信息科技課程中物聯網數據可視化實現方案初探

簡洪濤 彭靜 王云雪 潘子玉

摘要：本文以“智能廚房安防系統”等項目學習案例為例，初步探討了信息科技課程中物聯網數據可視化的多種實現方案，包括使用MixIO平臺、Mind+可視化面板，以及通過Python和C#兩種程序設計語言編寫圖形用戶界面等，并從靈活性和易用性等方面對上述方案進行了比較，以期為“物聯網實踐與探索”模塊的教學實踐提供有益的參考。

關鍵詞：信息科技課程；物聯網實踐與探索；數據可視化

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2024）10-0054-03

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》依據核心素養和學段目標，按照學生的認知特征和信息科技課程的知識體系，設計了圍繞數據、算法、網絡、信息處理、信息安全和人工智能六條邏輯主線的義務教育全學段內容模塊，并組織了課程內容，體現了循序漸進和螺旋式發展。[1]其中，第二學段的“數據組織與呈現”，以及第四學段的“基于物聯網生成、處理數據的流程和特點”都與數據可視化有著密切的關聯。

數據處理的流程通常包括數據采集、數據整理、數據分析和數據呈現。數據呈現是將數據以易于理解的方式展示出來，如表格和報告等。數據可視化是數據呈現的一種形式，側重于使用圖形和圖表等方式展示數據，使數據更加直觀、生動，易于理解。在信息科技課程的“物聯網實踐與探索”模塊中，物聯網數據的可視化呈現可以增強項目學習成果的交互性和趣味性，幫助學生了解事物的現狀、剖析事物的發展歷程、預測事物的發展趨勢，有助于學生表達他們的觀點和發現，促進課堂上的交流和討論。因此，筆者結合“智能廚房安防系統”等項目學習案例，嘗試了信息科技課程中物聯網數據可視化的幾種實現方案。

經過實踐筆者發現，目前可用于信息科技課程中物聯網數據可視化的平臺較多，如SIoT和EasyIoT。這些平臺支持以列表和折線圖的方式展示一段時間范圍內某一主題匯集的消息，但方式較為單一。考慮到免費、開源以及學生的認知特征等因素，筆者重點探討基于MixlO平臺和Mind+可視化面板的物聯網數據可視化方案。對于一些更復雜的項目，筆者也嘗試通過Python和C#兩種程序設計語言編寫圖形用戶界面（GUI），以實現相應的功能。

MixIO平臺——以智能廚房安防系統為例

在以“智能廚房安防系統”為主題的項目學習中，學生需要使用掌控板、掌控拓展板、煙霧傳感器和直流電機等硬件模塊監測廚房內的煙霧濃度，判斷其是否達到預設的臨界值，以決定是否啟動蜂鳴器或排氣扇。在項目實施的過程中，使用MixIO平臺可以實現煙霧濃度數據的可視化。

MixIO需要與Mixly2.0配合使用，它不僅具備基礎的項目管理和數據管理功能，還擁有豐富的可視化組件，如折線圖表、柱狀圖表和儀表盤等，這些組件能夠將數據簡單、快速地展示在屏幕上，允許用戶根據具體的需求和數據類型進行選擇。如圖1所示，智能廚房安防系統的可視化屏幕通過數據表格、折線圖表、儀表盤和指示燈等組件，展示了煙霧傳感器輸出的氣體濃度模擬量以及蜂鳴器等的報警狀態，并且還能通過開關實現遠程消音功能。

此外，還可以利用MixIO Logic API進行編程，更靈活地發送、接收和使用MQTT消息，操作可視化組件。

Mind+可視化面板——以教室空氣質量監測系統為例

在以“教室空氣質量監測系統”為主題的項目學習中，學生需要使用掌控板、百靈鴿、ENS160空氣質量傳感器和DHT22數字溫濕度傳感器對教室內的空氣質量進行實時監測，并通過MQTT服務器，匯集溫度、濕度、CO2濃度、TVOC（總揮發性有機化合物）濃度和AQI（空氣質量指數）等數據，進而分析教室空氣質量數據，改善教室的空氣質量。在項目實施過程中，使用Mind+V1.8.0及以上版本提供的可視化面板，配合SIoT V2，可以實現上述數據的可視化。

