任务7.1 触摸物联网（课件）-《计算机应用基础》同步教学（人民邮电版）

触摸物联网 任务 7.1 项目7 新一代信息技术 任务描述 知识链接 教学目标 任务7.1 触摸物联网--任务描述 物联网的发展促进了社会的进步，改善了人们的生活和工作方式。物联网作为一种新兴的信息技术，其应用正在迅速向各个领域蔓延，从家居、医疗、物流、交通、零售、金融，从工业到农业，物联网的应用无处不在。了解和学习物联网知识不仅是工作所需，也是生活必需。 任务7.1 触摸物联网--知识链接 物联网的特点 物联网的体系架构 物联网技术 物联网应用场景 5G与物联网 物联网的概念 任务7.1 触摸物联网--教学目标 （1）能结合工业、农业领域，列举物联网的应用场景 （2）能有IT新技术开发探索的兴趣 （1）掌握物联网的概念 （2）掌握物联网的特点 （3）掌握物联网的体系架构 （4）掌握物联网技术 （5）掌握物联网应用场景 能力目标 知识目标 素质目标 （1）通过项目小组的活动，培养团队协作、友爱互助 精神 （2）通过了解物联网的应用领域，培养积极进取、 勇于创新的思想和意识 4 任务7.1 7.1.1 物联网概述 7.1.2 物联网技术 7.1.3 物联网主流应用场景 7.1.4 5G与物联网 5 7.1.1 物联网概述 物联网的概念是由美国麻省理工学院Auto-ID实验室于1999 年提出的。当时，该实验室基于互联网、RFID技术、EPC标准，在计算机互联网的基础上，利用RFID技术、无线数据通信技术等，构造了一个实现全球物品信息实时共享的实物互联网。 1．物联网的概念 物联网是利用射频识别（Radio Frequency IDentification，RFID）、传感器、全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。 7.1.1 物联网概述 当每个物品能够被唯一标识后，利用识别、通信和计算等技术，在互联网基础上，构建的连接各种物品的网络，就是人们常说的物联网。 物联网中的“物”要满足以下条件才能够被纳入“物联网”的范围。 ① 有相应信息的接收器。 ② 有数据传输通道。 ③ 有一定的存储功能。 ④ 有CPU。 ⑤ 有操作系统。 ⑥ 有专门的应用程序。 ⑦ 有数据发送器。 ⑧ 遵循物联网的通信协议。 ⑨ 在世界网络中有可被唯一识别的编号。 7.1.1 物联网概述 2．物联网的特点 物联网具有以下3大特点。 ① 全面感知。利用RFID技术、传感器、二维码等随时随地获取和采集物体的信息。 ② 可靠传递。通过无线网络与互联网的融合，将物体的信息实时、准确地传递给用户。 ③ 智能处理。利用云计算、数据挖掘以及模糊识别等人工智能技术，对海量的数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制。 7.1.1 物联网概述 3．物联网的体系架构 物联网共分为3层，分别是感知层、网络层和应用层。物联网的层次结构如图7-1所示。 ① 感知层实现对物理世界的智能识别、信息采集处理和自动控制，并通过通信模块将物理实体连接到网络层和应用层。感知层的主要作用是识别物体，采集信息。 ② 网络层主要实现信息的传递、路由和控制。网络层可以依托公众电信网和互联网，也可以依托行业专用通信网络。网络层的主要作用是沟通感知层和应用层。 7.1.1 物联网概述 ③ 应用层将物联网技术与专业技术相互融合，利用分析处理的感知数据为用户提供丰富的特定服务，与行业需求结合，实现行业智能化。物联网的应用可分为控制型、查询型、管理型和扫描型等，可通过现有的手机、计算机等终端实现广泛的智能化应用解决方案。 图7-1　物联网层次结构 7.1.2 物联网技术 物联网所涉及的核心技术包括IPv6技术、云计算技术、传感技术、RFID技术、无线通信技术等。因此，从技术角度讲，物联网主要涉及的专业有计算机科学与工程、电子与电气工程、电子信息工程、通信工程、自动控制、遥感与遥测、精密仪器、电子商务等。欧盟于2009年9月发布的《欧盟物联网研究战略路线图》中列出了13类关键技术，包括标识技术、物联网体系结构技术、通信与网络技术、数据和信号处理技术、软件和算法、发现与搜索引擎技术、电源和能量存储技术等。 7.1.2 物联网技术 1．物联网感知层关键技术 （1）RFID技术 RFID又称无线射频识别，是一种非接触式的自动识别技术，可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。