物聯(lián)網(wǎng)工程應用-基于人工智能經(jīng)典案例 教案全套 黃如 第1-5章 物聯(lián)網(wǎng)核心理論及發(fā)展概述 -AI賦能的智慧城市與運作調控

1、封面《物聯(lián)網(wǎng)工程應用》教案課程名稱：物聯(lián)網(wǎng)技術及應用總學時／周學時：48/4開課時間：第1周至第12周授課年級、班級：信息工程2025級使用教材：物聯(lián)網(wǎng)工程應用授課教師：2、教案扉頁課程要求（在培養(yǎng)方案中的地位、開課學期，先修、后續(xù)課程）《物聯(lián)網(wǎng)技術及應用》是信息工程、自動化專業(yè)的專業(yè)課，在專業(yè)課程體系中占有重要地位。開課學期：先修課程/后修課程：電路原理、嵌入式系統(tǒng)原理與應用教學目標課程目標1：掌握物聯(lián)網(wǎng)相關的基本知識和分析設計方法。課程目標2：掌握物聯(lián)網(wǎng)基本協(xié)議，如：Zigbee協(xié)議。課程目標3：掌握物聯(lián)網(wǎng)關鍵支撐技術：網(wǎng)絡中間件技術和基于傳感網(wǎng)網(wǎng)絡的關鍵技術。課程目標4：能夠針對物聯(lián)網(wǎng)特定功能及技術指標需求，完成物聯(lián)網(wǎng)相關子系統(tǒng)的工程設計。課程目標5：掌握一些經(jīng)典的網(wǎng)絡應用算法，了解物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的經(jīng)典應用。課程目標6：能夠自主設計智能算法，使其勝任智能交通、環(huán)境保護、智能家居等不同領域中的工作。課程目標7：能夠對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的軟、硬件、網(wǎng)絡算法、工程軟件進行設計與開發(fā)，在設計中體現(xiàn)創(chuàng)新意識。課程目標8：能夠處理物聯(lián)網(wǎng)領域的復雜工程問題，考慮不同環(huán)境的需求，綜合設計解決方案。教學方法講授、討論+實驗課程性質（創(chuàng)新意識、實踐能力培養(yǎng)）本課程將物聯(lián)網(wǎng)理論研究和工程實踐相結合，按照“物體信息感知、感知信息傳輸、感知信息處理服務及應用”的教學路線展開，涵蓋物聯(lián)網(wǎng)領域的重要內容和最新技術。主要教學內容涉及無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)能機制設計、物聯(lián)網(wǎng)平臺與協(xié)議架構研究、近場無線通信技術標準及應用研究、物聯(lián)網(wǎng)定位技術、信息處理與服務管理技術、物聯(lián)網(wǎng)智能信息處理技術、物聯(lián)網(wǎng)的服務與管理等，引導學生在大國崛起的奮斗道路中，樹立面向物聯(lián)網(wǎng)核心理論的自主知識產(chǎn)權化、基于物聯(lián)網(wǎng)電路的中國智造化及物聯(lián)網(wǎng)中國芯設計的重要作用，實現(xiàn)全面感知、可靠傳輸、智能處理、自動控制的物聯(lián)網(wǎng)技術研究及應用的教學目標。旨在培養(yǎng)具備計算機網(wǎng)絡專業(yè)知識技能，掌握網(wǎng)絡、射頻、無線通信相關技術，從事物聯(lián)網(wǎng)領域系統(tǒng)設計與科技開發(fā)方面的高等工程技術人才。參考資料1《物聯(lián)網(wǎng)工程應用技術實踐教程》、黃如、電子工業(yè)出版社、2014年2《物聯(lián)網(wǎng)工程工程原理與應用》、黃如、電子工業(yè)出版社、2020年3《射頻識別技術原理與應用》、周曉、電子工業(yè)出版社、2015年4《傳感器技術》、謝雙維、中國計量出版社、2015年5《物聯(lián)網(wǎng)導論（第二版）》、劉云浩、科學出版社出版、2013年備注說明3、教案內容第1章物聯(lián)網(wǎng)核心理論及發(fā)展概述課題名稱第1章物聯(lián)網(wǎng)核心理論及發(fā)展概述計劃學時10課時內容分析本章首先對物聯(lián)網(wǎng)的不同定義、應用領域、發(fā)展歷程及基本特征進行了介紹，闡述了物聯(lián)網(wǎng)的起源、發(fā)展過程、目的；然后介紹了物聯(lián)網(wǎng)的主要支撐技術及發(fā)展趨勢，并從硬件和軟件兩個方面闡述了物聯(lián)網(wǎng)未來技術的發(fā)展方向；最后對人工智能關鍵技術進行了介紹，闡述了人工智能、云計算和霧計算、軟件定義網(wǎng)絡、深度學習、復雜網(wǎng)絡、普適計算、大語言模型等現(xiàn)代化技術在物聯(lián)網(wǎng)中的應用。通過學習這些內容能構建一個物聯(lián)網(wǎng)的整體框架，從而對物聯(lián)網(wǎng)有全面、準確的認知。教學目標及基本要求理解物聯(lián)網(wǎng)的基本概念和基本特征，能夠概述物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀。掌握物聯(lián)網(wǎng)支撐技術，包括路由技術、節(jié)能機制、無線媒體接入技術、信息融合技術、網(wǎng)絡抗毀技術、中間件技術等，并了解這些技術的基本原理和應用。分析基礎支撐技術的特點，預測未來技術的發(fā)展方向。了解人工智能關鍵技術，包括云計算、霧計算、軟件定義網(wǎng)絡、深度學習、復雜網(wǎng)絡、普適計算、大語言模型等，并掌握其基本概念和應用。培養(yǎng)學生的思考與擴展能力，能夠針對物聯(lián)網(wǎng)相關技術進行深入探討和研究。通過本章學習，使學生能夠對物聯(lián)網(wǎng)核心理論及發(fā)展有一個全面的認識，為后續(xù)學習打下堅實基礎。教學重點理解物聯(lián)網(wǎng)的基本概念和基本特征，能夠概述物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀。掌握物聯(lián)網(wǎng)支撐技術教學難點掌握物聯(lián)網(wǎng)支撐技術教學方式講授、討論+實驗教學過程第1-2課時（物聯(lián)網(wǎng)核心理論及發(fā)展概述）一、創(chuàng)設情境，引出本節(jié)內容進入信息社會，信息已經(jīng)成為一種非常重要的資源，它的安全與否已經(jīng)影響到個人、企業(yè)甚至國家的根本利益。網(wǎng)絡空間信息安全是一個涉及網(wǎng)絡技術、通信技術、密碼技術、信息安全技術、計算機科學、應用數(shù)學、信息論等多種學科的邊緣性綜合學科。網(wǎng)絡空間信息安全是國家安全的重要基礎，網(wǎng)絡信息在國民經(jīng)濟建設、社會發(fā)展、國防和科學研究等領域的作用日益重要。實際上，網(wǎng)絡的快速普及與發(fā)展、客戶端軟件多媒體化、協(xié)同計算、資源共享、開放、遠程管理化、電子商務、金融電子化等已成為網(wǎng)絡時代必不可少的產(chǎn)物。確保網(wǎng)絡空間信息安全至關重要，沒有網(wǎng)絡空間信息的安全就談不上網(wǎng)絡信息的應用。進入重點知識的講解（1）物聯(lián)網(wǎng)的定義、起源及其發(fā)展歷史進入21世紀以來，隨著傳感器技術、微機電技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術和無線通信技術的快速發(fā)展，信息系統(tǒng)從傳統(tǒng)的人工合成單信道模式轉變?yōu)槿斯ど珊妥詣由傻碾p信道模式，并實現(xiàn)信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的相互融合，表現(xiàn)為信息虛擬世界與物理實體世界的交互作用，使得物理世界可以被全面感知和智慧操控；同時，以傳感器、射頻模塊和智能識別終端為代表的信息自動生成設備和射頻通信設備聯(lián)網(wǎng)，共同構成了可實時準確地感知、測量和監(jiān)控物理世界的硬件支撐平臺。從而在以上系統(tǒng)融合和硬件支撐的基礎上，信息世界的擴展需求和物理世界的聯(lián)網(wǎng)需求共同催生了一類新型網(wǎng)絡——物聯(lián)網(wǎng)（InternetofThings，IoT）。物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術的重要組成部分，顧名思義，“物聯(lián)網(wǎng)就是物物相聯(lián)的互聯(lián)網(wǎng)”。這有兩層含義：第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎上延伸和擴展的網(wǎng)絡；第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信。