾多的傳感器，其中有可以檢測周圍聲音數(shù)據(jù)的聲音傳感器，要制作簡易的噪聲監(jiān)測系統(tǒng)模型，可以將智能開發(fā)板置于教室內，用智能開發(fā)板上的聲音傳感器采集噪聲數(shù)據(jù)，并編寫相應的程序。新知講解1.物聯(lián)網的感知層：(4)如圖2.2.3所示為智能開發(fā)板上的聲音傳感器，通過編寫重復打印聲音傳感器獲取數(shù)值的程序，可以看到它采集的當前聲音的數(shù)據(jù)。圖2.2.3聲音傳感器及其采集的聲音數(shù)據(jù)練一練1、請同學們思考，如果要檢測居住環(huán)境中可能存在的問題，應使用哪些感知設備。練一練答：(1)空氣質量檢測器：用于檢測室內空氣中的污染物，如甲醛、苯、TVOC等，以確?？諝赓|量達到安全標準。(2)溫度和濕度傳感器：用于監(jiān)測室內溫度和濕度，確保居住環(huán)境舒適度。(3)光照傳感器：用于檢測室內光線強度，以便調整照明設備，保持舒適的光照環(huán)境。(4)噪音檢測器：用于監(jiān)測室內噪音水平，確保居住環(huán)境保持安靜。知識拓展1、物聯(lián)網實現(xiàn)感知功能離不開傳感器。作為一種檢測裝置，傳感器會先感知外界信息，然后將這些信息通過特定規(guī)則轉換為電信號，最后由傳感網傳輸?shù)接嬎銠C上，供人們或人工智能分析和利用。知識拓展2、射頻識別的簡稱為RFID，該技術是無線自動識別技術之一，人們又將其稱為電子標簽技術。利用該技術，無需接觸物體就能通過電磁耦合原理獲取物品的相關信息。知識拓展3、二維碼是一種信息識別技術。二維碼通過黑白相間的圖形記錄信息，這些黑白相間的圖形是按照特定的規(guī)律分布在二維平面上，圖形與計算機中的二進制數(shù)相對應，人們通過對應的光電識別設備就能將二維碼輸入計算機進行數(shù)據(jù)的識別和處理?；顒?簡易噪聲監(jiān)測系統(tǒng)模型的網絡層新知講解1.物聯(lián)網的網絡層：(1)網絡層是物聯(lián)網的神經中樞，物聯(lián)網主要通過通信網絡進行數(shù)據(jù)傳輸，如互聯(lián)網、有線和無線通信網等，該層負責將感知層獲取的數(shù)據(jù)安全可靠地傳輸?shù)綉脤印Ｐ轮v解1.物聯(lián)網的網絡層：(2)如圖2.2.4所示的噪聲監(jiān)測設備中，集成了用于通信的模塊，可以使設備連接到互聯(lián)網或無線通信網，從而將監(jiān)測設備采集到的噪聲數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆肼暠O(jiān)測平臺，便于管理人員進行實時監(jiān)測與統(tǒng)計。圖2.2.4簡易噪聲監(jiān)測系統(tǒng)模型的網絡層示意圖新知講解1.物聯(lián)網的網絡層：(3)智能開發(fā)板上集成了連接無線通信網絡的Wi-Fi模塊，可以將智能開發(fā)板連接當前無線網絡，實現(xiàn)將噪聲數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆肼暠O(jiān)測平臺的簡單物聯(lián)網應用。如圖2.2.5所示，通過編寫連接當前Wi-Fi的程序，可以將作為噪聲監(jiān)測設備的智能開發(fā)板連接到網絡，并可以在控制臺看到Wi-Fi連接成功后的反饋信息。圖2.25智能開發(fā)板連接Wi-Fi并反饋信息知識拓展1、OSI參考模型將網絡分為七層，自下而上分別是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網絡層、運輸層、會話層、表示層和應用層。知識拓展2、網絡層的主要任務就是將分組從源主機經過多個網絡和多段鏈路傳輸?shù)侥康闹鳈C，可以將該任務劃分為分組轉發(fā)和路由選擇兩種重要的功能?；顒?簡易噪聲監(jiān)測系統(tǒng)模型的應用層新知講解1.物聯(lián)網的應用層：(1)物聯(lián)網應用層的核心功能包括兩個方面：一是“數(shù)據(jù)”處理，應用層需要完成數(shù)據(jù)的管理和處理；二是“應用”，應用層需要將這些數(shù)據(jù)與需要的應用相結合，最終服務于人或智能設備。在應用層出現(xiàn)了許多物聯(lián)網平臺，當設備通過網絡連接到物聯(lián)網平臺后，平臺就可以實現(xiàn)人與物聯(lián)網設備的連接與交互。新知講解1.物聯(lián)網的應用層：(2)簡易噪聲監(jiān)測系統(tǒng)模型的應用層，主要是用噪聲監(jiān)測平臺將感知層獲得并由網絡層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)清晰地呈現(xiàn)給用戶，方便用戶進行查看和管理。