1.4物联网的通信（教学课件）-八年级信息科技上册同步教学（清华版2024）

物联网的通信 第一单元 物联网入门 1 1 常见的物联网通信技术 2 常见的物联网通信协议 目录 CONTENTS 2 导入新课 物联网开启了万物互联的时代，但要真正实现万物互联，首先要解决的就是万物之间的通信问题。虽然说物联网是互联网的延伸，但物联网的设备往往是泛在的指无所不在)、移动的，比如成千上万的共享单车。针对这些散落在世界各个角落的物联网设备连接网络的需求，计算机科学家们又做了怎样的设计，发明了怎样的技术呢? 3 第一部分 常见的物联网通信技术 01 4 文字内容 讲授新课 因技术的制约，早期的物联网往往采用有线方式，而后期则更多地使用无线方式。虽然说物联网通信是在计算机网络的基础上发展起来的，但是物联网的终端类型实在太多了。由于功耗和成本等因素的限制，有些设备还不能直接联网，需要借助物联网网关设备或者手机之类的终端进行“中转”。可见，相对于互联网来说， 物联网的通信技术会更加复杂。 5 拓 展 阅 读 物联网网关设备 物联网的目标是实现万物互联，但是一些设备因为技术限制或者其他原因，不能直接连接互联网。那么，物联网网关就成为连接这些设备的重要组带。物联网终端先通过蓝牙技术连接到网关，再经过网关的协议转换与云服务器通信。 讲授新课 按照通信方式，可以把物联网通信技术大致分为有线传输、短距离无线传输、长距离无线传输和传统网络传输四类。 讲授新课 7 1.有线传输 有线传输是指设备之间用物理线缆直接相连，从而实现设备之间通信的一种传输方式。目前常见的有线传输主要有传统电线、同轴线、开关量信号线、USB线等，它们用于不能上网的设备与网关设备之间的连接。 串口是串行接口的简称，也称串行通信接口，是采用串行通信方式的扩展接口。 讲授新课 8 2.短距离无线传输 短距离无线传输主要指物联网终端之间及终端和物联网网关之间的通信,涉及蓝牙、ZigBee、无线射频等技术。 传感器的结构示意图 讲授新课 9 (1)蓝牙 蓝牙常用于固定设备和移动设备、移动设备和移动设备之间的短距离数据传输。比如共享单车服务中对自行车车锁的开启，很多系统选择的方案就是利用手机蓝牙功能发送“开锁”指令实现干预。 蓝牙网络的特点是速率快、功耗低、安全性高。如图示的是自带板载天线的蓝牙模块，它可与各种蓝牙适配器、蓝牙手机配对使用。 讲授新课 10 (2)ZigBee ZigBee 是一种短距离、低功耗的无线通信技术。每个 ZigBee 网络节点既可以作为数据采集和信号输出的终端，也可以中转别的网络节点传输过来的数据，类似于网络中继器。ZigBee 的最大优点是组网非常方便。如图所示的 Xbee 模块，就是采用了 ZigBee 技术的无线模块。 讲授新课 11 3.长距离无线传输 物联网的应用场景非常复杂，即使 Wi-Fi设备再普及，覆盖面再广，城市中也依旧存在一些无信号区域。如共享单车之类的服务，可能分散在城市各个角落，甚至可能骑行到郊区。长距离无线传输方案的首选肯定是移动无线通信技术。 随着移动无线通信技术的发展，移动无线通信终端模块的价格和通信资费都在不断下降。4G、5G 设备能够快速、高质量地传输图像、音频、视频等数据。但其设备的功耗较大，对电源的要求较高。近几年，NB-IoT和LoRa 技术正在兴起，成为物联网通信技术中新的选择。 NB-IoT称为窄带物联网 LoRa是远距离无线电 讲授新课 My First Template 4.传统网络传输 有线传输和近距离无线传输仅仅完成了物联网设备之间，或者物联网设备和网关之间的连接。“万物互联”最终需要经过浩瀚无垠的互联网，才能让处于世界不同角落的设备或者终端建立联系。 早期的物联网设备一般都采用有线网络的形式连接到互联网。随着 Wi-Fi技术的普及，后期物联网设备的联网逐步更换为 Wi-Fi方式。相对 Wi-Fi来说有线网络具有速度更快、连接更稳定的优势。如果对网络传输 速率要求很高并且位置固定不变的物联网设备， 一般还会保留有线网络接口，如一些监控设备 和物联网网关等。 讲授新课 13 开源硬件的联网 大多数的物联网作品都需要连通网络进行通信，这是一项基本的功能。某款开源硬件支持 Wi-Fi通信，可作为物联网节点实现物联网应用。 请利用开源硬件，打开教学资源包的相应程序，修改并运行程序，体验其联网的过程。 体 验 活 动 讲授新课 14 第二部分 常见的物联网通信协议 PART 02 02 15 通信协议是指双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定，运行于传输协议(如 TCPIP)之上，主要负责物联网设备之间以及物联网设备和服务器之间的数据交换。 讲授新课 16 1. HTTP 协议 物联网是在互联网的基础上发展而来的，在当前的互联网通信协议中，HTTP 协议由于开发成本低、开放程度高，几乎占据大半江山。 HTTP 协议又称为超文本传输协议，是用于浏览器与 Web 服务器之间相互通信的规则。每一次通信，先由客户端向服务器发起请求，服务器响应请求并反馈数据，待数据传输完毕后，连接随之断开。借助 HTTP 协议实现物联网设备和服务器之间的数据交换。 讲授新课 2.MQTT 协议 HTTP 协议作为一个通用的文本传输协议，并没有对物联网的通信进行优化，存在很多弊端。于是计算机科学家们设计出了专用的物联网通信协议，如MQTT、COAP、XMPP 等，目前应用最为广泛的是 MQTT 协议。 MQTT(message queuing telemetry transport，消息队列遥测传输)是一种基于发布/订阅模式的“轻量级”通信协议。MQTT系统由服务器和客户端组成，服务器通常被称为“代理(broker)”，客户端可以发布(publish)或订阅(subscribe)信息。 讲授新课 18 拓 展 阅 读 MOTT协议和HTTP协议的比较 HTTP 协议是最流行和使用最广泛的网络通信协议，但在物联网方面，更多的人选择了 MQTT 协议。HTIP 协议和 MQTT 协议的比较如下第一，通信模式的比较。MQTT协议为数据传递而设计，而HTIP协议是为文档传输而设计。物联网的通信往往需要长时间的连接来进行实时信息传递，HTTP 协议如果要实现“实时”效果，则需要不断发起连接，将消耗大量的网络带宽和系统资源。MQTT协议则不同，本来就为移动网络的优化而设计，只需要发送简短的报文，即可维持客户端跟服务器之间的长时间连接。 第二，传输速度的比较。根据 3G 网络的测试结果，MOTT协议的吞吐量比 HTTP 协议快 93 倍。MQTT 协议具有非常短的消息头，最小的报文大小为 2 字节，而 HTTP 协议的报文则要大好多倍。 讲授新课 小清实现了某开源硬件的联网功能，并使用MOTT协议实现了开源硬件的通信。 在你的物联网应用中，你准备使用哪种通信技术和通信协议来实现物物之间的数据传输呢?请在下栏中填写你的想法。 讲授新课 谢谢观看！ 21 $$