拓展模塊4 物聯(lián)網(wǎng)

04信息技術(shù)（拓展模塊）模塊4物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)即“萬物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，是互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴展的網(wǎng)絡(luò)，將各種信息傳感設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來而形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)任何時間、任何地點，人、機、物的互聯(lián)互通。本模塊主要包括認知物聯(lián)網(wǎng)、理解物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)、物聯(lián)網(wǎng)感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層關(guān)鍵技術(shù)及典型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的安裝與配置等內(nèi)容?！緦W(xué)習(xí)目標(biāo)】2了解物聯(lián)網(wǎng)體系的基本結(jié)構(gòu)；1了解物聯(lián)網(wǎng)的概念、發(fā)展歷史、應(yīng)用領(lǐng)域以及與其他信息技術(shù)的融合發(fā)展趨勢等；4了解物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層關(guān)鍵技術(shù)，如互聯(lián)網(wǎng)通信、無線通信及衛(wèi)星通信技術(shù)等；學(xué)習(xí)目標(biāo)3了解物聯(lián)網(wǎng)感知層關(guān)鍵技術(shù)，如自動識別智能設(shè)備等；5了解物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層關(guān)鍵技術(shù)，如云計算等應(yīng)用系統(tǒng)?！局R圖譜】目錄CONTENTS4.1認知物聯(lián)網(wǎng)4.2物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)4.3物聯(lián)網(wǎng)感知層關(guān)鍵技術(shù)4.4物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層關(guān)鍵技術(shù)4.5物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層關(guān)鍵技術(shù)4.6典型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的安裝與配置4.1認知物聯(lián)網(wǎng)014.1.1物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)知識物聯(lián)網(wǎng)即“萬物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸和擴展，是將各種信息傳感設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò)，能實現(xiàn)任何時間、任何地點，人、機、物的互聯(lián)互通。物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，在IT行業(yè)又被稱為泛互聯(lián)網(wǎng)，意思是物物相連，萬物互聯(lián)。物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。這有兩層意思：第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是互聯(lián)網(wǎng)的延伸和擴展；第二，其用戶端能做到任何物品與物品之間進行信息交換和通信。4.1.1物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)知識物聯(lián)網(wǎng)概念最早出現(xiàn)于比爾·蓋茨1995年《未來之路》一書，在《未來之路》中，比爾·蓋茨已經(jīng)提及物聯(lián)網(wǎng)概念。獲取信息主要是信息的感知、識別。處理信息信息的加工過程，利用已有的信息或感知的信息產(chǎn)生新的信息，實際是制定決策的過程。物聯(lián)網(wǎng)功能傳送信息主要是信息發(fā)送、傳輸、接收等環(huán)節(jié)。施效信息信息最終發(fā)揮效用的過程，通過調(diào)節(jié)對象事物的狀態(tài)及其變換方式，始終使對象處于預(yù)先設(shè)計的狀態(tài)。

物聯(lián)網(wǎng)的基本特征從通信對象和過程來看，物與物、人與物之間的信息交互是物聯(lián)網(wǎng)的核心。物聯(lián)網(wǎng)的基本特征可概括為整體感知、可靠傳輸和智能處理。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的以上特征，結(jié)合信息科學(xué)的觀點，圍繞信息的流動過程，可以歸納出物聯(lián)網(wǎng)處理信息的功能:4.1.1物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)知識4.1.2物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，主要的應(yīng)用場景包括智慧物流、智能交通、智能醫(yī)療、智慧建筑、智能安防、智能零售、智慧農(nóng)業(yè)、智能制造。應(yīng)用引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是以應(yīng)用為先導(dǎo)。綜合性平臺即將出現(xiàn)隨著行業(yè)應(yīng)用的逐漸成熟，新的通用性強的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺將出現(xiàn)。發(fā)展趨勢標(biāo)準(zhǔn)體系逐漸成熟物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系是一個漸進發(fā)展成熟的過程。