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物联网应用开发 
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9 7 5 8 1 7 0 1 4 2 9 1 6 读者对象:高职高专电子信息大类及其相关专业学生 
本书围绕物联网应用开发，以项目式教学为核心展开内容。全书共设九个项目，从基础到实践，逐步深入。开篇 "邂逅 Python 物联网应用开发”，带领读者分析物联网应用需求，搭建开发环境并学习 Python 串口通信库。智慧农业、智能家居、工业物联网三大项目案例，从不同行业应用场景，从需求调研、方案设计到设备安装调试及功能实现，全方位介绍物联网开发流程。最后两个项目，聚焦物联网安全与前沿技术，剖析安全威胁，介绍加密、认证等安全技术，同时探索前沿技术融合应用与未来发展趋势。本书深度融合 Python 编程与物联网技术，从串口通信、网络编程到数据处理与可视化，均以 Python 为工具展开教学。同时，注重技术前沿性，专门设置项目介绍人工智能、边缘计算、区块链等前沿技术及其在物联网中的应用，拓宽学习者视野，使其能紧跟行业发展趋势。此外，教材结合物联网安装调试员设备进行开发实践，与职业技能要求接轨，增强学习者的就业竞争力。
陈红英，女，副教授，系统分析师，高级双师型教师，物联网应用技术专业带头人，2024-2026年漳州市科技特派员。长期从事物联网应用技术专业教育教学研究。近三年来，主持完成漳州市自然科学基金1项、福建省中青年教师教育科研项目1项、横向课题（课题经费10万元）1项、课程思政示范课程1项；主持在研漳州市自然科学基金1项；发表科研论文5篇，SCI收录1篇，211大学学报（自然科学版）1篇。参加2022年福建省职业院校技能大赛教学能力比赛（专业1组）获省级二等奖。指导学生参加福建省职业技能大赛，获得二等奖1项，三等奖4项；指导学生参加海峡杯职业技能大赛获二等奖1项。副主编及参编出版7部计算机教材。
项目 1 邂逅 Python 物联网应用开发 ................................................................1
教学目标............................................................................................................................ 1 任务 1.1 物联网应用需求分析 ............................................................................................... 2 任务描述............................................................................................................................ 2 相关知识............................................................................................................................ 2 1.1.1 物联网基础概念 ............................................................................................. 2 1.1.2 物联网的体系结构 ......................................................................................... 3 1.1.3 物联网的关键技术 ......................................................................................... 4 任务实施.......................................................................................................................... 10 步骤 1 收集项目需求 ............................................................................................ 10 步骤 2 分析技术架构 ............................................................................................ 10 步骤 3 填写技术架构分析表 ................................................................................ 11 步骤 4 编制技术说明书 ........................................................................................ 11 任务考核.......................................................................................................................... 12 任务小结.......................................................................................................................... 12 任务 1.2 搭建物联网应用开发环境 ..................................................................................... 12 任务描述.......................................................................................................................... 12 相关知识.......................................................................................................................... 13 1.2.1 Python 简介................................................................................................... 13 1.2.2 Python 开发环境........................................................................................... 14 任务实施.......................................................................................................................... 15 步骤 1 安装 Python 解释器................................................................................... 15 步骤 2 配置代码编辑器 ........................................................................................ 18 任务考核.......................................................................................................................... 23 任务小结.......................................................................................................................... 23 任务 1.3 Python 串口通信库的使用..................................................................................... 24 ·IV.物联网应用开发 任务描述.......................................................................................................................... 24 相关知识.......................................................................................................................... 24 1.3.1 代码规范（PEP8） ...................................................................................... 24 1.3.2 串口通信库 pyserial 简介............................................................................. 27 1.3.3 虚拟串口软件 ............................................................................................... 28 任务实施.......................................................................................................................... 32 步骤 1 创建虚拟串口 ............................................................................................ 32 步骤 2 编写串口数据通信代码 ............................................................................ 33 步骤 3 测试串口数据的收发 ................................................................................ 34 任务考核.......................................................................................................................... 37 任务小结.......................................................................................................................... 38 项目总结.......................................................................................................................... 38 项目 2 打造环境智能监测站...........................................................................39 教学目标.......................................................................................................................... 39 任务 2.1 筛选适配环境监测的物联网设备与传感器.......................................................... 40 任务描述.......................................................................................................................... 40 相关知识.......................................................................................................................... 40 2.1.1 ESP32 开发板介绍 ....................................................................................... 40 2.1.3 常见环境传感器选型指南 ........................................................................... 47 任务实施.......................................................................................................................... 49 步骤 1 开发环境配置 ............................................................................................ 50 步骤 2 Arduino IDE 绑定 ESP32 开发板.............................................................. 53 任务考核.......................................................................................................................... 55 任务小结.......................................................................................................................... 55 任务 2.2 运用物联网开发板构建数据采集模块 ................................................................. 56 任务描述.......................................................................................................................... 56 相关知识.......................................................................................................................... 56 2.2.1 ESP32 串口通信（UART/I2C/SPI）编程方法...........................................56 2.2.2 传感器数据采集与 ADC/DAC 使用 ........................................................... 59 2.2.3 Wi-Fi 数据传输协议..................................................................................... 