3.1解析物联网通信技术 课件-2024—2025学年上海科教版（2024版）初中信息技术八年级上册

智能家居用户可以远程控制家中的空调、热水器；智能手表可以将运动数据同步至手机；共享单车服务商可以远程发送解锁指令……这些日常生活中的物联网应用都离不开通信技术的支持，而在不同的场景中，适用的通信技术也不相同。 1 <<<<<<<<<<< 周老师 解析物联网通信技术 2 PART ONE 分析智能家居系统 的通信需求 3 物联网通信技术的选择与应用场景的特点有着密不可分的联系。以智能家居系统为例，各种设备集中在面积有限的区域内，通过网关连接至互联网。为避免频繁重新布线，设备与网关间一般使用无线连接。 01分析智能家居系统的通信需求 不同设备对传输的数据量、传输速率等指标有不同需求，使用电池的设备比插电设备对能耗控制的要求更苛刻。下表展示了三种典型智能家居设备的特点。 01分析智能家居系统的通信需求 智能家居设备  传输的数据  数据量 传输速率   供电方式 智能灯 灯的开关、亮度等状态 小 低 插电 智能摄像头 高清视频 大 高 插电 门窗感应器 门窗状态 小 低 电池 不同智能家居设备的特点 感谢B站博主网工-老于，视频链接在备注区 科学园地：物联网中网关的作用 智能家居设备一般不具备直接连接互联网的能力，需要某种设备来进行数据“中转”，这种起到“万能接口”作用的设备就是网关。 网关具有强大的接入能力，可为使用不同通信技术和协议的设备提供统一的网络访问入口，并提供设备管理、数据安全保障等服务。 01分析智能家居系统的通信需求 什么是网关？它有什么作用？ https://www.bilibili.com/video/BV1bK421a7ai/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click 6 PART TWO 了解近距离 无线通信技术 7 02 了解近距离无线通信技术 智能家居设备一般采用近距离无线通信技术。常用的近距离无线通信技术有 Wi-Fi、蓝牙、ZigBee 等。 （1） Wi-Fi Wi-Fi的优点是传输速率高，缺点是功耗大、成本高。因此，Wi-F主要用于需要大量传输数据、供电较稳定的设备。 由于Wi-Fi 普及率高，在多数家庭中都能形成信号覆盖，所以智能家居设备大多支持 Wi-Fi 连接，以便用户安装使用。 支持WiFi连接的智能音箱 8 02 了解近距离无线通信技术 智能家居设备一般采用近距离无线通信技术。常用的近距离无线通信技术有 Wi-Fi、蓝牙、ZigBee 等。 （2）蓝牙 蓝牙是一种低成本的近距离无线通信技术，传输距离很短，功耗很低，适用于移动设备或其他电池供电的物联网设备。无线耳机、智能手表等设备都以蓝牙为主要通信手段。 通过蓝牙与手机通信的无线耳机 9 02 了解近距离无线通信技术 生活中哪些设备用到了蓝牙？选择一种你使用过的设备，说出蓝牙连接的具体操作步骤。 思考与讨论 蓝牙耳机连接手机的步骤： 打开手机蓝牙功能； 长按耳机开机键进入配对模式； 手机搜索蓝牙设备并选择蓝牙耳机进行配对； 等待连接成功； 10 蓝牙技术的发展 蓝牙技术的发展大致分为三个阶段，与物联网中智能设备的通信需求相适应。 第一阶段以小量数据和音频的传输为特点，能实现一对一通信； 第三阶段以设备组网为特点，即蓝牙 Mesh，能实现多对多通信，解决了蓝牙通信距离短的问题。 第二阶段以位置服务为特点，即蓝牙 Beacon，能实现一对多通信和定位功能； 11 02 了解近距离无线通信技术 智能家居设备一般采用近距离无线通信技术。常用的近距离无线通信技术有 Wi-Fi、蓝牙、ZigBee 等。 （3 ）ZigBee ZigBee 是一种近距离低功耗无线通信技术，广泛应用于工业物联网，如生产线监测系统、仓库管理系统等。与蓝牙相比，ZigBee 成本稍高，但是可连接设备的数量较多，而且复杂度低、稳定性好。 感谢B站博主 亿佰特物联网应用，视频链接在备注区 ZigBee是什么？一分钟带你了解近距离无线通信技术之ZigBee https://www.bilibili.com/video/BV1fh41157Hs/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click 12 ZigBee模块在设备休眠时几乎不耗电，可以大幅延长设备待机时间。 例如，烟雾报警器使用 ZigBee技术，平时休眠，一旦感知到烟雾，设备就会被激活进入工作状态，发送报警信息。 烟雾报警器 13 烟雾报警器 思考与讨论 同为近距离低功耗通信技术，为何生活中蓝牙比ZigBee 更常见？ 技术成熟与普及：蓝牙技术经过多次迭代，成熟度高，广泛应用于智能设备，市场普及度广。 连接与兼容性：蓝牙支持多设备连接，兼容性好，能与多种操作系统和设备无缝连接。 传输性能：蓝牙的传输距离和速度满足日常需求，适用于短距离通信。 成本：蓝牙芯片成本逐渐降低，价格竞争力强。 市场需求：蓝牙在智能家居、音频设备等领域应用广泛，满足用户对便捷性、稳定性和兼容性的需求。 这些因素共同推动了蓝牙技术的普及，使其在近距离低功耗通信技术中占据主导地位。 14 02 了解近距离无线通信技术 科学园地：近距离无线通信技术 Wi-Fi、蓝牙、ZigBee 等三种常用近距离无线通信技术的比较 特点 种类 Wi-Fi 蓝牙 ZigBee 成本 高 低 较低 典型通信距离 几百米 几米至几十米 几十米 典型传输速率 约300Mbps 约2Mbps 约250Kbps 功耗 高 低 低 15 数字化学习：NFC技术 NFC（Near Field Communication，近场通信）技术也是一种常用的近距离无线通信技术。