新知講解2.小型簡易噪聲監(jiān)測系統(tǒng)模型制作步驟：(1)制作小型簡易噪聲監(jiān)測系統(tǒng)模型，除了需要有感知噪聲的監(jiān)測設備、傳輸數(shù)據(jù)的網絡，還需要有能給用戶呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的物聯(lián)網平臺。本課采用SIOT物聯(lián)網平臺作為接收噪聲數(shù)據(jù)的物聯(lián)網平臺，為管理者提供與展示噪聲數(shù)據(jù)信息。新知講解2.小型簡易噪聲監(jiān)測系統(tǒng)模型制作步驟：(2)首先，在編程軟件中的“擴展-添加”項中選擇“網絡應用”子項，在界面的右側找到“SIOT”模塊并加載，如圖2.2.7所示。圖2.2.7加載SIOT模塊新知講解2.小型簡易噪聲監(jiān)測系統(tǒng)模型制作步驟：(3)然后在編程軟件中的“SIOT”模塊上方單擊“啟動SIOT服務器”，即可在本地計算機上搭建一個物聯(lián)網平臺，如圖2.2.8所示，自動彈出的平臺界面可暫時設置最小化。圖2.2.8一鍵“啟動SIOT服務器”新知講解2.小型簡易噪聲監(jiān)測系統(tǒng)模型制作步驟：(4)接著編寫相關程序，讓智能開發(fā)板作為噪聲監(jiān)測設備連接SIOT物聯(lián)網平臺，并發(fā)送噪聲數(shù)據(jù)，如圖2.2.9所示。圖2.2.9噪聲監(jiān)測設備的程序設計新知講解2.小型簡易噪聲監(jiān)測系統(tǒng)模型制作步驟：(5)智能開發(fā)板連接網絡后，填寫平臺相關參數(shù)，使得智能開發(fā)板與SIOT物聯(lián)網平臺進行連接，并設定一個項目/主題(mPython/001)，將采集到的聲音(噪聲)值，每隔一秒通過網絡發(fā)送到平臺的相關主題中。新知講解2.小型簡易噪聲監(jiān)測系統(tǒng)模型制作步驟：(6)將程序刷入智能開發(fā)板后，打開SIOT物聯(lián)網平臺，輸入賬號和密碼后，即可看到設定好的項目ID“mPython”。(7)依次單擊“查看設備列表”“查看消息”選項，即可看到發(fā)送的噪聲數(shù)據(jù)，勾選“自動刷新消息”可以實時查看噪聲數(shù)據(jù)。(8)在SIOT物聯(lián)網平臺上還可以將采集到的噪聲數(shù)據(jù)下載到本地計算機中，便于對數(shù)據(jù)進行管理。在界面中選擇開始時間與結束時間，依次單擊“查詢”一“導出查詢結果”按鈕，即可將噪聲數(shù)據(jù)的Excel表格下載到本地計算機。助力知識1.連接SIOT物聯(lián)網平臺相關參數(shù)的設置：(1)啟動SIOT服務器后，會在本地計算機中建立一個SIOT物聯(lián)網平臺。助力知識1.連接SIOT物聯(lián)網平臺相關參數(shù)的設置：(2)在編寫程序時，連接物聯(lián)網平臺要填寫客戶端ID，可以給設備擬定一個客戶端ID，如“abc”，如圖2.2.12所示。注意同一物聯(lián)網平臺下的客戶端ID不可重復。圖2.2.12填寫客戶端ID助力知識1.連接SIOT物聯(lián)網平臺相關參數(shù)的設置：(3)要將智能開發(fā)板連接SIOT物聯(lián)網平臺，需要啟動本地計算機的SIOT物聯(lián)網平臺，為此要將本地計算機的IP地址填寫到創(chuàng)建SIoT連接的指令中，便于之后智能開發(fā)板通過IP地址找到對應的SIOT物聯(lián)網平臺，順利進行數(shù)據(jù)傳輸，編程軟件中默認的IP地址即為本地計算機的IP地址，如圖2.2.12。圖2.2.12填寫客戶端ID知識拓展1、應用層位于計算機網絡體系結構的最上層，前面四層做的所有事情就是為了他服務，他也是設計和建立計算機網絡的最終目的，通俗的講，就是我們開發(fā)的應用軟件。知識拓展2、應用層需要的標準最多，但也是最不成熟的一層。但隨著應用層的發(fā)展，各種特定應用服務的增多，應用服務的標準化開展了許多研究工作，ISO已制定了一些國際標準（IS）和國際標準草案（DIS）。項目實施馬寧想要通過手中的一些設備與材料，制作一個小型的物聯(lián)網應用一簡易噪聲監(jiān)測系統(tǒng)模型，能夠實時監(jiān)測教室的噪聲數(shù)據(jù)，并將噪聲數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網平臺上，方便實時觀察數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)收集與管理。