RFID技术通过射频信号自动识别对象并获取相关数据，完成信息的采集工作，是物联网中最关键的一种技术，它为物体贴上电子标签，实现了高效灵活管理。RFID 技术由标签和读写器两部分组成，每个标签具有唯一的电子编码，读写器是读取（有时还可以写入）标签信息的设备，例如ETC不停车电子收费系统、地铁卡等都是RFID 技术的典型应用。 （2）条形码技术 条形码是由一组规则排列的条、空及对应的字符组成的标记，“条”指对光线反射率较低的部分，“空”指对光线反射率较高的部分，这些条和空组成的数据表达一定的信息，并能够用特定的设备识读，转换成与计算机兼容的二进制和十进制信息。 条形码是一种信息的图形化表示方法，可以将信息制作成条形码，然后通过相应的扫描设备将其中的信息输入计算机中。 条形码分为一维条形码和二维条形码。一维条形码是将宽度不等的多个黑条和空按一定的编码规则排列，用以表达一组信息的图形标识符；二维条形码是在二维空间水平和竖直方向存储信息的条形码。超市条形码属于一维条形码，手机上的二维码属于二维条形码。 7.1.2 物联网技术 7.1.2 物联网技术 （3）传感器技术 传感器是指能感知预定的被测指标，并按照一定规律转换成可用信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测到的信息按一定规律转换为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。例如，楼道里的声控灯用到了光学传感器和声音传感器，空调的温度调节用到了温度传感器，自动门用到了红外传感器，电子秤利用力学传感器来测量物体质量，手机背光亮度的自动调节用到了手机正前方的环境光传感器。 7.1.2 物联网技术 物联网中，在传感器基础上增加了协同、计算、通信功能，构成了具有感知、计算和通信能力的传感器节点。智能化是传感器的重要特点，嵌入式智能技术是实现传感器智能化的重要手段。 （4）无线传感器网络 无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统。 无线传感器网络是传感器、网络通信和微电子等技术结合的产物。随机分布的大量的传感器节点以无线自组织的方式构成网络，通过节点中内置的各种类型的传感器，对网络分布区域内的各种环境对象信息进行探测、感知，并通过多跳路由的方式，将采集到的数据传输到数据处理中心，将逻辑上的信息世界和真实世界融合在一起，改变人与自然的交互方式。 7.1.2 物联网技术 2．物联网网络层关键技术 （1）ZigBee ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术。其名称来源于蜜蜂的八字舞，蜜蜂是靠飞翔和“嗡嗡”地抖动翅膀的“舞蹈”来传递花粉所在方位信息给同伴的，也就是说，蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。 ZigBee网络的主要特点是功耗低、成本低、时延短、网络容量大、可靠、安全，主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。一个ZigBee网络由一个协调器节点、多个路由器和多个终端设备节点组成。 7.1.2 物联网技术 （2）Wi-Fi Wi-Fi是一种无线网络通信技术，由Wi-Fi联盟负责运营和维护，其目的是改善基于EEE 802.11标准的无线网络产品之间的互通性。 IEEE 802.11是电气电子工程师学会最初制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据存取。Wi-Fi是一种可以将计算机、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。 Wi-Fi具有无线电波的覆盖范围广、传输速度快、厂商进入该领域的门槛比较低等优势。 7.1.2 物联网技术 （3）蓝牙 蓝牙是一种支持设备短距离通信（一般10米以内）的无线电技术，能够在移动电话、掌上电脑、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。 蓝牙技术的优势是稳定、全球可用、设备范围广、易于使用、采用了通用规格。 （4）卫星导航系统 卫星导航系统是利用定位卫星，在全球范围内实时进行定位、导航的系统。全球四大卫星导航系统包括美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的“格洛纳斯”系统（GLONASS）、欧洲的“伽利略”系统（GSNS）和中国的“北斗”系统（BDS）。 