2025年Python物聯(lián)網(wǎng)與智能硬件二級考試押題卷考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.在Python中，用于處理GPIO引腳的`RPi.GPIO`庫屬于以下哪一類別？A.網(wǎng)絡通信庫B.數(shù)據(jù)庫操作庫C.嵌入式硬件交互庫D.圖形用戶界面庫2.下列哪種物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議通常用于低功耗、遠距離設備間的通信？A.HTTPB.CoAPC.FTPD.SMTP3.MQTT協(xié)議中，“Broker”通常扮演的角色是？A.物理傳感器設備B.設備與云平臺之間的網(wǎng)關C.中央消息代理，負責消息的發(fā)布和訂閱D.數(shù)據(jù)存儲服務器4.當Python程序需要與連接在串口（如USB轉串口）的硬件設備進行通信時，以下哪個標準庫是主要工具？A.`requests`B.`json`C.`serial`D.`xml.etree.ElementTree`5.在設計一個需要低延遲響應的智能家居控制系統(tǒng)時，將計算和處理任務放在設備端（邊緣）而不是完全依賴云端，主要體現(xiàn)了邊緣計算的哪個優(yōu)勢？A.降低網(wǎng)絡帶寬需求B.提高系統(tǒng)可靠性和響應速度C.減少云端服務器成本D.更容易實現(xiàn)設備間的標準化通信6.以下哪個Python代碼片段展示了使用`paho-mqtt`庫向名為`myopic`的主題發(fā)布JSON格式數(shù)據(jù)的正確方式（假設已創(chuàng)建client實例）？A.`client.publish("myopic",{"temp":25,"hum":60})`B.`client.publish_json("myopic",{"temp":25,"hum":60})`C.`client.send("myopic",json.dumps({"temp":25,"hum":60}))`D.`client.post("myopic",{"temp":25,"hum":60})`7.讀取樹莓派GPIO引腳上的數(shù)字信號狀態(tài)，以下哪個函數(shù)調用是正確的（假設GPIO編號為18）？A.`GPIO.setup(18,GPIO.OUT)`B.`GPIO.setup(18,GPIO.IN)`C.`GPIO.input(18)`D.`GPIO.output(18,GPIO.HIGH)`8.在Python中，將字符串`"temp=25.5&hum=45"`解析為一個包含`temp`和`hum`鍵的字典，通常使用以下哪種方法？A.`eval({"temp":"25.5","hum":"45"})`B.`json.loads({"temp":"25.5","hum":"45"})`C.`urllib.parse.parse_qs({"temp=25.5&hum=45"})`D.`re.search({"temp":"25.5","hum":"45"})`9.對于一個運行在樹莓派上的Python程序，如果需要讀取I2C總線上連接的傳感器數(shù)據(jù)（如溫度傳感器），以下哪個庫是常用的？A.`socket`B.`pyserial`C.`smbus`D.`sqlite3`10.在物聯(lián)網(wǎng)應用中，將設備采集的數(shù)據(jù)（如傳感器讀數(shù)）存儲在云端數(shù)據(jù)庫的主要目的是？A.實時控制設備行為B.進行復雜的現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析C.實現(xiàn)數(shù)據(jù)的持久化、共享和遠程訪問D.降低設備端的計算負擔二、填空題1.物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通?？梢苑譃楦兄獙印_____層和平臺層（或應用層）。2.MQTT協(xié)議支持三種消息QoS等級，其中______等級提供最多一次傳遞保證。3.Python中的`try...except...finally`語句用于異常處理，其中______塊無論是否發(fā)生異常都會執(zhí)行。