62 任务实施.......................................................................................................................... 64 步骤 1 硬件连接与初始化 .................................................................................... 64 步骤 2 实现数据采集 ............................................................................................ 66 任务考核.......................................................................................................................... 67 目 录 ·V· 任务小结.......................................................................................................................... 68 任务 2.3 实现设备智能控制与自动化联动 ......................................................................... 68 任务描述.......................................................................................................................... 68 相关知识.......................................................................................................................... 68 2.3.1 继电器与执行器控制原理 ........................................................................... 68 2.3.2 ESP32 PWM 与 GPIO 输出控制.................................................................. 70 任务实施.......................................................................................................................... 71 步骤 1 阈值判定与设备控制 ................................................................................ 71 步骤 2 状态反馈与优化 ........................................................................................ 72 任务考核.......................................................................................................................... 76 任务小结.......................................................................................................................... 76 项目总结.......................................................................................................................... 76 项目 3 构建物联网数据高速公路....................................................................77 教学目标.......................................................................................................................... 77 任务 3.1 探究主流物联网通信协议 MQTT、HTTP 协议 .................................................. 78 任务描述.......................................................................................................................... 78 相关知识.......................................................................................................................... 78 3.1.1 网路通信协议 ............................................................................................... 78 3.1.2 MQTT、HTTP、AMQP 协议应用场景...................................................... 81 3.1.3 网络编程 ....................................................................................................... 84 任务实施.......................................................................................................................... 86 步骤 1 创建工程 .................................................................................................... 86 步骤 2 编写服务端与客户实现数据交互 ............................................................ 87 任务考核.......................................................................................................................... 90 任务小结.......................................................................................................................... 90 任务 3.2 搭建服务器端数据接收与精准解析平台 ............................................................. 91 任务描述.......................................................................................................................... 91 3.2.1 OneNet 云平台概念...................................................................................... 91 3.2.2 OneNet 云平台核心应用领域...................................................................... 92 任务实施.......................................................................................................................... 93 步骤 1 OneNet 物联网云平台注册与登录........................................................... 93 步骤 2 OneNet 物联网云平台创建产品............................................................... 95 步骤 3 添加设备接入管理 .................................................................................... 98 ·VI.物联网应用开发 任务考核........................................................................................................................ 100 任务小结........................................................................................................................ 100 任务 3.3 运用 Python 进行高效网络编程实现数据稳定上报 .......................................... 100 任务描述........................................................................................................................ 100 相关知识........................................................................................................................ 101 3.3.1 云平台设备接入的安全鉴权与令牌 ......................................................... 101 3.3.2 断线重连与状态维护 ................................................................................. 103 3.3.3 数据格式标准化（JSON 封装）............................................................... 105 任务实施........................................................................................................................ 107 步骤 1 创建 auth.py 实现动态鉴权令牌............................................................. 108 步骤 2 创建 onenet.py 初始化 MQTT 客户端.................................................... 109 步骤 3 创建 sensor_demo.py 实现数据上报 ...................................................... 114 任务考核........................................................................................................................ 116 任务小结........................................................................................................................ 117 项目总结........................................................................................................................ 117 项目 4 塑造数据智慧中枢.............................................................................118 教学目标........................................................................................................................ 118 任务 4.1 基于阈值的环境设备自动控制系统开发 ........................................................... 119 任务描述........................................................................................................................ 119 相关知识........................................................................................................................ 120 4.1.1 阈值管理与持久化存储 ............................................................................. 120 4.1.2 阈值触发与自动控制逻辑 ......................................................................... 130 4.1.3 用户交互与输入验证 ................................................................................. 134 任务实施........................................................................................................................ 141 任务考核........................................................................................................................ 148 任务小结........................................................................................................................ 149 任务 4.2 多模式设备控制与可视化监控系统集成 ........................................................... 