IoT通過無線傳感器網(wǎng)絡、射頻識別（RadioFrequencyIdentification，RFID）等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理等具體工程應用。（2）物聯(lián)網(wǎng)的基本特征從物聯(lián)網(wǎng)定義的技術理解角度來看，物聯(lián)網(wǎng)和傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)相比有其自身鮮明的特征。物聯(lián)網(wǎng)的基本特征可概括為全面感知、可靠傳輸和智能處理。（1）全面感知。物聯(lián)網(wǎng)廣泛應用各種感知技術。在物聯(lián)網(wǎng)中部署了海量的多種類型的傳感器，整體構成了分布式異構信源系統(tǒng)，并且因為物聯(lián)網(wǎng)應用領域存在廣泛性、分布環(huán)境存在復雜性和工作時空存在差異性，所以不同類型的傳感器所捕獲的信息內容、信息格式及時空變化規(guī)律都存在差異性，這使得物聯(lián)網(wǎng)內的信息呈現(xiàn)海量性、多源性、分布式性等多樣性的特征，如圖1-2-2所示。（2）可靠傳輸。物聯(lián)網(wǎng)通過各種有線和無線網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)融合，將物體的信息實時準確地傳輸出去。由物聯(lián)網(wǎng)上的傳感器所定時采集的信息需要通過網(wǎng)絡傳輸，由于其數(shù)量極其龐大，形成了海量信息，因此在傳輸過程中，為了保障數(shù)據(jù)的正確性和及時性，必須適應各種異構網(wǎng)絡和協(xié)議。（3）智能處理。物聯(lián)網(wǎng)不僅提供了傳感器的連接，而且具有智能處理的能力，能夠對物體實施智能控制。物聯(lián)網(wǎng)將傳感器技術、無線通信和微機電技術與智能處理機制相結合，利用云計算、模式識別等各種智能技術擴充其應用領域。從傳感器獲得的多樣性信息中分析、加工和處理有意義的數(shù)據(jù)，可適應用戶的不同需求并拓展新的應用領域和應用模式。從功能結構角度，物聯(lián)網(wǎng)的智能處理系統(tǒng)可分解為射頻通信系統(tǒng)和信息網(wǎng)絡系統(tǒng)。依據(jù)信息科學的視點，圍繞信息流動過程，可抽象出圖1-2-3所示的物聯(lián)網(wǎng)信息處理功能模型，該模型的每步信息管理過程都可融合智能處理的技術手段。三、歸納總結，隨堂練習，布置作業(yè)（1）對課堂上講解的知識點進行總結，使用學習通的練習題鞏固本節(jié)課的知識點。第3-4課時（物聯(lián)網(wǎng)支撐技術（1））一、回顧上節(jié)課內容，引出本節(jié)內容（1）對上節(jié)課留的作業(yè)進行答疑（2）回顧上節(jié)課內容，引出本節(jié)課主題在上一節(jié)課中已經(jīng)介紹了物聯(lián)網(wǎng)的概念以及其基本特征，本節(jié)課將講解物聯(lián)網(wǎng)的支撐技術。本節(jié)課和下兩節(jié)課主要介紹物聯(lián)網(wǎng)技術體系中的關鍵性技術，包括路由技術、節(jié)能機制、無線媒體接入技術、信息融合技術、網(wǎng)絡抗毀技術、中間件技術等。這些技術是物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)萬物互聯(lián)、智能應用的基礎，對于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和應用具有重要意義。通過對這些技術的深入了解，可以讓學生更好地理解物聯(lián)網(wǎng)的工作原理，把握物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展趨勢，為物聯(lián)網(wǎng)的應用創(chuàng)新提供技術支持。二、進行重點知識的講解（1）路由技術路由是由網(wǎng)絡層向傳輸層提供的選擇傳輸路徑的服務，它是通過路由協(xié)議來實現(xiàn)的。路由協(xié)議包括兩個方面的功能：尋找源節(jié)點和目的節(jié)點間的優(yōu)化路徑；將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉發(fā)。傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議的選擇與應用息息相關，為滿足不同的應用需求，需要有多種多樣的路由協(xié)議。在對路由協(xié)議的研究過程中，研究者提出了許多傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議，但到目前為止，并沒有統(tǒng)一的分類方法。按照網(wǎng)絡拓撲結構，可以將傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議分為平面網(wǎng)絡路由協(xié)議及層次網(wǎng)絡路由協(xié)議兩大類，如下圖所示。（2）節(jié)能機制研究無線傳感器網(wǎng)絡的重要目的是在滿足網(wǎng)絡面向應用要求的前提下盡可能延長網(wǎng)絡的生命周期，而能量資源約束是影響網(wǎng)絡生命周期的根本因素。因此，針對節(jié)能機制的研究在無線傳感器網(wǎng)絡研究中處于核心地位。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡能耗的主要來源，現(xiàn)有的節(jié)能機制主要從數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)能機制這兩個方面展開。（1）針對處理器能耗研究。針對處理器的研究工作主要側重于減小處理器的能量消耗，TrevorPering等學者提出了動態(tài)電壓縮放（DynamicVoltageScaling，DVS）技術。這項技術的出發(fā)點是在大多數(shù)無線傳感器節(jié)點上計算負載隨時間的變化，因此不需要微處理器在任何時刻都保持峰值性能，可通過動態(tài)改變微處理器的工作電壓和頻率，使其剛好滿足當時的運行需求，從而在性能和能耗間取得平衡。L.Benini等學者則提出了動態(tài)電壓管理（DynamicPowerManagement，DPM）技術，該技術的基本思想是盡可能使系統(tǒng)各部分運行在節(jié)能模式下。常用的管理策略是關閉空閑模塊，在這種狀態(tài)下，部分無線傳感器節(jié)點將被關閉或處于低功耗狀態(tài)，直到有感興趣的事件發(fā)生，這項技術是無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)能多址接入（MAC）協(xié)議設計的基礎。美國麻省理工學院的A.Sinha等學者則提出了能量可擴展數(shù)字信號處理（DSP）算法設計的概念，以進一步減小處理器能耗?；舅枷胧菍鹘y(tǒng)DSP算法的執(zhí)行操作按影響結果的顯著程度進行排序，先執(zhí)行影響結果程度大的操作，這樣就可以在能耗與結果的精確程度之間尋求平衡。美國麻省理工學院的J.T.Ludwig等學者則將這一概念用于濾波算法的設計，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)算法都可以轉換為類似的能量可擴展DSP算法。（2）針對數(shù)據(jù)管理的節(jié)能研究。數(shù)據(jù)管理指的是在應用層面上將整個網(wǎng)絡視為一個虛擬的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，在其上構造查詢處理系統(tǒng)，以方便獲取數(shù)據(jù)庫中的信息。數(shù)據(jù)管理問題涉及的技術包括數(shù)據(jù)存儲技術、數(shù)據(jù)查詢技術、數(shù)據(jù)分析技術、數(shù)據(jù)融合技術及數(shù)據(jù)挖掘技術。其中，數(shù)據(jù)查詢技術的研究主要包括查詢語言的研究、查詢操作算法的研究、查詢優(yōu)化技術的研究、查詢分布式處理技術的研究；數(shù)據(jù)分析技術的研究主要包括聯(lián)機分析處理（OnLineAnalyticalProcessing，OLAP）技術的研究、統(tǒng)計分析技術的研究及其他復雜分析技術的研究；數(shù)據(jù)挖掘技術的研究主要包括相關規(guī)則等傳統(tǒng)類型知識的挖掘、與感知數(shù)據(jù)相關的新知識模型及其挖掘技術的研究、分布式挖掘技術的研究等。三、歸納總結，隨堂練習，布置作業(yè)（1）對課堂上講解的知識點進行總結，使用學習通中的隨堂練習題鞏固本節(jié)課的知識點。