在Mind+可視化面板中，可以添加按鈕、開關、輸入框等基礎組件，文字、圖片、地圖等顯示組件，以及柱狀圖、餅圖、散點圖等圖表組件。每個組件都可以綁定到特定的主題，實現數據的發送或接收。另外，根據實際需求，用戶還可以添加時鐘、日歷等裝飾組件。如圖2所示，教室空氣質量監測系統的可視化屏幕通過標簽文字、水波圖、等級儀表盤和折線圖等組件，展示了上述數據的實時數值及其隨時間變化的趨勢。

需要注意的是，在使用折線圖等組件時，可視化面板會從SIoT服務器中獲取特定時間段的數據。因此，在編寫程序時，需要使用Mind+新增的“發送并保存到數據庫”積木。

程序設計語言——以在線數字氣象站為例

在跨學科主題學習“在線數字氣象站”中，學生需要使用掌控板及其拓展板、溫濕度傳感器、風速傳感器、RS-485轉UART信號轉換模塊、BMP388氣壓傳感器等硬件模塊，以及SIoT服務器，實現數據的采集和匯集，以實時描繪校園氣象的信息狀態，探尋數據的變化規律，嘗試得到一般性的結論。在項目實施過程中，筆者分別利用Python和C#這兩種程序設計語言，開發了“在線數字氣象站”的網頁客戶端和基于Windows操作系統的客戶端軟件，實時展示采集到的氣象數據和相關圖表。

1.“在線數字氣象站”網頁客戶端

Python擁有大量的第三方模塊，這使得物聯網數據可視化應用的開發過程變得更加靈活和高效。物聯網數據可視化應用的一個核心需求是能夠便捷地連接到MQTT服務，而Python提供了多種MQTT庫供開發者選擇，如paho-mqtt是一個非常流行的MQTT庫，在開發“在線數字氣象站”的網頁客戶端時，開發者可以利用其客戶端實現連接MQTT服務器、發布消息、訂閱主題以及接收消息等功能。

在設計GUI時，除了主流的Tkinter和PyQt等GUI庫外，Remi庫也是一個值得推薦的選擇。Remi是一個輕量級的Python GUI庫，可以在瀏覽器中渲染整個GUI，源代碼不到100KB。使用Remi，開發者無需深入了解HTML，就能輕松創建具有強交互性的網頁GUI界面。Remi尤其適合于構建小型網頁，配合paho-mqtt庫和matplotlib庫，可以快速開發和部署物聯網數據可視化應用。

2.基于Windows操作系統的客戶端軟件

Visual Studio是一個基于.NET框架的集成開發環境（IDE），它提供了豐富的圖形組件、強大的布局工具和直觀的界面，使得開發者能夠輕松創建和管理復雜的Windows窗體應用程序，非常適合快速開發物聯網數據可視化應用。在Visual Studio中，開發者可以選擇使用開源的MQTTnet擴展庫和C#語言實現基于MQTT協議的通信，使用ScottPlot擴展庫繪制圖表，進而實現氣象數據的實時顯示。要在項目中引用MQTTnet和ScottPlot擴展庫，只需在“項目”菜單下選擇“管理NuGet程序包”，打開NuGet包管理器，搜索其名稱并安裝最新的穩定版本即可。

數據可視化方案比較

1.易用性

MixlO平臺和Mind+可視化面板提供了一系列的可視化組件。在使用過程中，只需添加合適的組件并進行必要的設置，如綁定消息主題等，就可以實現物聯網數據的可視化，操作簡單方便，學生可以在教師的引導下自主完成。使用Python或C#程序設計語言開發網頁客戶端或基于Windows操作系統的客戶端軟件，需要具備較高的編程基礎。Python語言的簡潔性使其成為構建小型項目的理想選擇，而C#語言則更適合開發復雜度較高的項目。盡管使用C#語言的難度較大，但由其構建的系統通常更為穩定。