149 任务描述........................................................................................................................ 149 相关知识........................................................................................................................ 149 4.2.1 模式切换与状态同步 ................................................................................. 149 4.2.2 多线程数据采集与处理 ............................................................................. 158 4.2.3 实时数据可视化 ......................................................................................... 163 任务实施........................................................................................................................ 170 目 录 ·VII· 任务考核........................................................................................................................ 179 任务小结........................................................................................................................ 179 项目 5 智能家居项目案例实践 .....................................................................181 教学目标........................................................................................................................ 181 任务 5.1 智能家居系统需求调研 ....................................................................................... 182 任务描述........................................................................................................................ 182 相关知识........................................................................................................................ 182 5.1.1 智能家居概述 ............................................................................................. 182 5.1.2 需求调研中需求分析方法 ......................................................................... 184 任务实施........................................................................................................................ 187 步骤 1 前期准备 .................................................................................................. 187 步骤 2 执行调研 .................................................................................................. 188 步骤 3 数据整理与分析阶段 .............................................................................. 189 步骤 4 报告撰写与反馈 ...................................................................................... 190 任务考核........................................................................................................................ 190 任务小结........................................................................................................................ 191 任务 5.2 智能家居系统方案设计 ....................................................................................... 191 任务描述........................................................................................................................ 191 相关知识........................................................................................................................ 191 5.2.1 物联网项目总体设计原则 ......................................................................... 191 5.2.2 物联网项目核心设计流程 ......................................................................... 192 任务实施........................................................................................................................ 196 步骤 1 系统总体架构 .......................................................................................... 196 步骤 2 核心功能模块 .......................................................................................... 197 步骤 3 Python 应用程序功能设计...................................................................... 197 任务考核........................................................................................................................ 198 任务小结........................................................................................................................ 198 任务 5.3 智能家居系统设备安装与调试 ........................................................................... 198 任务描述........................................................................................................................ 198 相关知识........................................................................................................................ 199 5.3.1 ZigBee 的起源与命名................................................................................. 199 5.3.2 ZigBee 的技术特点..................................................................................... 199 5.3.3 ZigBee 的网络架构..................................................................................... 200 5.3.4 ZigBee 的应用领域..................................................................................... 201 ·VIII.物联网应用开发 任务实施........................................................................................................................ 202 步骤 1 打开物联网行业实训仿真软件 .............................................................. 202 步骤 2 拖入设备并连线 ...................................................................................... 202 步骤 3 配置 ZigBee 组网参数............................................................................. 204 步骤 4 绑定虚拟串口 .......................................................................................... 205 步骤 5 测试串口数据的接收 .............................................................................. 205 任务考核........................................................................................................................ 206 任务小结........................................................................................................................ 206 任务 5.4 智能家居系统应用开发 ....................................................................................... 207 任务描述........................................................................................................................ 207 相关知识........................................................................................................................ 207 5.4.1 为什么选择 tkinter...................................................................................... 207 5.4.2 tkinter 的核心概念...................................................................................... 207 5.4.3 布局管理 ..................................................................................................... 208 5.4.4 事件驱动编程 ............................................................................................. 208 5.4.5 物联网应用中的 tkinter 实践..................................................................... 208 任务实施........................................................................................................................ 210 步骤 1 环境搭建 .................................................................................................. 210 步骤 2 代码实现步骤 .......................................................................................... 211 步骤 3 测试与调试 .............................................................................................. 219 任务考核........................................................................................................................ 219 任务小结........................................................................................................................ 220 项目总结........................................................................................................................ 220 项目 6 智能工厂项目案例实践 .....................................................................221 教学目标........................................................................................................................ 221 任务 6.1 智能工厂系统需求调研 ....................................................................................... 