第5-6課時（物聯(lián)網(wǎng)支撐技術（2））一、回顧上節(jié)課內容，引出本節(jié)內容（1）對上節(jié)課留的作業(yè)進行答疑（2）回顧上節(jié)課內容，引出本節(jié)課主題在上一節(jié)課中已經(jīng)介紹了物聯(lián)網(wǎng)的支撐技術中的路由技術和節(jié)能機制，本節(jié)課將講解物聯(lián)網(wǎng)的支撐技術中的無線媒體接入技術和信息融合技術。二、進行重點知識的講解（1）無線媒體接入技術媒體接入控制層（MediaAccessControlLayer，MACLayer）位于數(shù)據(jù)鏈路層，在無線傳感器網(wǎng)絡中，該層主要用于解決無線信道合理共享的問題。在無線傳感器網(wǎng)絡中，MAC協(xié)議主要用來控制節(jié)點的以下幾個方面的性能。（1）能量有限性。在WSN中節(jié)點的能量是有限的，一旦用盡，就無法得到補充。為了使WSN能夠長時間地運作、延長網(wǎng)絡的壽命，需要MAC協(xié)議控制節(jié)點在進行信息采集和傳輸?shù)倪^程中節(jié)省能量。（2）可擴展性。無線傳感器網(wǎng)絡是時刻變化的，例如，匯播、組播能夠瞬間增大信道內的流量，這就要求MAC協(xié)議控制節(jié)點能夠適應拓撲或信道環(huán)境的動態(tài)變化。（3）網(wǎng)絡效率。是指網(wǎng)絡的整體性能，需要設計新型MAC協(xié)議來提高網(wǎng)絡的公平性，提高信道的吞吐量、帶寬利用率，減小網(wǎng)絡的延遲等。不同的應用所側重的網(wǎng)絡性能不同，因此新型的MAC協(xié)議需要滿足各種應用的性能要求。在設計MAC協(xié)議時，主要考慮以下幾個方面的問題。（1）空閑監(jiān)聽。因為節(jié)點不知道鄰居節(jié)點的數(shù)據(jù)何時到來，所以必須保持自己的射頻部分處于接收模式，形成空閑監(jiān)聽，這就造成了不必要的能量損耗。（2）沖突（碰撞）。如果兩個節(jié)點同時發(fā)送，并相互產(chǎn)生干擾，那么它們的傳輸都將失敗，發(fā)送包被丟棄，此時，用于發(fā)送這些數(shù)據(jù)包所消耗的能量就將被浪費。（3）控制開銷。為了保證可靠傳輸，協(xié)議將使用一些控制分組，如RTS/CTS，雖然沒有數(shù)據(jù)在其中，但必須消耗一定的能量來發(fā)送它們。（4）串擾（串音）。無線信道為共享介質，且每個節(jié)點都是以廣播的形式發(fā)送消息的，這使得節(jié)點有時會收到發(fā)送到其他節(jié)點的數(shù)據(jù)包，此時也會造成能量的消耗。根據(jù)分配信道資源策略的不同，MAC協(xié)議可分為以下三類。（1）固定分配MAC協(xié)議：TRAMA協(xié)議、TDMA-W協(xié)議、基于分簇網(wǎng)絡的MAC協(xié)議。（2）隨機競爭MAC協(xié)議：S-MAC協(xié)議、T-MAC協(xié)議、B-MAC協(xié)議、WiseMAC協(xié)議。（3）混合MAC協(xié)議：Z-MAC協(xié)議。（2）信息融合技術物聯(lián)網(wǎng)技術設備所采集的信息通常為多方面、多類型的不同信息，不便于信息的提取與選擇應用，而多層次信息融合是解決以上問題的重要途徑，信息融合算法的研究具有重要的理論意義和實踐價值。通過信息融合，可以更好地獲取設備所采集的重要信息，提高關聯(lián)信息的利用率，體現(xiàn)信息價值。信息融合是利用計算機技術對按時序獲得的若干傳感器的觀測信息在一定準則下加以自動分析、綜合處理，以完成所需的決策和估計任務而進行的信息處理過程。從其定義中可以看出，多傳感器系統(tǒng)是信息融合的硬件基礎，多源信息是信息融合的加工對象，協(xié)調優(yōu)化和綜合處理是信息融合的核心。信息融合過程如下圖所示。按照層次不同，信息融合技術一般可分為數(shù)據(jù)級（像素級）融合、特征級融合及決策級融合三類。三、歸納總結，隨堂練習，布置作業(yè)（1）對課堂上講解的知識點進行總結，使用學習通中的隨堂練習題鞏固本節(jié)課的知識點。第7-8課時（物聯(lián)網(wǎng)支撐技術（3））一、回顧上節(jié)課內容，引出本節(jié)內容（1）對上節(jié)課留的作業(yè)進行答疑（2）回顧上節(jié)課內容，引出本節(jié)課主題在上兩節(jié)課中已經(jīng)介紹了物聯(lián)網(wǎng)的支撐技術中的路由技術、節(jié)能機制、無線媒體接入技術和信息融合技術，本節(jié)課將講解物聯(lián)網(wǎng)的支撐技術中的網(wǎng)絡抗毀技術和中間件技術并總結基礎支撐技術的特點以及未來技術的發(fā)展方向。二、進行重點知識的講解（1）網(wǎng)絡抗毀技術無線傳感器網(wǎng)絡作為由大量傳感器節(jié)點所構成的分布式網(wǎng)絡系統(tǒng)，能夠有效采集與傳輸各種環(huán)境和目標信息，在諸多領域得到了實際的應用。但在實際應用中，由于受到規(guī)模巨大、網(wǎng)絡異構、傳輸時延、有向傳輸?shù)葍仍谝蛩丶巴獠凯h(huán)境干擾因素的共同作用，無線傳感器網(wǎng)絡難以長時間穩(wěn)定、可靠地運行?？箽詥栴}已經(jīng)成為制約工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡規(guī)?；瘧玫闹饕夹g瓶頸。網(wǎng)絡抗毀性研究具有多種不同的角度與方法，導致對網(wǎng)絡抗毀性的評估的差異也較大，對網(wǎng)絡抗毀性沒有統(tǒng)一定義?？傮w而言，網(wǎng)絡抗毀性的研究主要集中于對網(wǎng)絡結構的研究及網(wǎng)絡遭受攻擊后的恢復機制。下面將從這兩個研究方向介紹一些提升網(wǎng)絡抗毀性的方法。1．博弈論博弈論，有時也稱為對策論，或者賽局理論，是一門研究多個個體或團隊之間在特定條件制約下的對局中利用相關方的策略，而實施對應策略的學科。博弈論將決策者之間的相互作用公式化，實現(xiàn)了使用者的利益最大化或風險最小化，其本質是一種最優(yōu)化策略。2．人工神經(jīng)網(wǎng)絡人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ArtificialNeuralNetwork，ANN）是一種模擬人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡，以期能夠實現(xiàn)類人工智能的機器學習技術。人工神經(jīng)網(wǎng)絡對網(wǎng)絡抗毀性能的提升主要在于通過對多個網(wǎng)絡進行訓練學習，然后得到最符合研究者要求的抗毀性指標權重，從而構建符合要求的網(wǎng)絡。3．冗余技術冗余技術又稱為儲備技術，是指當一臺設備或某個部件出現(xiàn)故障時，另一臺設備或部件能主動介入并承擔其相應工作，以此來縮短系統(tǒng)的故障時間。在真實網(wǎng)絡中，為了提升網(wǎng)絡的可靠性，往往會在關鍵設備處使用冗余技術，減小關鍵數(shù)據(jù)流上任意一點失效所帶來的損失。冗余技術一般可以分為鏈路層網(wǎng)絡冗余技術和網(wǎng)絡層網(wǎng)絡冗余技術。（2）中間件技術物聯(lián)網(wǎng)中存在大量的異構系統(tǒng)，為解決異構系統(tǒng)之間的訪問，人們提出了中間件技術。中間件是介于應用系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件之間的一類軟件，它使用系統(tǒng)軟件所提供的基礎服務（功能），銜接網(wǎng)絡上應用系統(tǒng)的各個部分或不同的應用，能夠達到資源共享、功能共享的目的。中間件位于客戶機/服務器的操作系統(tǒng)之上，管理計算機資源和網(wǎng)絡通信，是連接兩個獨立應用程序或獨立系統(tǒng)的軟件。對于相連接的系統(tǒng)而言，即使它們具有不同的接口，通過中間件也能交互信息。中間件能夠屏蔽操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡協(xié)議的差異，可以自由地構建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，為應用程序提供多種通信機制，并提供相應的平臺以滿足不同的需求，且在此情況下，還可對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進行有效的管理，為物聯(lián)網(wǎng)的有效開發(fā)與穩(wěn)固運行提供了保障。物聯(lián)網(wǎng)內的中間件對底層硬件具備屏蔽功能，同時對網(wǎng)絡中的異常情況具備屏蔽功能，正是其所具有的這種特殊功能，保證了物聯(lián)網(wǎng)在未來應用中能夠在硬件設備中獨立存在和運行，從而為其提供技術上的支持。物聯(lián)網(wǎng)中間件的特點如下。