4.當使用`pyserial`庫通過串口向Arduino發(fā)送指令時，通常需要設置正確的______（波特率）和______（數(shù)據(jù)位、停止位、校驗位）。5.在使用樹莓派的GPIO控制LED時，將GPIO引腳設置為______輸出模式，才能控制LED的亮滅。6.將Python字典`{'name':'Alice','age':30}`轉換成JSON字符串的函數(shù)是______。7.如果一個Python程序需要持續(xù)不斷地檢測某個GPIO引腳的狀態(tài)變化并做出響應，通常需要使用______（或輪詢）的方式。8.Zigbee是一種常用的無線個域網(wǎng)（WPAN）技術，它主要適用于______（如家庭自動化）場景。9.在嵌入式Linux系統(tǒng)中，`/dev/ttyAMA0`或`/dev/ttyACM0`通常代表______設備。10.Python代碼`importRPi.GPIOasGPIO`后，使用`GPIO.setup(17,GPIO.OUT)`配置引腳17為輸出模式，`GPIO.output(17,GPIO.LOW)`的作用是______。三、簡答題1.簡述MQTT協(xié)議的基本工作原理，包括其核心組件（Broker、Client）和典型的通信過程。2.比較使用`RPi.GPIO`庫和`gpiozero`庫在樹莓派上控制GPIO引腳的主要異同點。3.解釋什么是“嵌入式系統(tǒng)”在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的角色和意義。4.描述一個簡單的物聯(lián)網(wǎng)應用場景，例如“智能盆栽水分監(jiān)測系統(tǒng)”，說明其中涉及的硬件（至少兩種）、軟件（至少一種Python相關技術）以及基本工作流程。四、編程題1.編寫一段Python代碼，使用`RPi.GPIO`庫（假設已在樹莓派上正確配置并導出GPIO）實現(xiàn)以下功能：當GPIO21引腳接收到一個上升沿信號時，點亮連接在GPIO17引腳上的LED，持續(xù)1秒鐘。請注意考慮信號穩(wěn)定性和引腳初始化。2.編寫一段Python代碼，使用`paho-mqtt`庫（假設已創(chuàng)建好`client`實例并連接到名為`broker_address`的MQTTBroker）實現(xiàn)以下功能：a.向主題`home/傳感器1`發(fā)布一個包含溫度`28.5`和濕度`55`的JSON格式消息。b.訂閱主題`home/command`，并定義一個回調函數(shù)`on_message`，當收到消息時，在控制臺打印出接收到的消息內(nèi)容。試卷答案一、選擇題1.C解析：`RPi.GPIO`是專門為樹莓派等嵌入式設備提供的Python庫，用于控制GPIO引腳，屬于嵌入式硬件交互庫類別。2.B解析：CoAP（ConstrainedApplicationProtocol）專為資源受限的物聯(lián)網(wǎng)設備設計，具有低功耗、低帶寬消耗和遠距離傳輸?shù)奶攸c。3.C解析：在MQTT架構中，Broker是中心節(jié)點，負責接收客戶端（Producer和Consumer）發(fā)布的消息，并遞送給訂閱了相關主題的客戶端。4.C解析：`serial`庫是Python標準庫之一，提供了串行通信接口（串口）的讀寫功能，是連接串口設備（如Arduino）進行通信的標準工具。5.B解析：邊緣計算通過在靠近數(shù)據(jù)源的設備端進行計算和決策，可以顯著減少延遲，提高響應速度，滿足實時控制等需求。6.A解析：`client.publish(topic,payload)`是`paho-mqtt`庫中發(fā)布消息的基本用法，其中`topic`是主題名稱，`payload`是消息內(nèi)容。傳入字典會自動轉換為字符串，但通常顯式調用`json.dumps()`處理為JSON格式更規(guī)范。選項A直接傳入字典，是常見用法，實際執(zhí)行時庫會處理成字符串。7.C解析：`GPIO.input(pin)`函數(shù)用于讀取指定GPIO引腳（pin）當前的數(shù)字電平狀態(tài)（高或低）。選項A和B是配置引腳模式（輸入或輸出），選項D是輸出高電平。