222 任务描述........................................................................................................................ 222 相关知识........................................................................................................................ 222 6.1.1 智能工厂概述 ............................................................................................. 222 6.1.2 需求分类的核心维度与方法 ..................................................................... 224 任务实施........................................................................................................................ 226 步骤 1 前期准备 .................................................................................................. 226 步骤 2 执行调研 .................................................................................................. 228 步骤 3 数据整理与分析阶段 .............................................................................. 228 目 录 ·IX· 步骤 4 报告撰写与反馈 ...................................................................................... 229 任务考核........................................................................................................................ 229 任务小结........................................................................................................................ 230 任务 6.2 智能工厂系统方案设计 ....................................................................................... 230 任务描述........................................................................................................................ 230 相关知识........................................................................................................................ 230 6.2.1 标准化（Standardization）的核心概念与内涵 ........................................ 230 6.2.2 互操作性（Interoperability）的定义与实现............................................. 231 6.2.3 标准化与互操作性的典型应用案例 ......................................................... 231 任务实施........................................................................................................................ 232 步骤 1 系统总体架构 .......................................................................................... 232 步骤 2 核心功能模块 .......................................................................................... 232 步骤 3 Python 应用程序功能设计...................................................................... 233 任务考核........................................................................................................................ 234 任务小结........................................................................................................................ 234 任务 6.3 智能工厂系统设备安装与调试 ........................................................................... 234 任务描述........................................................................................................................ 234 相关知识........................................................................................................................ 234 6.3.1 Modbus 简介............................................................................................... 234 6.3.2 RS485 与 RS232 简介................................................................................. 235 任务实施........................................................................................................................ 236 步骤 1 拖入智能工厂数据采集部分设备 .......................................................... 236 步骤 2 智能工厂数据采集部分连线 .................................................................. 236 步骤 3 拖入智能工厂设备控制部分设备 .......................................................... 237 步骤 4 智能工厂设备控制部分连线 .................................................................. 237 步骤 5 绑定虚拟串口 .......................................................................................... 238 步骤 6 测试串口数据的收发 .............................................................................. 238 任务考核........................................................................................................................ 239 任务小结........................................................................................................................ 240 任务 6.4 智能工厂系统应用开发 ....................................................................................... 240 任务描述........................................................................................................................ 240 相关知识........................................................................................................................ 240 6.4.1 标签（Label）的使用 ................................................................................ 240 6.4.2 按钮（Button）的使用 .............................................................................. 241 6.4.3 输入框（Entry）的使用 ............................................................................ 241 ·X.物联网应用开发 6.4.4 文本框（Text）的使用 .............................................................................. 242 6.4.5 框架（Frame）的使用............................................................................... 243 6.4.6 复选框（Checkbutton）的使用................................................................. 243 任务实施........................................................................................................................ 244 步骤 1 环境搭建 .................................................................................................. 244 步骤 2 代码实现步骤 .......................................................................................... 245 步骤 3 测试与调试 .............................................................................................. 250 任务考核........................................................................................................................ 251 任务小结........................................................................................................................ 251 项目总结........................................................................................................................ 252 项目 7 智慧农业项目案例实践 .....................................................................253 教学目标........................................................................................................................ 253 任务 7.1 智慧农业场景需求调研 ....................................................................................... 254 任务描述........................................................................................................................ 254 相关知识........................................................................................................................ 254 7.1.1 智慧农业概述 ............................................................................................. 254 7.1.2 智慧农业场景中的物联网设备概述 ......................................................... 260 任务实施........................................................................................................................ 262 步骤 1 收集项目需求 .......................................................................................... 262 步骤 2 分析技术架构 .......................................................................................... 262 步骤 3 填写技术架构分析表 .............................................................................. 263 步骤 4 编制技术说明书 ...................................................................................... 