（1）獨立于架構。物聯(lián)網(wǎng)中間件獨立于物聯(lián)網(wǎng)設備與后端應用程序，并能與多個后端應用程序連接，降低維護成本。（2）數(shù)據(jù)流。物聯(lián)網(wǎng)的目的是將實體對象轉換為信息環(huán)境下的虛擬對象，因此數(shù)據(jù)處理是中間件最重要的功能之一，中間件具有數(shù)據(jù)收集、過濾、整合與傳輸?shù)裙δ?，能夠將正確的對象信息傳輸給上層應用系統(tǒng)。（3）處理流。物聯(lián)網(wǎng)中間件采用程序邏輯及存儲轉發(fā)的功能提供順序消息流，具有數(shù)據(jù)流設計與管理的功能。（4）標準化。物聯(lián)網(wǎng)中間件具有統(tǒng)一的接口和標準。（3）基礎支撐技術的特點基于已有的各種通信標準和網(wǎng)絡服務，物聯(lián)網(wǎng)的基礎支撐技術具有以下幾個特點。（1）感知識別普適化。作為物聯(lián)網(wǎng)的末梢，自動識別和傳感網(wǎng)技術近年來發(fā)展迅猛、應用廣泛，仔細觀察就會發(fā)現(xiàn)，人們的衣食住行都能折射出感知識別技術的存在。無所不在的感知與識別將物理世界信息化，將傳統(tǒng)上分離的物理世界和信息世界高度融合。傳感器是機器感知物理世界的“感覺器官”，為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的處理、傳輸、分析和回饋提供原始的信息。隨著電子技術的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的傳感器正逐步實現(xiàn)微型化、智能化、信息化和網(wǎng)絡化。（2）異構設備互聯(lián)化。盡管物聯(lián)網(wǎng)應用中的硬件和軟件平臺千差萬別，各種異構設備（不同型號和類別的ZigBee模塊、RFID標簽、藍牙模塊、傳感器、手機和筆記本電腦等）利用無線通信模塊和標準通信協(xié)議構建自組織網(wǎng)絡，在此基礎上運行不同協(xié)議的異構網(wǎng)絡之間通過網(wǎng)關互聯(lián)互通，實現(xiàn)網(wǎng)絡間的信息共享及融合。（3）聯(lián)網(wǎng)終端規(guī)?；?。物聯(lián)網(wǎng)時代的一個重要特征是物品觸網(wǎng)，每件物品都具有通信功能，并成為網(wǎng)絡終端。據(jù)預測，未來聯(lián)網(wǎng)終端的規(guī)模有望突破百億大關。（4）管理調控智慧化。物聯(lián)網(wǎng)將大規(guī)模數(shù)據(jù)高效、可靠地組織起來，為上層行業(yè)應用提供智能的平臺，數(shù)據(jù)存儲、組織及檢索成為行業(yè)應用的重要基礎設施。與此同時，各種決策手段（包括運籌學理論、機器學習、數(shù)據(jù)挖掘、專家系統(tǒng)等）廣泛應用于各行各業(yè)。面向物聯(lián)網(wǎng)的傳感網(wǎng)主要涉及以下幾項技術：測試及網(wǎng)絡化測控技術、智慧化傳感網(wǎng)節(jié)點技術、傳感網(wǎng)組織結構及底層協(xié)議技術、對傳感網(wǎng)自身的檢測與自組織技術、傳感網(wǎng)安全技術。（4）未來技術的發(fā)展方向物聯(lián)網(wǎng)技術在不斷地發(fā)展、深化，并和多領域技術交叉融合，未來將重點從硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的革新方面來確立物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展方向。（1）硬件系統(tǒng)方面的未來技術發(fā)展方向側重于物聯(lián)網(wǎng)的末梢網(wǎng)絡技術發(fā)展，將與新材料和智能傳感器設備的研究緊密結合，將包含微縮事物的納米材料技術和智能化的微機電技術引入物聯(lián)網(wǎng)的硬件系統(tǒng)，降低網(wǎng)絡系統(tǒng)的功耗并提高系統(tǒng)感知終端技術的智能性。（2）軟件系統(tǒng)方面的未來技術發(fā)展方向主要涉及協(xié)議規(guī)范、體系結構、算法設計三個方面的技術革新。其中，在協(xié)議規(guī)范發(fā)展方面，其自身協(xié)議在網(wǎng)絡時間同步、容量極限、安全機制、能效利用、抗干擾性等方面仍存在亟待研究和發(fā)展的問題，特別是ZigBee協(xié)議與其他協(xié)議標準無線網(wǎng)絡（如藍牙網(wǎng)絡、Wi-Fi網(wǎng)絡）的技術共存問題的研究，是其未來協(xié)議標準發(fā)展的一個重要方向；在體系結構發(fā)展方面，主要涉及物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下處理海量多樣性信息的軟件系統(tǒng)層次結構設計、體系結構組成、子系統(tǒng)相互作用機制構建、可重構技術拓展及并行開發(fā)與測試管理等；在算法設計研究方面，主要涉及物聯(lián)網(wǎng)感知復雜事件語義模型建模算法、傳感器節(jié)點感知跟蹤、行為建模及感知交互算法，以及資源控制、優(yōu)化和調度算法。第9-10課時（人工智能關鍵技術）一、回顧上節(jié)課內容，引出本節(jié)內容（1）對上節(jié)課留的作業(yè)進行答疑（2）回顧上節(jié)課內容，引出本節(jié)課主題在前面的課中已經(jīng)介紹了物聯(lián)網(wǎng)的基本概念和關鍵技術，而隨著時代的發(fā)展和技術的進步，人工智能正在進入人們生活的方方面面，物聯(lián)網(wǎng)不例外。本節(jié)課將講解人工智能應用在物聯(lián)網(wǎng)中的關鍵技術。二、進行重點知識的講解（1）人工智能基本概念人工智能在剛被提出時，不同的研究者從不同的角度對其進行研究，使其存在不同的定義。（1）像人一樣行動的系統(tǒng)。該定義起源于1950年圖靈提出的一個測試：讓一段程序與人交談5min，然后讓人判斷交談對象是人還是程序，若在30%的測試中，程序成功地欺騙了人，則通過了測試。該測試的核心不是問“機器人能否思考”，而是問“機器人能否通過關于行為的智能測試”。（2）像人一樣思考的系統(tǒng)。當時研究者的研究普遍集中于程序是否實現(xiàn)了想要得到的功能，而這一定義的研究者則另辟蹊徑，更加關注程序的推理步驟軌跡與人類個體求解同樣問題的步驟軌跡的異同。這一定義的研究者試圖通過將AI的計算模型與來自心理學的實驗技術相結合，來創(chuàng)立一種精確且可檢驗的人類思維工作方式。（3）理性地思考的系統(tǒng)。這一定義主要由AI領域的邏輯主義者提出。19世紀時，邏輯主義者就發(fā)展出可以描述世界上一切事物及其彼此關系的精確的命題符號，到1965年，理論上，已經(jīng)有程序可以求解任何用邏輯符號描述的可解問題，因此，AI領域的邏輯主義者希望能研究出上述程序來實現(xiàn)智能系統(tǒng)。（4）理性地行動的系統(tǒng)。這一定義的研究者認為，智能體應該不僅可以正確地推理，而且能正確地行動。其核心思想是智能體要通過自己的行動獲得最佳的結果，或者在不確定的情況下獲得最優(yōu)結果。前兩種定義希望能直接模擬人的思考或行為，后兩種定義則希望得到最理性的結果。隨著科技（尤其是計算機技術）的不斷發(fā)展，人工智能也得到了極大程度的發(fā)展，研究者慢慢地不再局限于上述4種中的某一種定義，而開始希望實現(xiàn)具備上述所有能力的智能體。（2）云計算和霧計算云計算（CloudComputing）是一種能夠通過網(wǎng)絡以便利的、按需付費的方式獲取計算資源并提高其可用性的模式，其核心思想是對大量用網(wǎng)絡連接的計算資源統(tǒng)一進行管理和調度，構成一個計算資源池并向用戶提供按需服務。其核心思想與電力公司相似，在工業(yè)時代初期，電力是保障所有產(chǎn)業(yè)運作、生產(chǎn)的前提，而當時還沒有電力公司這類機構，因此，為了保證生產(chǎn)，企業(yè)不得不自己配備發(fā)動機，甚至建發(fā)電廠以保證供電，而后發(fā)電公司這類機構興起，企業(yè)不再在電力設備及其維護方面耗費巨資，只需交納電費即可從電力公司獲得足夠的供電。對于云計算而言，云計算平臺即為電力公司，所有對計算資源有需求的用戶就是工業(yè)時代的企業(yè)，其只需要繳納足夠的費用即可享受云計算帶來的計算資源，這就是云計算的終極目標—讓人們可以像使用水、電那樣使用計算機資源。（3）軟件定義網(wǎng)絡軟件定義網(wǎng)絡是一種基于軟件理論的自動化網(wǎng)絡架構技術。業(yè)界規(guī)模最大、最活躍的SDN標準化組織之一—開放網(wǎng)絡基金會（OpenNetworkingFoundation，ONF）對SDN的定義如下：SDN是一個新出現(xiàn)的、轉發(fā)與網(wǎng)絡控制相解耦的、可直接編程的網(wǎng)絡架構。