商業(yè)模式逐步形成針對物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的商業(yè)模式創(chuàng)新將是把技術(shù)與人的行為模式充分結(jié)合的結(jié)果。物聯(lián)網(wǎng)作為電子信息行業(yè)新興應(yīng)用，在萬物互聯(lián)的大趨勢下，市場規(guī)模將進一步擴大。隨著行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)完善、技術(shù)不斷進步、國家政策扶持，中國的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)將延續(xù)良好的發(fā)展勢頭，為經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定增長提供新的動力。4.1.2物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢4.1.3物聯(lián)網(wǎng)和其他信息技術(shù)的融合發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)與5G的融合5G與物聯(lián)網(wǎng)是相互依賴的兩項技術(shù)，5G網(wǎng)絡(luò)為物聯(lián)網(wǎng)提供了良好的進步環(huán)境和空間，物聯(lián)網(wǎng)也為5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了現(xiàn)實依據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)與人工智能的融合物聯(lián)網(wǎng)（IoT）與人工智能（AI）的融合催生出新的智能物聯(lián)網(wǎng)（AIoT）產(chǎn)業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)與人工智能的結(jié)合是二者發(fā)展的必然結(jié)果，物聯(lián)網(wǎng)需要通過人工智能發(fā)揮出更大的作用，以便于把物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用邊界不斷拓展。目前，物聯(lián)網(wǎng)具備了基于人工智能的智能識別及預(yù)測能力。物聯(lián)網(wǎng)與區(qū)塊鏈的融合物聯(lián)網(wǎng)會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的所有權(quán)并不總是很清楚。這可能會破壞物聯(lián)網(wǎng)傳感器的可靠性。因此，確保物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備完整性是確保數(shù)據(jù)記錄和交易安全的關(guān)鍵。區(qū)塊鏈正可以解決這一信任問題。技術(shù)融合4.2物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)024.2.1感知層感知層解決的是人類世界和物理世界的數(shù)據(jù)獲取問題，由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成。該層被認為是物聯(lián)網(wǎng)的核心層，主要是物品標(biāo)識和信息的智能采集，它由基本的傳感器件（例如RFID標(biāo)簽和讀寫器、攝像頭、GPS、二維碼標(biāo)簽等）以及傳感器組成的網(wǎng)絡(luò)（例如RFID網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)等）兩大部分組成。該層的核心技術(shù)包括射頻技術(shù)、新興傳感技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)、現(xiàn)場總線控制技術(shù)等。4.2.2網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層也稱為傳輸層，解決的是感知層所獲得的數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi)的傳輸問題，主要完成接入和傳輸功能，是進行信息交換、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通路，包括接入網(wǎng)與傳輸網(wǎng)兩種。傳輸網(wǎng)由公網(wǎng)與專網(wǎng)組成，典型傳輸網(wǎng)絡(luò)包括電信網(wǎng)、廣電網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、電力通信網(wǎng)和專用網(wǎng)。接入網(wǎng)包括光纖接入、無線接入、以太網(wǎng)接入、衛(wèi)星接入等各類接入方式，實現(xiàn)底層的傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID網(wǎng)絡(luò)“最后一公里”的接入。4.2.3應(yīng)用層應(yīng)用層也可稱為處理層，解決的是信息處理和人機界面的問題。網(wǎng)絡(luò)層傳輸而來的數(shù)據(jù)在這一層里進入各類信息系統(tǒng)進行處理，并通過各種設(shè)備與人進行交互。處理層由業(yè)務(wù)支撐平臺、網(wǎng)絡(luò)管理平臺、信息處理平臺、信息安全平臺、服務(wù)支撐平臺等組成，完成協(xié)同、管理、計算、存儲、分析、挖掘，以及提供面向行業(yè)和大眾用戶服務(wù)等功能，典型技術(shù)包括中間件技術(shù)、虛擬技術(shù)、高可信技術(shù)，云計算服務(wù)模式、SOA系統(tǒng)架構(gòu)方法等先進技術(shù)和服務(wù)模式。4.3物聯(lián)網(wǎng)感知層關(guān)鍵技術(shù)034.3.1物聯(lián)網(wǎng)傳感器在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的感知層中，傳感器主要負責(zé)接收對象的“語音”內(nèi)容。