2.靈活性

使用MixIO平臺和Mind+可視化面板實現物聯網數據可視化，需要配合特定的編程工具和數據源，如Mixly2.0和MixIO服務器，以及Mind+ V1.8.0和SIoT V2等。此外，在使用Mixly2.0和Mind+ V1.8.0時，存在著硬件兼容性問題，盡管它們支持一些共同的開源硬件，但也各自支持一些特定的開源硬件，這些都在一定程度上限制了它們的靈活性。相比之下，使用Python或C#程序設計語言開發網頁客戶端或基于Windows操作系統的客戶端軟件，可以實現更大的靈活性，不受數據源或開源硬件等的限制。

另外，MixIO平臺和Python語言開發的網頁客戶端都采用網頁形式，可以在任何支持HTML5的瀏覽器上運行，便于公開分享。Mind+可視化面板必須在安裝了Mind+ V1.8.0的前提下運行。使用C#開發的基于Windows操作系統的客戶端軟件可以生成exe（可執行文件）單獨運行。

結束語

《中小學實驗教學基本目錄（2023年版）》中提出，“物聯網實踐與探索”模塊應開展的基本實驗活動包括“體驗傳感器數據采集與傳輸”“使用物聯設備進行遠程控制”“物聯系統原型設計與搭建”“簡易物聯系統設計與搭建”以及“物聯系統中的數據處理與分析”等。[2]因此，為了保證實驗教學的順利進行，學校和教育行政部門應提供必要的實驗設備和資源，確保學生有足夠的機會進行實踐操作。[3]而隨著創客教育產品的發展以及教師專業技術水平和實驗教學能力的提升，有關物聯網數據可視化的方案也會層出不窮。所以，一線教師可將這些新方案應用到信息科技教育研究和教學實踐中，不斷提升學生的思維和能力。

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》依據核心素養和學段目標，按照學生的認知特征和信息科技課程的知識體系，設計了圍繞數據、算法、網絡、信息處理、信息安全和人工智能六條邏輯主線的義務教育全學段內容模塊，并組織了課程內容，體現了循序漸進和螺旋式發展。[1]其中，第二學段的“數據組織與呈現”，以及第四學段的“基于物聯網生成、處理數據的流程和特點”都與數據可視化有著密切的關聯。

數據處理的流程通常包括數據采集、數據整理、數據分析和數據呈現。數據呈現是將數據以易于理解的方式展示出來，如表格和報告等。數據可視化是數據呈現的一種形式，側重于使用圖形和圖表等方式展示數據，使數據更加直觀、生動，易于理解。在信息科技課程的“物聯網實踐與探索”模塊中，物聯網數據的可視化呈現可以增強項目學習成果的交互性和趣味性，幫助學生了解事物的現狀、剖析事物的發展歷程、預測事物的發展趨勢，有助于學生表達他們的觀點和發現，促進課堂上的交流和討論。因此，筆者結合“智能廚房安防系統”等項目學習案例，嘗試了信息科技課程中物聯網數據可視化的幾種實現方案。

經過實踐筆者發現，目前可用于信息科技課程中物聯網數據可視化的平臺較多，如SIoT和EasyIoT。這些平臺支持以列表和折線圖的方式展示一段時間范圍內某一主題匯集的消息，但方式較為單一。考慮到免費、開源以及學生的認知特征等因素，筆者重點探討基于MixlO平臺和Mind+可視化面板的物聯網數據可視化方案。對于一些更復雜的項目，筆者也嘗試通過Python和C#兩種程序設計語言編寫圖形用戶界面（GUI），以實現相應的功能。

MixIO平臺——以智能廚房安防系統為例

在以“智能廚房安防系統”為主題的項目學習中，學生需要使用掌控板、掌控拓展板、煙霧傳感器和直流電機等硬件模塊監測廚房內的煙霧濃度，判斷其是否達到預設的臨界值，以決定是否啟動蜂鳴器或排氣扇。在項目實施的過程中，使用MixIO平臺可以實現煙霧濃度數據的可視化。