其核心是OpenFlow概念，如Ethane項目所希望達到的目的一般，其工作原理只是將安全策略延伸到所有數(shù)據(jù)，即通過一個集中式的控制器，讓網(wǎng)絡管理員可以方便地定義基于網(wǎng)絡流的數(shù)據(jù)控制策略，并將這些數(shù)據(jù)控制策略應用到各種網(wǎng)絡設備中，從而實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡通信的數(shù)據(jù)控制。SDN主要有以下幾個特點。（1）簡單化。SDN可以實現(xiàn)中心控制，使很多復雜的協(xié)議處理得到簡化。（2）快速部署與維護。相較于傳統(tǒng)網(wǎng)絡，SDN能被更快速地部署與維護。（3）開放性。OpenFlow的數(shù)據(jù)轉發(fā)功能和網(wǎng)絡控制功能是分離的，使用戶可以有更多的選擇來自定義網(wǎng)絡，可以出現(xiàn)多家設備共存的情形，且用戶可以根據(jù)自己的需求在任何時候方便地升級。（4）安全性。SDN的集中式控制為網(wǎng)絡帶來了安全性能的提升。例如，當網(wǎng)絡中出現(xiàn)惡意軟件時，通過網(wǎng)絡結構，用戶可以迅速地在集中控制平面阻止這個惡意軟件的擴散爆發(fā)，而不需要訪問多個路由器或交換機。（4）深度學習隨著機器學習技術的加入，物聯(lián)網(wǎng)具備了智能化分析數(shù)據(jù)的能力，但物聯(lián)網(wǎng)中較大的數(shù)據(jù)量和較復雜的數(shù)據(jù)內容使得傳統(tǒng)機器學習技術對于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的處理存在一些缺點，如大量的特征提取等，為了解決這些問題，物聯(lián)網(wǎng)引入了深度學習技術。深度學習是機器學習中的一個分支，它具有深層次的網(wǎng)絡結構，相較于傳統(tǒng)機器學習而言，它的優(yōu)勢在于去掉了機器學習中所需要的大量特征處理過程，只需將數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)骄W(wǎng)絡，便可得到結果，且可以針對不同問題自動提取新特征，可以精確地學習多媒體信息的高級特征，提高處理多媒體信息的效率。深度學習的典型模型有卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（ConvolutionalNeuralNetwork，CNN）模型、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡（RecurrentNeuralNetwork，RNN）模型、生成對抗網(wǎng)絡（GenerativeAdversarialNetwork，GAN）模型、深度信任網(wǎng)絡（DeepBeliefNetwork，DBN）模型、圖神經(jīng)網(wǎng)絡（GraphNeuralNetworkGNN）模型和堆棧自編碼網(wǎng)絡（StackedAuto-encoderNetwork，SAE）模型等。（5）復雜網(wǎng)絡復雜網(wǎng)絡是指具有自組織、自相似、吸引子、小世界、無標度中的部分或全部性質的網(wǎng)絡。目前，復雜網(wǎng)絡的研究內容主要包括以下幾個方面：網(wǎng)絡的幾何性質、網(wǎng)絡的形成機制、網(wǎng)絡演化的統(tǒng)計規(guī)律、網(wǎng)絡的模型性質，以及網(wǎng)絡的結構穩(wěn)定性、網(wǎng)絡的演化動力學機制等問題。從字面就可以看出，復雜網(wǎng)絡是指高度復雜的網(wǎng)絡，其復雜性主要表現(xiàn)在以下幾個方面。（1）結構復雜。復雜網(wǎng)絡具有龐大的節(jié)點數(shù)量，且網(wǎng)絡結構呈現(xiàn)多種不同特征。（2）連接多樣性。節(jié)點之間的連接權重不同，且可能存在方向性。（3）動力學復雜性。節(jié)點集可能屬于非線性動力學系統(tǒng)，節(jié)點狀態(tài)隨時間而發(fā)生復雜變化。（4）節(jié)點多樣性。任何事物都可以成為復雜網(wǎng)絡中的節(jié)點。（5）多重復雜性融合。以上的復雜性會相互影響，使整個網(wǎng)絡顯得更加復雜，變化更加難以預料。（6）普適計算普適計算［UbiquitousComputing（ubicomp）、PervasiveComputing］又稱普存計算、普及計算、遍布式計算、泛在計算，是一個強調和環(huán)境融為一體，而計算機本身則從人們的視線中消失的計算概念。在普適計算的模式下，人們能夠在任何時間、任何地點以任何方式進行信息的獲取與處理。計算機技術的發(fā)展往往伴隨著計算模式的變更，每一次計算模式的變更都意味著計算機技術的跨越式發(fā)展。計算模式的第一次變更在20世紀80年代，由主機計算模式進入桌面計算模式，這使得計算機從實驗室進入了普通的辦公室和家庭，極大地推動了計算機技術和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在主機計算模式時，人們以計算機為中心進行計算，此時用計算機完成一項任務需要與計算機進行很繁雜的對話，如手工配置計算機的軟/硬件環(huán)境和把計算任務映射到應用程序中，這使得人們的注意力主要集中于計算機而非任務本身，這種計算模式違背了人們的初衷，不符合人類的習慣。當進入桌面計算模式時，主機計算模式的缺陷得到了極大的改善，但依舊存在不足：使用計算機時，人們必須坐在計算機前，而不能自由移動，因此，計算機依舊未能與人類的生活環(huán)境融合。在進入桌面計算模式后，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，計算機技術開始與通信、數(shù)字媒體等技術相結合，這些技術的結合集中體現(xiàn)為互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。除此之外，計算機在計算能力和存儲能力提高的同時，其設備發(fā)展趨于迷你化，人們希望將計算機的計算與存儲能力嵌入可穿戴的聯(lián)網(wǎng)設備中。因此，傳統(tǒng)的桌面計算模式也漸漸被淘汰，為了滿足計算機的發(fā)展需求、將計算機真正融入人們的工作和生活，使其如空氣、水、電般成為人們的生活必需品，人們提出了普適計算。（7）大語言模型大語言模型，也稱大型語言模型（LargeLanguageModel，LLM），是一種旨在理解和生成人類語言的人工智能模型。LLM通常指包含數(shù)百億或更多參數(shù)的語言模型，它們在海量的文本數(shù)據(jù)上進行訓練，從而獲得對語言深層次的理解。目前，國外的知名大語言模型有GPT-3.5、GPT-4-turbo、Gemini、Claude和LLaMA等，國內的則有文心一言、訊飛星火、通義千問、ChatGLM、百川等。為了探索性能的極限，許多研究人員開始訓練越來越龐大的語言模型，例如擁有1750億個參數(shù)的GPT-3和5400億個參數(shù)的PaLM。盡管這些大型語言模型與小型語言模型，例如3.3億個參數(shù)的BERT和15億個參數(shù)的GPT-2使用相似的架構與預訓練任務，但它們展現(xiàn)出截然不同的能力，尤其在解決復雜任務時表現(xiàn)出了驚人的潛力，這被稱為“涌現(xiàn)能力”。以GPT-3和GPT-2為例，GPT-3可以通過學習上下文來解決少樣本任務，而GPT-2在這方面表現(xiàn)得較差。因此，科研界給這些龐大的語言模型起了個名字，稱之為“大語言模型”。LLM的一個杰出應用就是ChatGPT，它是GPT系列LLM用于與人類對話式應用的大膽嘗試，展現(xiàn)出了非常流暢和自然的表現(xiàn)。語言建模的研究可以追溯到20世紀90年代，當時的研究主要集中在采用統(tǒng)計學習方法來預測詞匯，通過分析前面的詞匯來預測下一個詞匯，但在理解復雜語言規(guī)則方面存在一定局限性。隨后，研究人員不斷嘗試改進，2003年深度學習先驅Bengio在他的經(jīng)典論文“ANeuralProbabilisticLanguageModel”中，首次將深度學習的思想融入語言模型。強大的神經(jīng)網(wǎng)絡模型相當于為計算機提供了強大的“大腦”來理解語言，讓模型可以更好地捕捉和理解語言中的復雜關系。2018年左右，Transformer架構的神經(jīng)網(wǎng)絡模型開始嶄露頭角。通過大量文本數(shù)據(jù)訓練這些模型，使它們能夠通過閱讀大量文本來深入理解語言規(guī)則和模式，就像讓計算機閱讀整個互聯(lián)網(wǎng)一樣，對語言有了更深刻的理解，極大地提升了模型在各種自然語言處理任務上的表現(xiàn)。與此同時，研究人員發(fā)現(xiàn)，隨著語言模型規(guī)模的擴大（增大模型規(guī)?