傳感器技術(shù)是從自然源中獲取信息并對其進行處理、轉(zhuǎn)換和識別的現(xiàn)代科學(xué)與工程技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、智能家居、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源勘探、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護等領(lǐng)域。4.3.2自動識別條形碼由不同寬度的黑白條及特定的編碼排列組成，條形碼在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程當(dāng)中需要通過掃描和編譯這兩個環(huán)節(jié)?，F(xiàn)階段應(yīng)用十分廣泛的二維碼是在一維條形碼基礎(chǔ)之上延伸出來的一種新型自動識別技術(shù)，這種技術(shù)可以將信息儲存在一維空間或二維空間當(dāng)中，但是二維碼的信息處理需要經(jīng)過掃描設(shè)備及編譯設(shè)備。4.3.2自動識別射頻識別技術(shù)利用射頻信號通過空間的耦合實現(xiàn)無接觸信息傳遞，并通過所傳遞的信息達到識別的目的。物聯(lián)網(wǎng)自動識別技術(shù)可以為物流領(lǐng)域提供智能性的服務(wù)，保證物流信息的準(zhǔn)確性和及時性。對于綠色建筑領(lǐng)域來說，可以有效的識別卡片的相關(guān)信息，對人員進行管理。4.3.3智能設(shè)備智能硬件能夠滿足人們智能化需求，智能硬件會給我們帶來全新的生活形式。智能硬件要么是被創(chuàng)造出來的，要么是基于傳統(tǒng)硬件改造的，目的都是使人們可以更便捷的使用，更高效的生產(chǎn)。第一階段傳統(tǒng)硬件加入傳感器和通信模塊，傳感器能夠感知外部環(huán)境并將數(shù)據(jù)通過通信模塊傳輸出去。第三階段能夠根據(jù)過去收集的數(shù)據(jù)提升自身判斷決策的水平，從而根據(jù)外界環(huán)境的變化改善自身決策。智能設(shè)備第二階段傳感式單體設(shè)備加上軟件算法，能分析傳感器的數(shù)據(jù)后直接做出簡單的操作。第四階段全自動感知、分析、決策，不需要人的參與。4.4物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層關(guān)鍵技術(shù)044.4.1互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)互聯(lián)網(wǎng)幾乎包含了人類的所有信息，是人類信息資源的匯總，人們常說的因特網(wǎng)就是互聯(lián)網(wǎng)的狹義稱謂。互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的前身。在相關(guān)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的約束下，通過互聯(lián)網(wǎng)相連的網(wǎng)絡(luò)將海量的信息匯總、整理和存儲，實現(xiàn)信息資源的有效利用和共享，這其實就是互聯(lián)網(wǎng)最主要的功能。4.4.2無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中，要與人無障礙地通信，必然離不開能夠傳輸海量數(shù)據(jù)的高速無線網(wǎng)絡(luò)。無線網(wǎng)絡(luò)不僅包括允許用戶建立遠距離無線連接的全球語音和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，還包括短距離藍牙技術(shù)、紅外線技術(shù)和Zigbee技術(shù)。無線通信網(wǎng)絡(luò)特點：①網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大，遍布各地，通過無數(shù)的傳感器覆蓋全球;②網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)動態(tài)變化，其結(jié)構(gòu)為網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu);③網(wǎng)絡(luò)的核心是數(shù)據(jù)，一切工作行為都以數(shù)據(jù)為中心;④網(wǎng)絡(luò)具有自動組織性能;⑤網(wǎng)絡(luò)具有應(yīng)用相關(guān)性;⑥網(wǎng)絡(luò)較公開，安全性較低;⑦傳感器節(jié)點性能有限，有待進一步開發(fā)。4.4.3衛(wèi)星通信技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進行通信交流最主要的方式是依賴于各種通信技術(shù)，依賴于基站和天線。但是像海洋、戈壁沙漠、深山老林這樣的區(qū)域均是無法建立基站的?？梢詫⒒景岬健疤焐稀保唇⑿l(wèi)星通信，使之成為地面基站通信的補充和延伸。衛(wèi)星通信技術(shù)利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站來轉(zhuǎn)發(fā)無線電波，從而進行兩個或多個終端之間的通信。。4.5物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層關(guān)鍵技術(shù)054.5.1云計算技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展離不開云計算技術(shù)的支撐。物聯(lián)網(wǎng)終端的計算和存儲能力有限，云計算平臺可以作為物聯(lián)網(wǎng)的大腦，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的存儲和計算。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的定義，云計算是指能夠針對共享的可配置計算資源，按需提供方便的、泛在的網(wǎng)絡(luò)接入模型。云計算體系結(jié)構(gòu)4.5.1云計算技術(shù)私有云由專供一個企業(yè)或組織使用的云計算資源構(gòu)成。私有云可在物理上位于組織的現(xiàn)場數(shù)據(jù)中心。混合云混合云是云計算的一種類型，它將本地基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（或私有云）與公有云結(jié)合在一起。部署方式公有云由第三方云服務(wù)提供商擁有和運營，資源通過Internet提供。