MixIO需要與Mixly2.0配合使用，它不僅具備基礎的項目管理和數據管理功能，還擁有豐富的可視化組件，如折線圖表、柱狀圖表和儀表盤等，這些組件能夠將數據簡單、快速地展示在屏幕上，允許用戶根據具體的需求和數據類型進行選擇。如圖1所示，智能廚房安防系統的可視化屏幕通過數據表格、折線圖表、儀表盤和指示燈等組件，展示了煙霧傳感器輸出的氣體濃度模擬量以及蜂鳴器等的報警狀態，并且還能通過開關實現遠程消音功能。

此外，還可以利用MixIO Logic API進行編程，更靈活地發送、接收和使用MQTT消息，操作可視化組件。

Mind+可視化面板——以教室空氣質量監測系統為例

在以“教室空氣質量監測系統”為主題的項目學習中，學生需要使用掌控板、百靈鴿、ENS160空氣質量傳感器和DHT22數字溫濕度傳感器對教室內的空氣質量進行實時監測，并通過MQTT服務器，匯集溫度、濕度、CO2濃度、TVOC（總揮發性有機化合物）濃度和AQI（空氣質量指數）等數據，進而分析教室空氣質量數據，改善教室的空氣質量。在項目實施過程中，使用Mind+V1.8.0及以上版本提供的可視化面板，配合SIoT V2，可以實現上述數據的可視化。

在Mind+可視化面板中，可以添加按鈕、開關、輸入框等基礎組件，文字、圖片、地圖等顯示組件，以及柱狀圖、餅圖、散點圖等圖表組件。每個組件都可以綁定到特定的主題，實現數據的發送或接收。另外，根據實際需求，用戶還可以添加時鐘、日歷等裝飾組件。如圖2所示，教室空氣質量監測系統的可視化屏幕通過標簽文字、水波圖、等級儀表盤和折線圖等組件，展示了上述數據的實時數值及其隨時間變化的趨勢。

需要注意的是，在使用折線圖等組件時，可視化面板會從SIoT服務器中獲取特定時間段的數據。因此，在編寫程序時，需要使用Mind+新增的“發送并保存到數據庫”積木。

程序設計語言——以在線數字氣象站為例

在跨學科主題學習“在線數字氣象站”中，學生需要使用掌控板及其拓展板、溫濕度傳感器、風速傳感器、RS-485轉UART信號轉換模塊、BMP388氣壓傳感器等硬件模塊，以及SIoT服務器，實現數據的采集和匯集，以實時描繪校園氣象的信息狀態，探尋數據的變化規律，嘗試得到一般性的結論。在項目實施過程中，筆者分別利用Python和C#這兩種程序設計語言，開發了“在線數字氣象站”的網頁客戶端和基于Windows操作系統的客戶端軟件，實時展示采集到的氣象數據和相關圖表。

1.“在線數字氣象站”網頁客戶端

Python擁有大量的第三方模塊，這使得物聯網數據可視化應用的開發過程變得更加靈活和高效。物聯網數據可視化應用的一個核心需求是能夠便捷地連接到MQTT服務，而Python提供了多種MQTT庫供開發者選擇，如paho-mqtt是一個非常流行的MQTT庫，在開發“在線數字氣象站”的網頁客戶端時，開發者可以利用其客戶端實現連接MQTT服務器、發布消息、訂閱主題以及接收消息等功能。

在設計GUI時，除了主流的Tkinter和PyQt等GUI庫外，Remi庫也是一個值得推薦的選擇。Remi是一個輕量級的Python GUI庫，可以在瀏覽器中渲染整個GUI，源代碼不到100KB。使用Remi，開發者無需深入了解HTML，就能輕松創建具有強交互性的網頁GUI界面。Remi尤其適合于構建小型網頁，配合paho-mqtt庫和matplotlib庫，可以快速開發和部署物聯網數據可視化應用。