它由射频识别技术(RFID)演变而来，允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输。 感谢B站博主 子非鱼nofish，视频链接在备注区 科技杂谈—NFC的前世今生（上） https://www.bilibili.com/video/BV1LW411e7Zv/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click 16 PART THREE 了解远距离 无线通信技术 17 03 了解远距离无线通信技术 与智能家居系统不同，在共享单车系统中，数量庞大的单车散布在城市各处，周围没有网关支持。为了实现远程解锁等功能，单车必须具备长距离通信和独立访问网络的能力。 18 03 了解远距离无线通信技术 低功耗广域网络技术可以满足上述需求，NB-IoT （Narrow Band -Internetof Things，窄带物联网）是其典型代表。 NB-IoT 基于蜂窝网络构建，网络连接质量高，能耗低，适合海量设备连接场景。 目前，NB-IoT 已经广泛应用于共享单车、智能抄表、智慧物流等领域。 基于NB-IoT的共享单车智能锁 19 03 了解远距离无线通信技术 小贴士： 蜂窝网络是一种移动通信硬件架构，因其基站信号覆盖呈六边形，从而使整个网络像一个蜂窝而得名。4G、5G 网络都属蜂窝网络。 20 NB-IoT的应用 NB-IoT 在城市管理领域有很高的应用价值。 智能井盖可以监控井盖开合状态、破损情况、井下水位等信息，通过 NB-IoT 实时回传，将井盖管理方式从人工巡检转变为自动预警，提高了管理效率。 一些智慧停车场使用 NB-IoT 传输车位状态变化数据，以便引导司机快速找到车位，提高停车场车位利用率。 感谢B站博主 亿佰特物联网应用，视频链接在备注区 【NB-IoT通信详解⑤】 NB-IoT在不同领域的应用 https://www.bilibili.com/video/BV1zfsNeNEMx/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click 21 PART FOUR 了解物联网的 通信协议 22 04 了解物联网的通信协议 为了顺畅“沟通”，各种设备和平台在通信时必须遵循一定的规则和约定，即通信协议。 在物联网中，终端设备的电池容量、运算能力和通信带宽往往非常有限。因此，需要一种更简单、更节省通信资源的轻量化协议。 MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输）协议就是这样一种为物联网通信需求量身打造的通信协议。 04 了解物联网的通信协议 在基于 MQTT协议的通信中，设备有三种角色：消息发布者、消息代理、消息订阅者。 其中，消息发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是消息订阅者。 基于MOTT协议的通信 04 了解物联网的通信协议 科学园地：MQTT 的工作模式 MQTT 是一种基于发布/订阅（pubish/subscribe）模式的通信协议。 发布/订阅模式与社交平台的某种功能类似：用户在社交平台上关注一些“话题”后，一旦与该话题有关的新消息出现，系统就会自动将其推送给用户，避免用户被海量信息淹没，错过感兴趣的消息。 在物联网中，使用发布/ 订阅模式有很多好处，如节省带宽、降低能耗。 订阅者只接收其感兴趣的内容，如在智能家居系统中，灯订阅“亮度调节”消息，音箱订阅“音量调节”消息。 在用户扫码使用共享单车的过程中，用户的手机、单车上的智能锁、共享单车运维系统可视为 MOTT 通信中的3个客户端。其中，共享单车运维系统订阅开锁请求，发布开锁指令；智能锁订阅开锁指令；手机发布开锁请求。 扫码使用共享单车时的MQTT通信 订阅开锁请求 发布开锁指令 订阅开锁指令 发布开锁请求 扫码用车时的通信示意图 26 参考案例“扫码使用共享单车时的MQTT通信”，分析关锁还车的情境中各个客户端分别发布、订阅哪些消息，画出MQTT通信示意图。 活动：分析关锁还车时的MQTT通信 MQTT通信示意图 27 04 了解物联网的通信协议 MOTT协议是轻量、开放和易于实现的，它占用较少资源，却能为远程设备提供实时可靠的消息服务。 除MOTT外，物联网中使用的通信协议还有很多种，一般须考虑实际场景的通信需求，选择合适的协议。 CoAP（Constrained Application Protocol，受限应用协议）也是一种适用于物联网的通信协议。CoAP在功耗控制方面尤力突出，适合部署在结构简单的传感设备上。 CoAP协议运作示意图 请同学们课后查找有关资料，详细了解CoAP与 MQTT 协议的不同之处，比较两者的适用领域。 在智慧农业系统中，农田里的各种传感器采集作物生长环境数据，传输至服务平台。一旦农田出现异常情况，服务平台会向用户手机发送提示信息，用户可以远程下达指令，操作灌溉、通风、光照调节等设备。上网查找相关资料，回答下列问题。 挑战时刻： 29 1.分析智慧农业系统对通信技术的具体需求，选出你认为最合适的通信技术。 挑战时刻： 智慧农业系统中通信的特点： 适合选用的通信技术： 30 2.假定智慧农业系统采用MQTT通信协议，试分析系统中的消息发布者、消息订阅者、消息代理三种角色，画出MQTT通信示意图。 挑战时刻： MQTT通信示意图 31 86465.93 $$