8.C解析：`urllib.parse.parse_qs(query_string)`函數(shù)可以將一個包含鍵值對字符串（如`temp=25.5&hum=45`）解析為一個字典，其中鍵為字符串，值為字符串列表（對于簡單查詢，列表通常只有一個元素）。選項A使用`eval`非常危險，選項B用于解析JSON格式，選項D使用正則表達式搜索。9.C解析：`smbus`庫是用于訪問I2C總線的Python庫，在樹莓派等嵌入式系統(tǒng)上讀取和寫入I2C設備（傳感器、存儲器等）非常常用。10.C解析：云端數(shù)據(jù)庫為物聯(lián)網(wǎng)設備采集的數(shù)據(jù)提供了可靠、可擴展的存儲解決方案，使得數(shù)據(jù)可以被遠程訪問、共享、長期保存，并支持后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和應用開發(fā)。二、填空題1.網(wǎng)絡解析：典型的物聯(lián)網(wǎng)架構分為感知層（傳感器、執(zhí)行器）、網(wǎng)絡層（傳輸數(shù)據(jù)）和應用層（數(shù)據(jù)處理、應用服務），網(wǎng)絡層是連接感知層和應用層的橋梁。2.0（或Atmostonce）解析：MQTT的QoS0等級保證消息最多被傳遞一次，可能丟失，適用于對實時性要求不高、可丟失的數(shù)據(jù)。3.finally解析：`finally`塊是異常處理結構的一部分，無論是否發(fā)生異常，`finally`塊中的代碼總是會執(zhí)行，常用于釋放資源（如關閉文件、網(wǎng)絡連接）。4.波特率，參數(shù)（或配置參數(shù)）解析：使用`pyserial`庫進行串口通信時，必須設置與設備端一致的波特率（如9600,115200等），以及其他參數(shù)如數(shù)據(jù)位、停止位、校驗位。5.輸出（或OUTPUT）解析：要控制LED的亮滅，必須將GPIO引腳配置為輸出模式。`GPIO.setup(pin,GPIO.OUT)`用于設置引腳為輸出模式。6.json.dumps()解析：`json.dumps(obj)`函數(shù)用于將Python對象（如字典、列表）轉換成相應的JSON格式字符串。7.中斷（或Interrupt）解析：為了高效地響應外部事件（如按鈕按下、傳感器觸發(fā)），通常使用中斷機制。當檢測到GPIO引腳狀態(tài)變化時，中斷服務程序會被調用，從而做出快速響應，而不是持續(xù)輪詢檢查。8.家庭自動化（或智能家居）解析：Zigbee技術以其低功耗、自組網(wǎng)能力和相對低成本，非常適合在家庭等小型、密集的區(qū)域內(nèi)構建智能家居設備網(wǎng)絡。9.串行端口（或串口）解析：`/dev/ttyAMA0`和`/dev/ttyACM0`是Linux系統(tǒng)中代表串行通信端口的設備文件名，常用于連接Arduino、GPS模塊等串口設備。10.將GPIO17引腳的輸出電平設置為低電平（或0V）解析：`GPIO.output(pin,value)`函數(shù)用于輸出信號到指定的GPIO引腳。`pin=17`指定引腳，`value=GPIO.LOW`（或其數(shù)值0）表示輸出低電平信號。三、簡答題1.簡述MQTT協(xié)議的基本工作原理，包括其核心組件（Broker、Client）和典型的通信過程。解析：MQTT協(xié)議基于發(fā)布/訂閱（Pub/Sub）模式工作。核心組件包括：*Broker（代理）：作為中心服務器，接收所有客戶端的連接和消息，并根據(jù)訂閱關系將消息轉發(fā)給相應的客戶端。*Client（客戶端）：可以是生產(chǎn)者（Producer），負責向Broker發(fā)布消息到特定主題（Topic）；也可以是消費者（Consumer），向Broker訂閱感興趣的主題，并接收發(fā)布的消息。典型的通信過程：客戶端首先與Broker建立連接。生產(chǎn)者客戶端選擇一個主題，將消息發(fā)布到該主題。訂閱者客戶端向Broker訂閱一個或多個主題。當生產(chǎn)者發(fā)布消息到某個已訂閱的主題時，Broker會將該消息推送給所有訂閱了該主題的消費者客戶端。MQTT支持不同的QoS等級（0,1,2）來保證消息傳遞的可靠性和順序性。