263 任务考核........................................................................................................................ 264 任务小结........................................................................................................................ 264 任务 7.2 智慧农业系统方案设计 ....................................................................................... 264 任务描述........................................................................................................................ 264 相关知识........................................................................................................................ 265 7.2.1 什么是原型图设计 ..................................................................................... 265 7.2.2 原型图的分类与特点 ................................................................................. 265 7.2.3 原型图设计的核心目的 ............................................................................. 265 7.2.4 原型图设计的关键要素 ............................................................................. 265 7.2.5 常用原型图设计工具 ................................................................................. 266 任务实施........................................................................................................................ 266 步骤 1 系统总体架构 .......................................................................................... 266 目 录 ·XI· 步骤 2 核心功能模块 .......................................................................................... 267 步骤 3 设备选型与部署 ...................................................................................... 268 步骤 4 Python 应用程序...................................................................................... 269 任务考核........................................................................................................................ 269 任务小结........................................................................................................................ 269 任务 7.3 智慧农业系统设备安装与调试 ........................................................................... 270 任务描述........................................................................................................................ 270 相关知识........................................................................................................................ 270 7.3.1 智慧农业系统设备归类 ............................................................................. 270 7.3.2 智慧农业设备端口分配与仿真连线 ......................................................... 271 7.3.3 云平台简介 ................................................................................................. 272 任务实施........................................................................................................................ 277 步骤 1 搭建智慧农业系统硬件 .......................................................................... 277 步骤 2 新增物联网云平台项目 .......................................................................... 277 步骤 3 设置仿真物联网网关参数 ...................................................................... 279 步骤 4 添加传感器与执行器 .............................................................................. 280 步骤 5 测试实时数据查看与设备控制 .............................................................. 283 任务考核........................................................................................................................ 284 任务小结........................................................................................................................ 284 任务 7.4 智慧农业系统软件应用开发 ............................................................................... 284 任务描述........................................................................................................................ 284 相关知识........................................................................................................................ 285 7.4.1 Python 客户端 HTTP 编程......................................................................... 285 7.4.2 JSON 简介................................................................................................... 286 7.4.3 物联网云平台 API...................................................................................... 288 任务实施........................................................................................................................ 289 步骤 1 准备开发环境 .......................................................................................... 289 步骤 2 封装用于发送 Http 请求的工具类 ......................................................... 290 步骤 3 编写物联网云平台 API 模块.................................................................. 293 步骤 4 设计应用图形界面 .................................................................................. 294 步骤 5 运行查看结果 .......................................................................................... 300 任务考核........................................................................................................................ 300 任务小结........................................................................................................................ 301 项目总结........................................................................................................................ 301 ·XII.物联网应用开发 项目 8 安全守护—物联网安全与隐私保护................................................302 教学目标........................................................................................................................ 302 任务 8.1 常见的物联网安全威胁 ....................................................................................... 303 任务描述........................................................................................................................ 303 相关知识........................................................................................................................ 303 8.1.1 物联网安全威胁概述 ................................................................................. 303 8.1.2 常见安全威胁类型 ..................................................................................... 303 8.1.3 防御措施 ..................................................................................................... 305 任务实施........................................................................................................................ 305 步骤 1 构建威胁场景库 ...................................................................................... 305 步骤 2 分层威胁分析 .......................................................................................... 305 步骤 3 撰写威胁分析表 ...................................................................................... 306 步骤 4 撰写防御方案 .......................................................................................... 306 任务考核........................................................................................................................ 306 任务小结........................................................................................................................ 306 任务 8.2 数据加密技术实践 ............................................................................................... 307 任务描述........................................................................................................................ 307 相关知识........................................................................................................................ 307 8.2.1 对称加密（AES）...................................................................................... 