7.1.2 物联网技术 3．物联网应用层关键技术 物联网应用层关键技术主要包含云计算所涉及的关键技术，主要分为最底层的基础设施即服务（IaaS）、中间层的平台即服务（PaaS）和最顶层的软件即服务（SaaS）。 ① 基础设施即服务位于最底层，该层提供的是最基本的计算和存储能力，其中，自动化和虚拟化是核心技术。 ② 平台即服务位于3层服务的中间，该层涉及两个关键技术：基于云的软件开发、测试及运行技术和大规模分布式应用运行环境。 ③ 软件即服务位于最顶层，该层涉及的关键技术有Web中的Mashup、应用多租户、应用虚拟化等。 7.1.3 物联网主流应用场景 物联网最初的研发方向主要是条形码、RFID等技术在商业零售、物流领域的应用。随着RFID、传感器、远程通信以及计算技术等的发展，近年来其研发、应用开始拓展到环境监测、生物医疗、智能基础设施等领域。物联网的应用领域主要包括交通管理、智能工农业、医疗健康、能源电力、家居建筑等。 （1）智能家居 物联网在智能家居中的应用包括家居控制、防盗报警等，如图所示。例如，利用物联网技术将家中的空调、电视、冰箱、洗衣机、电灯、窗户和窗帘等设备和设施连接在一起（需要为相关设备和设施安装传感器、智能插座并连接到互联网），然后通过智能手机远程查看、关闭或开启这些设备和设施。 7.1.3 物联网主流应用场景 此外，还可以在设备之间或人和设备之间形成智能联动。例如，客厅门打开时，客厅灯自动开启；人离开客厅10分钟后，客厅灯自动关闭。 7.1.3 物联网主流应用场景 （2）智能医疗 物联网在智能医疗中的应用包括运程监控、家庭医疗、健康咨询管理等，如图所示。例如，通过在病人身上安装医疗传感设备，医生可以通过手机、平板计算机等实时掌握病人的各项生理指标数据，从而更科学、合理地制订诊疗方案或者进行远程诊疗。此外，我们在医院看病时利用就诊卡挂号、分诊、付费、取化验单、取药等，也是利用物联网技术（就诊卡中内嵌有电子标签芯片）实现的。 7.1.3 物联网主流应用场景 7.1.3 物联网主流应用场景 （3）智能物流 物联网在智能物流中的应用包括库存监控、物品识别、配送管理、运输管理、包装管理、装卸管理、安全追查等。例如，利用GPS、RFID、传感器等物联网技术和设备，在物流过程中实现实时对车辆定位、运输物品监控、配送跟踪、在线调度的可视化管理。 （4）智能交通 物联网在智能交通中的应用包括车辆定位与调度、交通状况感知、交通智能化管控、停车管理等。例如，可以通过检测设备（如摄像头）自动检测道路拥堵情况，并利用人工智能技术自动调配红绿灯，或者向车主实时通报拥堵路段、规划并推荐最佳行驶路线。 7.1.3 物联网主流应用场景 （5）智能工业 物联网在智能工业中的应用包括生产过程控制、供应链跟踪、生产环境监测、产品质量检测等。例如，钢铁企业利用传感器和通信网络，在生产过程中对产品的宽度、厚度、温度等进行实时监控，可以提高产品质量，优化生产流程。 （6）智能农业 物联网在智能农业中的应用包括自动灌溉、自动施肥、自动喷药、异地监控、环境监测等，如图所示。例如，利用温度传感器、湿度传感器和光线传感器等，实时获得大棚内农作物的生长环境信息，然后通过手机等设备远程操控遮光板、通风口等设备的开启或关闭，让农作物始终处于最优的生长环境，从而提高农作物的产量和品质。 7.1.3 物联网主流应用场景 　智能农业 7.1.4 5G与物联网 物联网技术是以互联网技术为基础及核心的，其信息交换和通信过程也是基于互联网技术完成的。通信技术与物联网的关系紧密，物联网中海量终端连接、实时控制等技术离不开高速率的通信技术。5G 刺激物联网的发展，而物联网刺激大数据的发展。物联网是5G商用的前奏和基础，发展5G的目的是给我们的生产和生活带来便利，而物联网为5G提供了一个大展拳脚的舞台。在这个舞台上，5G可以通过众多的物联网应用（如智慧农业、智慧物流、智能家居、车联网、智慧城市等）真正地落到实处，发挥出自己的强大的作用。 7.1.3 5G与物联网 在未来，SG技术将运用到物联网中大部分的场景，包括无人驾驶、VR技术、智能化城市建设等。未来物联网的需求将会不断增长，海量的连接和毫秒级别的时延是支持物联网发展的核心，现在的4G网络达不到这样的标准。5G通信技术由于时延低、覆盖广、超密集组网等技术特点能满足物联网的需求。 任务归纳总结 物联网的概念 物联网的特点 物联网的体系架构 物联网技术 物联网应用场景 谢谢聆听 30 $$