2.比較使用`RPi.GPIO`庫和`gpiozero`庫在樹莓派上控制GPIO引腳的主要異同點。解析：相同點：*都是為樹莓派等RaspberryPi硬件設計的Python庫，用于控制GPIO引腳。*都提供了設置引腳模式（輸入/輸出）、讀取引腳狀態(tài)、輸出高低電平等功能。*都需要在樹莓派上安裝相應的Python包（`RPi.GPIO`通常通過`gpio`包安裝，`gpiozero`通過`gpiozero`包安裝）。不同點：*API設計哲學：`gpiozero`的API設計更簡潔、直觀，盡量模仿Python標準庫的命名習慣（如`LED`對象、`Button`對象），使用屬性和方法（如`led.on()`,`button.is_pressed`），對用戶更友好。`RPi.GPIO`的API更接近底層硬件操作，使用函數(shù)和引腳編號（如`GPIO.setup()`,`GPIO.output()`）。*易用性：對于簡單應用，`gpiozero`通常更容易上手和使用。*功能覆蓋：兩者都覆蓋了基本的GPIO控制功能，但`gpiozero`可能包含一些更高級或面向對象的功能，并且對GPIO引腳的編號方式更靈活（如可以使用物理引腳編號）。*社區(qū)和更新：`gpiozero`通常有更活躍的社區(qū)支持和更頻繁的更新。3.解釋什么是“嵌入式系統(tǒng)”在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的角色和意義。解析：嵌入式系統(tǒng)是指集成在設備或系統(tǒng)中，執(zhí)行特定功能的計算機系統(tǒng)，其硬件和軟件都針對特定應用進行了優(yōu)化。在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）環(huán)境中，嵌入式系統(tǒng)扮演著至關重要的角色：*角色：*感知與執(zhí)行核心：嵌入式系統(tǒng)是連接物理世界和數(shù)字世界的橋梁。它運行在傳感器、執(zhí)行器或其他智能設備中，負責收集環(huán)境數(shù)據(jù)（感知），并根據(jù)接收到的指令或預設邏輯執(zhí)行動作（執(zhí)行）。*數(shù)據(jù)處理與邊緣智能：部分嵌入式系統(tǒng)具備一定的計算能力，可以在設備端對采集到的數(shù)據(jù)進行初步處理、分析或決策，實現(xiàn)邊緣計算，減少對云端的依賴和帶寬需求。*網(wǎng)絡通信接口：嵌入式系統(tǒng)通常包含網(wǎng)絡接口（如Wi-Fi,Ethernet,LoRa,BLE等），負責將采集的數(shù)據(jù)或執(zhí)行的狀態(tài)上傳到云平臺，或將云平臺的指令下發(fā)到本地設備。*意義：*實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應用的物理落地，使設備智能化。*通過邊緣計算提高響應速度、降低延遲和能耗。*增強系統(tǒng)的可靠性和魯棒性（部分功能不依賴云端）。*使物聯(lián)網(wǎng)應用能夠覆蓋更廣泛的場景和設備。4.描述一個簡單的物聯(lián)網(wǎng)應用場景，例如“智能盆栽水分監(jiān)測系統(tǒng)”，說明其中涉及的硬件（至少兩種）、軟件（至少一種Python相關技術）以及基本工作流程。解析：場景：智能盆栽水分監(jiān)測系統(tǒng)*硬件：1.土壤濕度傳感器：用于檢測盆栽土壤的含水量，通常輸出模擬電壓或數(shù)字信號。2.水泵（執(zhí)行器）：根據(jù)指令向盆栽澆水。3.樹莓派（嵌入式系統(tǒng)/控制器）：作為系統(tǒng)的核心，運行控制程序。4.電源：為傳感器、水泵和樹莓派供電。5.（可選）LED指示燈：顯示系統(tǒng)狀態(tài)（如缺水、已澆水）。*軟件：1.Python控制程序：運行在樹莓派上，是系統(tǒng)的核心軟件。使用Python編寫，主要利用`RPi.GPIO`庫讀取濕度傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)閾值判斷是否需要澆水，并使用GPIO控制水泵開關。可能還使用`paho-mqtt`庫將濕度數(shù)據(jù)發(fā)布到云平臺，或接收云平臺的控制指令。