307 8.2.2 非对称加密（RSA）.................................................................................. 308 任务实施........................................................................................................................ 310 步骤 1 安装加密库 .............................................................................................. 310 步骤 2 设备端 AES 加密实现............................................................................. 311 步骤 3 服务器端 AES 解密................................................................................. 312 步骤 4 发送消息解码测试与使用场景 .............................................................. 314 步骤 5 RSA 加密脚本.......................................................................................... 314 步骤 6 设备端 Paho-MQTT+RSA 加密.............................................................. 315 步骤 7 服务端 Flask+RSA 加密.......................................................................... 316 步骤 8 发送消息解码测试与使用场景 .............................................................. 317 任务考核........................................................................................................................ 318 任务小结........................................................................................................................ 318 任务 8.3 用户认证与访问控制 ........................................................................................... 318 任务描述........................................................................................................................ 318 目 录 ·XIII· 相关知识........................................................................................................................ 319 8.3.1 JWT 介绍 .................................................................................................... 319 8.3.2 OAuth2 密码模式介绍 ............................................................................... 320 8.3.3 基于角色的访问控制介绍 ......................................................................... 321 任务实施........................................................................................................................ 321 步骤 1 基础框架搭建 .......................................................................................... 321 步骤 2 数据库模型设计 ...................................................................................... 323 步骤 3 JWT 认证实现.......................................................................................... 324 步骤 4 添加用户登录接口进行登录认证 .......................................................... 326 任务考核........................................................................................................................ 328 任务小结........................................................................................................................ 328 项目总结........................................................................................................................ 328 项目 9 前沿探索-物联网前沿技术应用与展望..............................................329 教学目标........................................................................................................................ 329 任务 9.1 学习人工智能、边缘计算、区块链等前沿技术................................................ 330 任务描述........................................................................................................................ 330 相关知识........................................................................................................................ 330 9.1.1 人工智能与物联网 ..................................................................................... 330 9.1.2 边缘计算与物联网 ..................................................................................... 331 9.1.3 区块链与物联网 ......................................................................................... 332 任务实施........................................................................................................................ 334 步骤 1 AI 感情分析............................................................................................. 334 步骤 2 边缘计算数据处理案例 .......................................................................... 335 步骤 3 区块链交易验证模拟 .............................................................................. 337 任务考核........................................................................................................................ 338 任务小结........................................................................................................................ 339 任务 9.2 物联网与其他前沿技术结合案例 ....................................................................... 339 任务描述........................................................................................................................ 339 相关知识........................................................................................................................ 339 9.2.1 5G 通信介绍 ............................................................................................... 339 任务实施........................................................................................................................ 340 步骤 1 导入相关库文件 ...................................................................................... 340 步骤 2 项目初始化与基础框架搭建 .................................................................. 341 ·XIV.物联网应用开发 步骤 3 实现数据生成与 5G 传输模拟................................................................ 342 步骤 4 MQTT 通信及异常检测处理（完成数据发送端） ..............................344 步骤 5 实现模拟云端监控系统数据接收控制................................................... 351 步骤 5 进行物联网 5G 医疗设备发送接收端功能测试.................................... 354 任务考核........................................................................................................................ 356 任务小结........................................................................................................................ 356 任务 9.3 展望物联网未来发展趋势和技术创新方向........................................................ 357 任务描述........................................................................................................................ 357 相关知识........................................................................................................................ 357 9.3.1 6G 通信技术及相关应用 ........................................................................... 357 9.3.2 数字孪生及相关应用 ................................................................................. 358 9.3.3 量子安全通信验证及相关应用 ................................................................. 358 任务实施........................................................................................................................ 358 步骤 1 基于 6G 的极低延迟通信模拟................................................................ 359 步骤 2 数字孪生农场原型设计 .......................................................................... 362 步骤 3 量子安全通信概念验证 .......................................................................... 364 任务考核........................................................................................................................ 365 任务小结........................................................................................................................ 365 项目总结........................................................................................................................ 365
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