1.對此項應用，我提出的方案是:__________________。_項目實施1.對此項應用，我提出的方案是：我們可以從感知層、網絡層和應用層三個部分來進行設計和部署。(1)感知層主要負責收集教室的噪聲數(shù)據(jù)。建議使用噪聲傳感器（如MEMS麥克風）來收集噪聲數(shù)據(jù)。(2)網絡層負責將感知層收集到的噪聲數(shù)據(jù)上傳至物聯(lián)網平臺。建議使用Wi-Fi模塊（如ESP8266或ESP32）將噪聲傳感器與物聯(lián)網平臺相連接。(3)應用層負責展示和處理收集到的噪聲數(shù)據(jù)。建議使用物聯(lián)網平臺（如AWSIoT、GoogleCloudIoTCore或MicrosoftAzureIoTHub）來存儲和管理噪聲數(shù)據(jù)。用戶可以通過Web應用或移動應用實時查看噪聲數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)分析和報警設置。項目實施2.要制作教室簡易噪聲監(jiān)測系統(tǒng)模型，需要用到哪些設備?完成表2.2.1。表2.2.1簡易噪聲監(jiān)測系統(tǒng)模型所需設備表感知層網絡層應用層項目實施表2.2.1簡易噪聲監(jiān)測系統(tǒng)模型所需設備表感知層網絡層應用層感知層負責收集噪聲數(shù)據(jù)。噪聲傳感器：用于實時監(jiān)測教室內的噪聲水平。麥克風：用于捕捉聲音信號，以便進一步處理和分析。網絡層負責將感知層收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚韺?。Wi-Fi模塊：將感知層設備與網絡層設備連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。路由器：用于連接感知層設備和網絡層設備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。應用層負責處理噪聲監(jiān)測系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)，并生成報告或警報。計算機：用于運行噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的軟件，處理收集到的數(shù)據(jù)。顯示器：用于顯示噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的界面，方便用戶查看實時噪聲數(shù)據(jù)。揚聲器：用于在噪聲超過設定閾值時發(fā)出警報，提醒學生保持安靜。項目實施3.使用設備與相關材料搭建教室簡易噪聲監(jiān)測系統(tǒng)模型，并進行調試與記錄。經過測試，一天內教室的噪聲闖值在(50-60分貝)范圍內。4.使用簡易噪聲監(jiān)測系統(tǒng)模型，每時每刻的聲音都會被上傳到平臺上，這樣做會出現(xiàn)大量冗余數(shù)據(jù)占用平臺資源的情況，請調整程序，使得聲音值超過1000后再向平臺發(fā)送噪聲數(shù)據(jù)。鞏固練習1.可以通過什么方式連接指定的物聯(lián)網平臺或設備。(1)HTTP/HTTPS協(xié)議(2)MQTT協(xié)議(3)CoAP協(xié)議2.設置“教室簡易噪聲監(jiān)測系統(tǒng)模型”程序中的服務器IP地址和設備ID，嘗試將兩塊智能開發(fā)板連接同一個物聯(lián)網平臺，實現(xiàn)同時監(jiān)測兩個教室噪聲數(shù)據(jù)的功能。鞏固練習3.生活中還有許多的小型物聯(lián)網應用系統(tǒng)，用來實時觀察與統(tǒng)計數(shù)據(jù)，請你使用智能開發(fā)板上的眾多傳感器，結合SIOT物聯(lián)網平臺，自己設計與制作一個小型的物聯(lián)網應用系統(tǒng)模型。課堂總結通過本節(jié)課的學習，我們了解了簡易噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的目的、組成、工作原理以及應用領域。噪聲監(jiān)測系統(tǒng)用于實時監(jiān)測環(huán)境中的噪聲水平，以保護人們免受過高噪聲的侵害。一個簡易噪聲監(jiān)測系統(tǒng)主要包括a.噪聲傳感器b.數(shù)據(jù)采集器c.數(shù)據(jù)處理模塊d.顯示模塊e.報警模塊。噪聲傳感器