*基本工作流程：1.初始化：程序啟動時，初始化GPIO引腳，配置為讀取濕度傳感器（輸入）和控制水泵（輸出）。2.數(shù)據(jù)采集：周期性地通過GPIO讀取土壤濕度傳感器的數(shù)值。3.數(shù)據(jù)處理與決策：程序將讀取到的濕度數(shù)值與預設的閾值（如“低水位閾值”和“高水位閾值”）進行比較。如果濕度低于“低水位閾值”，則判斷為缺水。4.執(zhí)行動作：如果判斷為缺水，程序通過GPIO控制水泵開啟，向盆栽澆水一段時間（或根據(jù)濕度差決定時長）。澆水完成后，關閉水泵。5.（可選）狀態(tài)上報與遠程控制：將當前的濕度讀數(shù)和系統(tǒng)狀態(tài)（如“正在澆水”、“缺水”）通過MQTT等協(xié)議發(fā)布到云平臺。同時，系統(tǒng)也可能監(jiān)聽云平臺下發(fā)的指令（如手動澆水請求），并執(zhí)行相應動作。6.循環(huán)檢測：系統(tǒng)進入下一個周期，重復步驟2-5，持續(xù)監(jiān)測和維持盆栽的適宜濕度。四、編程題1.編寫一段Python代碼，使用`RPi.GPIO`庫（假設已在樹莓派上正確配置并導出GPIO）實現(xiàn)以下功能：當GPIO21引腳接收到一個上升沿信號時，點亮連接在GPIO17引腳上的LED，持續(xù)1秒鐘。請注意考慮信號穩(wěn)定性和引腳初始化。```pythonimportRPi.GPIOasGPIOimporttime#設置GPIO模式GPIO.setmode(GPIO.BCM)#定義引腳input_pin=21output_pin=17#初始化引腳狀態(tài)GPIO.setup(input_pin,GPIO.IN,pull_up_down=GPIO.PUD_UP)#設置為輸入，帶內(nèi)部上拉電阻GPIO.setup(output_pin,GPIO.OUT)#設置為輸出try:print(f"MonitoringGPIO{input_pin}forrisingedge.PressCtrl+Ctoexit.")whileTrue:#使用GPIO.wait_for_edge檢測上升沿，并設置debounce時間（毫秒）#debounce可防止因信號抖動引起的誤觸發(fā)ifGPIO.wait_for_edge(input_pin,GPIO.RISING,timeout=1000):print(f"RisingedgedetectedonGPIO{input_pin}.TurningonLED.")GPIO.output(output_pin,GPIO.HIGH)#點亮LEDtime.sleep(1)#持續(xù)1秒鐘GPIO.output(output_pin,GPIO.LOW)#熄滅LED#等待一小段時間防止抖動立即再次觸發(fā)time.sleep(0.1)exceptKeyboardInterrupt:print("Programstoppedbyuser.")finally:#清理GPIO資源GPIO.cleanup()print("GPIOpinscleanedup.")```解析思路：1.導入庫：導入`RPi.GPIO`庫用于GPIO操作，`time`庫用于延時。2.設置模式：使用`GPIO.setmode(GPIO.BCM)`設置GPIO編號方式為BCM模式（即使用GPIO引腳編號）。3.定義引腳：定義輸入引腳（GPIO21）和輸出引腳（GPIO17）的變量。4.初始化引腳：*`GPIO.setup(input_pin,GPIO.IN,pull_up_down=GPIO.PUD_UP)`：將GPIO21配置為輸入模式，并啟用內(nèi)部上拉電阻。使用上拉電阻可以將未連接或高阻態(tài)時的引腳電位拉高，配合`GPIO.wait_for_edge`的`GPIO.RISING`模式工作。*`GPIO.setup(output_pin,GPIO.OUT)`：將GPIO17配置為輸出模式。5.主循環(huán)：使用`whileTrue`進入無限循環(huán)，持續(xù)監(jiān)控輸入引腳。6.檢測上升沿：使用`GPIO.wait_for_edge(input_pin,GPIO.RISING,timeout=1000)`檢測GPIO21引腳是否有上升沿信號。