；蚴褂酶鄶?shù)據(jù)），模型展現(xiàn)出了一些驚人的能力，在各種任務中的表現(xiàn)均顯著提升，這一發(fā)現(xiàn)標志著大型語言模型時代的開啟。目前，這些大語言模型已經(jīng)能夠理解和生成自然語言文本，并在翻譯、問答、文本摘要、文本生成等任務中表現(xiàn)出色。隨著模型規(guī)模的進一步擴大，研究者開始探索多模態(tài)模型，如能夠同時處理文本和圖像的模型，其將大語言模型與圖像生成技術相結合，從而實現(xiàn)基于文本描述生成圖像的功能。思考題和習題1.1物聯(lián)網(wǎng)體系的基本特征從服務應用角度進行總結，主要包括哪幾個方面？1.2物聯(lián)網(wǎng)中的“物”需要滿足哪些條件？1.3請簡述深度學習技術在物聯(lián)網(wǎng)中的應用，并分析其如何提升物聯(lián)網(wǎng)的智能數(shù)據(jù)處理能力。1.4霧計算與云計算相比，有哪些優(yōu)勢？1.5普適計算的核心是什么？1.6大語言模型目前存在哪些問題？1.7大語言模型對人工智能發(fā)展有什么影響？教學后記1、封面《物聯(lián)網(wǎng)工程應用》教案課程名稱：物聯(lián)網(wǎng)技術及應用總學時／周學時：48/4開課時間：第1周至第12周授課年級、班級：信息工程2025級使用教材：物聯(lián)網(wǎng)工程應用授課教師：2、教案扉頁課程要求（在培養(yǎng)方案中的地位、開課學期，先修、后續(xù)課程）《物聯(lián)網(wǎng)技術及應用》是信息工程、自動化專業(yè)的專業(yè)課，在專業(yè)課程體系中占有重要地位。開課學期：先修課程/后修課程：電路原理、嵌入式系統(tǒng)原理與應用教學目標課程目標1：掌握物聯(lián)網(wǎng)相關的基本知識和分析設計方法。課程目標2：掌握物聯(lián)網(wǎng)基本協(xié)議，如：Zigbee協(xié)議。課程目標3：掌握物聯(lián)網(wǎng)關鍵支撐技術：網(wǎng)絡中間件技術和基于傳感網(wǎng)網(wǎng)絡的關鍵技術。課程目標4：能夠針對物聯(lián)網(wǎng)特定功能及技術指標需求，完成物聯(lián)網(wǎng)相關子系統(tǒng)的工程設計。課程目標5：掌握一些經(jīng)典的網(wǎng)絡應用算法，了解物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的經(jīng)典應用。課程目標6：能夠自主設計智能算法，使其勝任智能交通、環(huán)境保護、智能家居等不同領域中的工作。課程目標7：能夠對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的軟、硬件、網(wǎng)絡算法、工程軟件進行設計與開發(fā)，在設計中體現(xiàn)創(chuàng)新意識。課程目標8：能夠處理物聯(lián)網(wǎng)領域的復雜工程問題，考慮不同環(huán)境的需求，綜合設計解決方案。教學方法講授、討論+實驗課程性質（創(chuàng)新意識、實踐能力培養(yǎng)）本課程將物聯(lián)網(wǎng)理論研究和工程實踐相結合，按照“物體信息感知、感知信息傳輸、感知信息處理服務及應用”的教學路線展開，涵蓋物聯(lián)網(wǎng)領域的重要內容和最新技術。主要教學內容涉及無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)能機制設計、物聯(lián)網(wǎng)平臺與協(xié)議架構研究、近場無線通信技術標準及應用研究、物聯(lián)網(wǎng)定位技術、信息處理與服務管理技術、物聯(lián)網(wǎng)智能信息處理技術、物聯(lián)網(wǎng)的服務與管理等，引導學生在大國崛起的奮斗道路中，樹立面向物聯(lián)網(wǎng)核心理論的自主知識產(chǎn)權化、基于物聯(lián)網(wǎng)電路的中國智造化及物聯(lián)網(wǎng)中國芯設計的重要作用，實現(xiàn)全面感知、可靠傳輸、智能處理、自動控制的物聯(lián)網(wǎng)技術研究及應用的教學目標。旨在培養(yǎng)具備計算機網(wǎng)絡專業(yè)知識技能，掌握網(wǎng)絡、射頻、無線通信相關技術，從事物聯(lián)網(wǎng)領域系統(tǒng)設計與科技開發(fā)方面的高等工程技術人才。參考資料1《物聯(lián)網(wǎng)工程應用技術實踐教程》、黃如、電子工業(yè)出版社、2014年2《物聯(lián)網(wǎng)工程工程原理與應用》、黃如、電子工業(yè)出版社、2020年3《射頻識別技術原理與應用》、周曉、電子工業(yè)出版社、2015年4《傳感器技術》、謝雙維、中國計量出版社、2015年5《物聯(lián)網(wǎng)導論（第二版）》、劉云浩、科學出版社出版、2013年備注說明3、教案內容第2章物聯(lián)網(wǎng)體系標準與協(xié)議架構課題名稱第2章物聯(lián)網(wǎng)體系標準與協(xié)議架構計劃學時8課時內容分析本章將重點關注智能物聯(lián)網(wǎng)的體系標準與協(xié)議架構，深入探討近場無線通信技術標準及協(xié)議，包括Bluetooth、高速WPAN、ZigBee、WLAN和高速WMAN，分析它們在智能物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的角色和適用場景。此外，本章還將詳細介紹物聯(lián)網(wǎng)體系架構的三個關鍵層級：感知層、網(wǎng)絡層和應用層，以及它們如何共同工作以實現(xiàn)智能物聯(lián)網(wǎng)的互操作性。進一步地，本章將探討智能物聯(lián)網(wǎng)的架構和應用，包括物聯(lián)網(wǎng)智能架構、物聯(lián)網(wǎng)專家系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)工程應用。這些內容將為學生提供一個全面的視角，了解如何利用智能物聯(lián)網(wǎng)技術來構建更智能、更互聯(lián)的系統(tǒng)和服務。通過本章的學習，學生將獲得對智能物聯(lián)網(wǎng)體系標準與協(xié)議架構的深入理解，為在實際項目中設計和實施智能物聯(lián)網(wǎng)解決方案打下堅實的基礎。教學目標及基本要求掌握近場無線通信技術標準及協(xié)議，包括Bluetooth、高速WPAN、ZigBee、WLAN、高速WMAN等，并了解它們在智慧城市信息資源智能化服務中的應用。理解物聯(lián)網(wǎng)的體系架構和互操作性，包括感知層、網(wǎng)絡層和應用層的功能、組成及其相互關系。分析物聯(lián)網(wǎng)各層的主要標準和協(xié)議，以及它們在實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的作用。了解智能物聯(lián)網(wǎng)架構的特點，掌握物聯(lián)網(wǎng)專家系統(tǒng)的基本概念，并探討物聯(lián)網(wǎng)工程應用的實際案例。培養(yǎng)學生對于物聯(lián)網(wǎng)標準與協(xié)議架構的整體認識，提高其在實際工作中應用這些技術和標準的能力。通過本章學習，使學生能夠對物聯(lián)網(wǎng)的體系標準與協(xié)議架構有一個系統(tǒng)的理解，為后續(xù)學習和實踐打下堅實基礎。教學重點掌握近場無線通信技術標準及協(xié)議，包括Bluetooth、高速WPAN、ZigBee、WLAN、高速WMAN等，并了解它們在智慧城市信息資源智能化服務中的應用。理解物聯(lián)網(wǎng)的體系架構和互操作性，包括感知層、網(wǎng)絡層和應用層的功能、組成及其相互關系。分析物聯(lián)網(wǎng)各層的主要標準和協(xié)議，以及它們在實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的作用。教學難點理解物聯(lián)網(wǎng)的體系架構和互操作性，包括感知層、網(wǎng)絡層和應用層的功能、組成及其相互關系。教學方式講授、討論+實驗教學過程第1-2課時（近場無線通信技術標準及協(xié)議（1））一、創(chuàng)設情境，引出本節(jié)內容在當今快速發(fā)展的技術時代，智能物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為連接物理世界與數(shù)字世界的重要橋梁。隨著智能設備和傳感器的普及，物聯(lián)網(wǎng)的應用場景變得越來越廣泛，從智能家居到工業(yè)自動化，從健康監(jiān)測到智慧城市，智能物聯(lián)網(wǎng)正在深刻改變著我們的工作和生活方式。為了實現(xiàn)這些多樣化應用，一個統(tǒng)一、高效、可靠的物聯(lián)網(wǎng)體系標準與協(xié)議架構至關重要。