2.基于Windows操作系統的客戶端軟件

Visual Studio是一個基于.NET框架的集成開發環境（IDE），它提供了豐富的圖形組件、強大的布局工具和直觀的界面，使得開發者能夠輕松創建和管理復雜的Windows窗體應用程序，非常適合快速開發物聯網數據可視化應用。在Visual Studio中，開發者可以選擇使用開源的MQTTnet擴展庫和C#語言實現基于MQTT協議的通信，使用ScottPlot擴展庫繪制圖表，進而實現氣象數據的實時顯示。要在項目中引用MQTTnet和ScottPlot擴展庫，只需在“項目”菜單下選擇“管理NuGet程序包”，打開NuGet包管理器，搜索其名稱并安裝最新的穩定版本即可。

數據可視化方案比較

1.易用性

MixlO平臺和Mind+可視化面板提供了一系列的可視化組件。在使用過程中，只需添加合適的組件并進行必要的設置，如綁定消息主題等，就可以實現物聯網數據的可視化，操作簡單方便，學生可以在教師的引導下自主完成。使用Python或C#程序設計語言開發網頁客戶端或基于Windows操作系統的客戶端軟件，需要具備較高的編程基礎。Python語言的簡潔性使其成為構建小型項目的理想選擇，而C#語言則更適合開發復雜度較高的項目。盡管使用C#語言的難度較大，但由其構建的系統通常更為穩定。

2.靈活性

使用MixIO平臺和Mind+可視化面板實現物聯網數據可視化，需要配合特定的編程工具和數據源，如Mixly2.0和MixIO服務器，以及Mind+ V1.8.0和SIoT V2等。此外，在使用Mixly2.0和Mind+ V1.8.0時，存在著硬件兼容性問題，盡管它們支持一些共同的開源硬件，但也各自支持一些特定的開源硬件，這些都在一定程度上限制了它們的靈活性。相比之下，使用Python或C#程序設計語言開發網頁客戶端或基于Windows操作系統的客戶端軟件，可以實現更大的靈活性，不受數據源或開源硬件等的限制。

另外，MixIO平臺和Python語言開發的網頁客戶端都采用網頁形式，可以在任何支持HTML5的瀏覽器上運行，便于公開分享。Mind+可視化面板必須在安裝了Mind+ V1.8.0的前提下運行。使用C#開發的基于Windows操作系統的客戶端軟件可以生成exe（可執行文件）單獨運行。

結束語

《中小學實驗教學基本目錄（2023年版）》中提出，“物聯網實踐與探索”模塊應開展的基本實驗活動包括“體驗傳感器數據采集與傳輸”“使用物聯設備進行遠程控制”“物聯系統原型設計與搭建”“簡易物聯系統設計與搭建”以及“物聯系統中的數據處理與分析”等。[2]因此，為了保證實驗教學的順利進行，學校和教育行政部門應提供必要的實驗設備和資源，確保學生有足夠的機會進行實踐操作。[3]而隨著創客教育產品的發展以及教師專業技術水平和實驗教學能力的提升，有關物聯網數據可視化的方案也會層出不窮。所以，一線教師可將這些新方案應用到信息科技教育研究和教學實踐中，不斷提升學生的思維和能力。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務教育信息科技課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2]教育部教育技術與資源發展中心（中央電化教育館）.關于發布《中小學實驗教學基本目錄》的通知[EB/OL].[2023-11-23].https：//www.ncet.edu.cn/zhuzhan/ywgzsyjx/20231123/5987.html.

[3]中華人民共和國教育部.加強信息科技實驗教學 發揮信息科技育人價值[EB/OL].[2023-11-24].http：// www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/moe_2082/2023/2023_zl24/202311/t20231123_1091836.html.

本文系河北省教育科學研究“十三五”規劃課題“秦皇島市基礎教育階段科技創新教育普及性課程開發與實施研究（1903048）”、2023年度河北省教育技術研究規劃立項課題“以問題解決為導向的高中信息技術知識圖譜構建——以《算法與程序實現》為例（hbdj2023185）”的階段性研究成果。