`timeout=1000`表示等待時間為1000毫秒，如果在超時時間內(nèi)未檢測到上升沿，函數(shù)返回False，循環(huán)繼續(xù)。這提供了一個簡單的防抖功能。7.觸發(fā)動作：一旦檢測到上升沿，打印提示信息，然后使用`GPIO.output(output_pin,GPIO.HIGH)`將GPIO17設為高電平，點亮LED。調用`time.sleep(1)`使LED持續(xù)亮1秒鐘。8.結束動作：使用`GPIO.output(output_pin,GPIO.LOW)`將GPIO17設為低電平，熄滅LED。9.異常處理：使用`try...exceptKeyboardInterrupt`捕獲用戶中斷信號（如Ctrl+C），以便優(yōu)雅地退出程序。10.資源清理：在`finally`塊中調用`GPIO.cleanup()`，確保程序退出時釋放所有GPIO資源，恢復引腳到默認狀態(tài)，防止對后續(xù)程序造成干擾。2.編寫一段Python代碼，使用`paho-mqtt`庫（假設已創(chuàng)建好`client`實例并連接到名為`broker_address`的MQTTBroker）實現(xiàn)以下功能：a.向主題`home/傳感器1`發(fā)布一個包含溫度`28.5`和濕度`55`的JSON格式消息。b.訂閱主題`home/command`，并定義一個回調函數(shù)`on_message`，當收到消息時，在控制臺打印出接收到的消息內(nèi)容。```pythonimportpaho.mqtt.clientasmqttimportjsonimporttime#假設已經(jīng)創(chuàng)建并連接好了client實例#client=mqtt.Client()#client.connect("broker_address")#定義MQTTBroker地址broker_address="broker_address"#定義發(fā)布和訂閱的主題topic_publish="home/傳感器1"topic_subscribe="home/command"#定義接收消息的回調函數(shù)defon_message(client,userdata,message):print(f"Receivedmessage'{str(message.payload.decode('utf-8'))}'ontopic'{message.topic}'withQoS{message.qos}")#綁定回調函數(shù)client.on_message=on_message#連接MQTTBrokerclient.connect(broker_address)#發(fā)布JSON格式消息payload={"temperature":28.5,"humidity":55}json_payload=json.dumps(payload)#將字典轉換為JSON字符串client.publish(topic_publish,json_payload)#發(fā)布消息print(f"Publishedmessageto{topic_publish}:{json_payload}")#訂閱主題client.subscribe(topic_subscribe)print(f"Subscribedto{topic_subscribe}")#進入阻塞模式，等待消息到來或調用loop_stop()#為了演示，運行一段時間后手動停止try:print("Waitingformessages...")#client.loop_forever()#或者client.loop_start()#如果使用loop_forever，需要client.loop_stop()停止time.sleep(10)#等待10秒模擬接收消息exceptKeyboardInterrupt:print("Programstoppedbyuser.")finally:#斷開與MQTTBroker的連接client.disconnect()print("DisconnectedfromMQTTBroker.")```解析思路：1.導入庫：導入`paho.mqtt.client`庫用于MQTT客戶端功能，`json`庫用于處理JSON數(shù)據(jù)