進入重點知識的講解（1）Bluetooth標準介紹藍牙（Bluetooth）這個概念源于1994年，當時的ERICSSON公司對無電纜情況下的移動電話和其他設備產(chǎn)生了濃厚的興趣，為此，ERICSSON公司聯(lián)合IBM、Intel、NOKIA和Toshiba這4家公司，發(fā)起了一個用于將計算機與通信設備、附加部件和外部設備，通過短距離的、低功耗的、低成本的無線信道連接的無線標準的項目的開發(fā)，這個項目稱為藍牙。所謂藍牙，是一種可實現(xiàn)固定設備、移動設備和樓宇個域網(wǎng)之間的短距離數(shù)據(jù)交換（使用2.4～2.485GHz的ISM波段的UHF無線電波）的無線技術標準。IEEE將藍牙技術列為IEEE802.15.1，但如今已不再維持該標準。對于對功耗要求較高且需要和手機、計算機等設備直接交互的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品而言，藍牙的低功耗、短距離通信等特點很好地滿足了其需求，因此，藍牙在物聯(lián)網(wǎng)中得到了廣泛的應用。相較于藍牙4.0，藍牙5.0在傳輸速度及傳輸極限距離上都有了較大的性能提升，另外，在抗干擾方面，藍牙5.0也得到了有效提升，能夠有效地抵御多種電磁干擾。但藍牙同樣有一些缺陷，即無法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，因此，對其的研究還需要進一步深入?？傮w而言，藍牙主要有以下幾個特點。（1）工作頻段全球通用。藍牙的載頻選用全球可用的2.45GHz工業(yè)、科學、醫(yī)學（ISM）頻帶，這使得全球范圍內的用戶均可以對其進行無界限的使用，解決了蜂窩式移動電話的“國界”障礙。藍牙技術可以使擁有藍牙功能的設備很方便、快速地搜索到另一個藍牙技術產(chǎn)品，并與其建立連接，然后可以通過控制軟件在兩個設備間進行數(shù)據(jù)傳輸。（2）兼容性和抗干擾能力強。目前，藍牙技術已經(jīng)能夠發(fā)展成為獨立于操作系統(tǒng)的一門技術，且對各種操作系統(tǒng)都具有良好的兼容性。藍牙技術具有跳頻功能，該功能可以有效地避免ISM頻帶遇到干擾源，大大提高了藍牙技術的抗干擾能力。（3）傳輸距離較短。藍牙技術是一門短距離無線通信技術，因此，傳輸距離短也是藍牙的一個特點?，F(xiàn)階段的藍牙技術的主要工作范圍為10m左右，增大射頻功率后的藍牙技術可以在100m的范圍內進行工作，只有在工作范圍內才能保證藍牙技術的傳輸速度不受影響。而且，藍牙技術的連接過程可以大大減小該技術與其他電子產(chǎn)品之間的干擾，從而保證自己可以正常運行。（4）低功耗。藍牙設備在通信連接的狀態(tài)下，具有激活、呼吸、保持和休眠模式，激活模式時藍牙處于正常工作狀態(tài)，而其他模式則是為了節(jié)能所規(guī)定的低功耗模式。（2）高速WPAN標準介紹WPAN是無線個人局域網(wǎng)通信技術（WirelessPersonalAreaNetworkCommunicationTechnologies）的簡稱，是一種采用無線連接的個人局域網(wǎng)，常被稱為無線個人局域網(wǎng)或無線個域網(wǎng)。WPAN指的是能在便攜式通信設備和電器之間進行短距離特別連接的網(wǎng)絡。定義中的“特別連接”包含兩層含義：一是指設備既能承擔主控功能，又能承擔被控功能；二是指設備具有加入或離開現(xiàn)有網(wǎng)絡的方便性。WPAN關注的是個人的信息和連接需求，包括將數(shù)據(jù)從計算機同步到便攜式設備、便攜式設備之間的數(shù)據(jù)交換，以及為便攜式設備提供Internet連接。相較于無線廣域網(wǎng)（WWAN）、無線城域網(wǎng)（WMAN）、無線局域網(wǎng)（WLAN），無線個域網(wǎng)（WPAN）是一種覆蓋范圍較小的無線網(wǎng)絡。WPAN在網(wǎng)絡構成上位于整個網(wǎng)絡鏈的末端，主要用于實現(xiàn)同一地點終端與終端間的連接，如計算機與藍牙鍵盤的連接。人們通常按照傳輸速率將WPAN分為低速WPAN、高速WPAN及超高速WPAN。IEEE802.15WPAN工作組為了滿足物理層（PHY）數(shù)據(jù)傳輸速率和介質訪問控制層（MAC）服務質量（QualityofService，QoS）的要求，建立了一個IEEE802.15.3高速率WPAN任務組。經(jīng)過授權，該組已經(jīng)創(chuàng)建一個高速率的WPAN標準，提出這個標準的目的是連接下一代便攜式消費者電器和通信設備，支持各種高速率的多媒體應用。高速WPAN主要具有以下幾個特點：能為多媒體業(yè)務提供具有QoS支持的特別連接；可以很方便地加入和離開現(xiàn)有網(wǎng)絡；具有先進的功率管理功能，可節(jié)省電源消耗；通信距離小于10m時的通信效果最優(yōu)，成本、復雜性低；支持高達55Mb/s的高數(shù)據(jù)速率，可傳輸高質量影像和聲音。（3）ZigBee標準介紹ZigBee技術是一種短距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率、低成本的無線通信標準，以IEEE802.15.4無線通信技術為基礎，涉及網(wǎng)絡、安全、應用方面的軟件協(xié)議。ZigBee技術被IEEE確定為低速率無線個人局域網(wǎng)標準，其作為低成本、低功耗、雙向近距離無線通信標準，已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)研究領域的核心支撐技術。ZigBee技術自身所具備的優(yōu)勢與特點，使其與物聯(lián)網(wǎng)領域的開發(fā)、應用完美結合，成為物聯(lián)網(wǎng)的重要支撐技術。（1）工作頻段靈活。已經(jīng)可以使用的頻段有2.4GHz、868MHz（歐洲）及915MHz（美國），都是可以免除執(zhí)照的頻段。（2）速率低。雖然在不同的工作頻段ZigBee的數(shù)據(jù)傳輸速率不同，但是都處在較低的速率上。在868MHz頻段，有一個數(shù)據(jù)傳輸速率為20kb/s的傳輸信道；在915MHz頻段，有10個數(shù)據(jù)傳輸速率為40kb/s的傳輸信道；在2.4GHz頻段，有16個數(shù)據(jù)傳輸速率為250kb/s的傳輸信道。（3）功耗低。ZigBee的時間分為工作期和非工作期。由于ZigBee技術的數(shù)據(jù)傳輸速率較低，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很小，因此在工作時的信號收發(fā)時間短。而在非工作時，ZigBee節(jié)點處于休眠模式。在低功耗的待機模式下，一般ZigBee節(jié)點由兩節(jié)普通5號干電池供電，可使用6個月以上，從而免去了充電或頻繁更換電池的煩瑣。（4）通信范圍有限。ZigBee低功耗的特點決定了設備具有較小的發(fā)射功率，一般兩個ZigBee節(jié)點的有效通信距離為10～75m，基本可以覆蓋普通家庭和辦公室。（5）成本低。由于ZigBee的數(shù)據(jù)傳輸速率較低、協(xié)議簡單，因此其成本較低，而且其協(xié)議不收取專利費。ZigBee降低了其自身對通信控制器的要求，可以采用8位單片機進行控制，從而大大降低了硬件成本。（6）時延短。ZigBee的通信時延和從休眠狀態(tài)到啟動的時延都很短，該特征對時間敏感的信息是至關重要的，此外還可以減小能量消耗。（7）數(shù)據(jù)傳輸可靠。ZigBee采用了載波偵聽/沖突檢測（CSMA/CA）防碰撞機制，給需要帶寬固定的通信業(yè)務預留專用時隙，避免在發(fā)送數(shù)據(jù)時產(chǎn)生沖突與競爭。在MAC層采用了確認數(shù)據(jù)傳輸機制，當傳輸過程中出現(xiàn)問題時可以重新發(fā)送，從而建立可靠的數(shù)據(jù)通信模式。（8）網(wǎng)絡容量大。ZigBee設備有協(xié)調器、路由器和終端三種類型。每個ZigBee網(wǎng)絡最多可支持255個設備，通過網(wǎng)絡協(xié)調器的連接，整個網(wǎng)絡可擴展至64000個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點的規(guī)模，可以滿足大面積無線傳感器網(wǎng)絡的布建需求。（9）組網(wǎng)方式靈活。ZigBee組網(wǎng)方式較為靈活，除了可以組成星形網(wǎng)、簇形網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)等方式，網(wǎng)絡還可以隨節(jié)點設備的加入或退出呈現(xiàn)動態(tài)變化。（10）自配置。在有效的通信范圍內，ZigBee可以通過網(wǎng)關自動建立自己的網(wǎng)絡，其采用的是CSMA/CA的方式接入信道；它的節(jié)點設備可隨時加入或退出，擁有一種自組織的、自配置的組網(wǎng)連接模式。