社區(qū)云社區(qū)云是由一個特定社區(qū)獨占使用，該社區(qū)由具有共同關(guān)切的多個組織組成。4.5.1云計算技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)主要優(yōu)勢是按需付費、安全性以及可靠性，因此也被稱為硬件即服務(wù)。這項服務(wù)的典型案例有亞馬遜云、谷歌計算引擎和阿里云等。平臺即服務(wù)為云計算提供了應(yīng)用程序的接口。隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序數(shù)量的井噴式增長，平臺即服務(wù)的相關(guān)研究與應(yīng)用逐步涌現(xiàn)。平臺即服務(wù)的典型案例有谷歌應(yīng)用引擎（GoogleAppEngine，GAE）、微軟云（MicrosoftAzure）等。軟件即服務(wù)這項服務(wù)旨在提供終端用戶可以直接使用的服務(wù)，這里的服務(wù)可以理解為部署在互聯(lián)網(wǎng)上的軟件。這樣的服務(wù)模式在很大程度上替代了在個人電腦上運行的傳統(tǒng)應(yīng)用程序。服務(wù)類型4.5.2中間件技術(shù)中間件，是一種計算機軟件產(chǎn)品，它有兩種模式，一種是介于應(yīng)用操作系統(tǒng)與應(yīng)用軟件之間，另一種是介于硬件和應(yīng)用軟件中間，發(fā)揮支撐和信息傳遞的作用。第一種模式中，中間件能管理計算機資源和網(wǎng)絡(luò)通信，將應(yīng)用操作系統(tǒng)與應(yīng)用軟件連接起來，實現(xiàn)信息傳遞和交互。另一種模式中，中間件將管理集成硬件設(shè)備，將硬件數(shù)據(jù)信息集成并上傳給應(yīng)用軟件，實現(xiàn)溝通交互。兩種模式中，中間件都可以向下集成處理，向上直接為系統(tǒng)軟件提供數(shù)據(jù)等資源。4.5.3物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用操作系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的功能要求：（1）支持應(yīng)用程序的遠程升級。因為物聯(lián)網(wǎng)的種種應(yīng)用環(huán)境和條件限制，遠程升級是物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)在升級方式上的重要途徑，同時也是最為低成本的選擇。（2）外部存儲。在網(wǎng)絡(luò)連接中斷的情況下，起到臨時存儲數(shù)據(jù)的作用。（3）對物聯(lián)網(wǎng)常用的無線通信功能內(nèi)置支持。支持短信息的接收和發(fā)送、語音通信、視頻通信等功能。（4）網(wǎng)絡(luò)功能。物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)支持完善的TCP/IP協(xié)議棧。（5）支持完善的GUI功能。圖形用戶界面一般應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的智能終端中，完成用戶和設(shè)備的交互。4.6典型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的安裝與配置064.6.1項目介紹智能照明系統(tǒng)是智能家居中的重要組成部分，傳統(tǒng)照明系統(tǒng)多采用電氣開關(guān)進行電路的控制，而智能照明系統(tǒng)可基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)遠程照明控制、亮度控制、色彩控制等功能。本項目模擬一套智能家居中的照明系統(tǒng)，利用ArduinoUNO作為主控板，WiFi模塊實現(xiàn)無線通信、雙色LED模塊模擬照明燈光。最終，實現(xiàn)利用手機APP控制燈光開關(guān)等功能。4.6.2硬件設(shè)備安裝本項目用到的硬件包括ArduinoUNO主板、雙色LED模塊、WIFI模塊，將WiFi模塊RX和TX分別連接到Arduino的串口上，Arduino的兩個控制引腳分別與LED模塊上的紅色和綠色燈控制引腳相連，Arduino的5V供電引腳連接到WiFi模塊的供電引腳上，將各模塊的GND相連，連接圖如圖所示。4.6.2硬件設(shè)備安裝Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，包含硬件（各種型號的Arduino主板）和軟件（ArduinoIDE）。Arduino是由意大利互動設(shè)計學(xué)院的師生所開發(fā)，設(shè)計的初衷就是為個性化的學(xué)生提供共有開發(fā)平臺，以解決單獨開發(fā)軟硬件過程中的效率和技術(shù)問題。目前，Arduino支持Ardublock圖形化套件開發(fā)方式，已經(jīng)有部分初中學(xué)生使用Arduino參加創(chuàng)客比賽，實現(xiàn)很多有趣的功能。4.6.2硬件設(shè)備安裝跨平臺性ArduinoIDE可以在三大主流操作系統(tǒng)上運行，而其他的大多數(shù)控制器只能在Windows上開發(fā)，從而擴展應(yīng)用的適配性。開發(fā)簡單對于初學(xué)者來說，不需要太多的單片機基礎(chǔ)、編程基礎(chǔ)，簡單學(xué)習(xí)后，可以快速地進行開發(fā)。Arduino簡單高效，專注于業(yè)務(wù)，隱藏底層技術(shù)細節(jié)。由于其簡單易學(xué)的特點，開發(fā)者可以快速地將自己的創(chuàng)新想法搭建出原型系統(tǒng)，用于產(chǎn)品原型演示及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽。開放性Arduino的硬件原理圖、電路圖、IDE軟件及核心庫文件都是開源的，在開源協(xié)議范圍內(nèi)里可以任意修改原始設(shè)計及相應(yīng)代碼。Arduino特點4.6.3

網(wǎng)絡(luò)配置WiFi模塊擁有遠程控制和局域網(wǎng)兩種模式。遠程控制模式需要將Arduino連接到公網(wǎng)上，使用移動端設(shè)備實現(xiàn)遠程控制。局域網(wǎng)模式需要將Arduino和移動端設(shè)備連接到同一局域網(wǎng)下，在局域網(wǎng)中實現(xiàn)無線控制。本實驗以局域網(wǎng)模式為例，WiFi模塊將產(chǎn)生名為MakeRobotXXXX的W