（11）安全模式。ZigBee支持認證與鑒權，并在數(shù)據(jù)傳輸過程中提供了三個等級的安全處理。第一級是無安全模式，例如，在某些應用中安全問題并不重要或上層已經(jīng)給予足夠多的安全保護，設備就可以選擇這種方式來傳輸數(shù)據(jù)。第二級是安全模式，設備通過使用接入控制列表（ACL）來防止非法設備獲取數(shù)據(jù)，這種安全模式不采取加密措施。第三級是安全模式，在數(shù)據(jù)傳輸過程中采用高級加密標準（AES.128）的對稱密碼，AES可以保護數(shù)據(jù)凈荷和防止攻擊者冒充合法的設備。ZigBee技術具有的上述優(yōu)點，使之可以和物聯(lián)網(wǎng)完美地結合在一起，成為物聯(lián)網(wǎng)應用的重要支撐技術。三、歸納總結，隨堂練習，布置作業(yè)（1）對課堂上講解的知識點進行總結，使用學習通的練習題鞏固本節(jié)課的知識點。第3-4課時（近場無線通信技術標準及協(xié)議（2））一、回顧上節(jié)課內容，引出本節(jié)內容（1）對上節(jié)課留的作業(yè)進行答疑（2）回顧上節(jié)課內容，引出本節(jié)課主題在上一節(jié)課中已經(jīng)介紹了近場無線通信技術標準及協(xié)議中的Bluetooth標準、高速WPAN標準和ZigBee標準介紹，本節(jié)課將繼續(xù)介紹WLAN標準和高速WMAN協(xié)議標準以及近場無線通信技術在智慧城市信息資源智能化服務中的應用。二、進行重點知識的講解（1）WLAN標準介紹無線局域網(wǎng)（WirelessLocalAreaNetwork，WLAN）是計算機網(wǎng)絡與無線通信技術相結合的產(chǎn)物，它通過無線通信技術在一定局部范圍內建立網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)傳統(tǒng)有線局域網(wǎng)的功能，使用戶真正實現(xiàn)隨時、隨地、隨意的寬帶網(wǎng)絡接入。典型的WLAN結構如圖2-1-10所示。無線網(wǎng)絡的歷史起源可以追溯到“二戰(zhàn)”時期美國陸軍研究出的一套無線電傳輸技術，該科技加上高強度的加密技術，實現(xiàn)了通過無線電信號進行資料傳輸?shù)墓δ?。這項技術讓許多學者得到了靈感，到1971年，夏威夷大學成功地研究出第一個基于封包式技術的無線電通信網(wǎng)絡ALOHNET，該網(wǎng)絡包括7臺計算機，采用雙向星形拓撲橫跨了4座島嶼，至此，無線網(wǎng)絡正式誕生。此后，經(jīng)過近20年的發(fā)展，IEEE于1990年正式啟用了802.11項目，標志著無線網(wǎng)絡技術逐漸走向成熟，從該項目開展以來，先后有IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g、IEEE802.11e、IEEE802.11f、IEEE802.11h、IEEE802.11i、IEEE802.11j、IEEE802.11n等標準的制定，目前IEEE802.11n已經(jīng)得到普遍應用，IEEE802.11n技術可以給用戶提供高速度、高質量的WLAN服務。2003年，Intel推出了自己旗下第一款帶有WLAN無線網(wǎng)卡芯片模塊的迅馳處理器，盡管當時的無線網(wǎng)絡技術還不很成熟，但該芯片在功耗、性能上都遠優(yōu)于當時的芯片，且Intel對其進行了捆綁銷售，使許多無線網(wǎng)絡服務商看到了商機，從而大大促進了無線網(wǎng)絡技術的發(fā)展。隨著無線通信技術的不斷發(fā)展，WLAN已融入人們的生活，成為人們生活中不可或缺的一部分。（2）高速WMAN協(xié)議標準介紹無線城域網(wǎng)（WMAN）按照IEEE802.16標準在一個城市的部分區(qū)域實現(xiàn)無線網(wǎng)絡覆蓋，由于建筑物之間的位置是固定的，因此WMAN需要在建筑物上建立基站，基站之間采用全雙工、寬帶通信方式工作?；贗EEE802.16標準的WPAN結構示意圖如圖2-1-15所示。WMAN的覆蓋范圍為幾千米到幾十千米，能提供語音、數(shù)據(jù)、圖像、多媒體、IP等多業(yè)務的接入服務，且可以提供支持QoS的能力和具有一定范圍移動性的共享接入能力。IEEE802.16工作組于1999年成立，成立該工作組的目的是開發(fā)寬帶無線標準，以滿足快速發(fā)展的寬帶無線接入技術的需求。2002年4月，該工作組公布了一個10～66GHz的IEEE802.16標準。IEEE802.16是當前無線通信領域的前沿技術，是高速連接“最后一公里”的廉價方法，它提供了用戶與核心網(wǎng)絡之間的連接方式。IEEE802.16工作組又分為三個小工作組：IEEE802.16.1、IEEE802.16.2及IEEE802.16.3。這三個小工作組各自負責IEEE802.16標準開發(fā)的不同方面：IEEE802.16.1負責制定頻率為10～60GHz的無線接口標準；IEEE802.16.2負責制定寬帶無線接入系統(tǒng)共存方面的標準；IEEE802.16.3負責制定頻率在2GHz到10GHz之間獲得頻率使用許可的應用的無線接口標準。11GHz以下范圍的非視距特性較理想，樹木與建筑物等對信號傳輸?shù)挠绊戄^小，這使得基站的建設不需要架設高大的信號傳輸塔，只需在建筑物頂部直接安裝即可，且2～11GHz的系統(tǒng)基本可以滿足大多數(shù)寬帶無線接入需求，因而更適用于“最后一公里”接入領域。為此，IEEE802.16工作組于2003年1月推出了運行于2～11GHz的擴展版本標準—IEEE802.16a，該標準適用于特許頻段和2.4GHz、5.8GHz等無須許可的頻段。2004年，IEEE802.16工作組在原有協(xié)議的基礎上進行了補充和完善，提出了IEEE802.16d，該標準是一個相對成熟的標準，工作在10～66GHz和小于11GHz的頻率范圍，可以支持2～11GHz非視距傳輸和10～66GHz視距傳輸，但不支持移動環(huán)境，又稱為固定WiMax。2005年，IEEE802.16e作為IEEE802.16d的增強版本被提出，該標準定義了同時支持固定和移動性寬帶無線接入系統(tǒng)的空中接口，適用于6GHz以下的許可頻道。協(xié)議棧中，物理層位于底層，由傳輸匯聚子層（TCL）和物理媒介依賴子層（PMD）組成，主要涉及頻率帶寬、調制方式、糾錯技術及收發(fā)信機之間的同步、數(shù)據(jù)傳輸速率和時分復用結構等方面，支持時分雙工（TDD）和頻分雙工（FDD）方式。時分雙工是指上下行傳輸占用不同的時段，頻分雙工則指上下行傳輸占用不同的頻率。MAC層由特定服務匯聚子層、MAC公共部分子層及安全子層組成。特定服務匯聚子層的功能為將服務接入點（SAP）接收到的外部網(wǎng)絡數(shù)據(jù)映射到MAC服務數(shù)據(jù)單元（SDU），并通過MACSAP傳輸給MAC公共部分子層，不同類型的匯聚子層可以為高層提供不同的接口；MAC公共部分子層主要提供包括系統(tǒng)接入、帶寬分配、連接建立及連接維護在內的MAC層核心功能；安全子層主要用于提供鑒權、密鑰交換和加密功能。（3）近場無線通信技術在智慧城市信息資源智能化服務中的應用智慧城市的建設模式主要有3種：以物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)為驅動的建設模式、以信息基礎設施建設為先導的建設模式、以社會應用為突破口的建設模式。其中，以物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)為驅動的建設模式日益成為關鍵的模式，而近場無線通信技術作為物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術之一，在智慧城市信息資源智能化服務中也得到了廣泛應用。藍牙技術主要應用于各種設備的統(tǒng)一調度。（1）家庭應用。隨著科學技術的不斷發(fā)展，家庭中的電子化產(chǎn)品日益增多，使用藍牙可以便于住戶進行統(tǒng)一管理。藍牙技術所使用的頻段是開放的頻段，這就使得任何用戶都可以方便地應用藍牙技術，而無須對頻道的使用進行付費及其他處理。通過設置密碼，用戶可以使自家住宅的藍牙私有化。在家中擁有數(shù)臺計算機后，藍牙的存在使用戶只使用一部手機就可以對任意一臺計算機進行操控。而其他家電（如冰箱、空調等）也可依據(jù)類似原理，通過藍牙進行控制。（2）辦公應用。在辦公室中，一個強大的“藍牙網(wǎng)絡”可以將辦公信息及時更新，將各類文件高速推送。辦公室中的各種內部交流也可以通過這個“藍牙網(wǎng)絡”進行。計算機、手機、打印機等設備均可通過藍牙交流。蜘蛛網(wǎng)式的會議室也將被淘汰，白板記錄儀、攝影機等都可以利用藍牙來簡化操作。（3）公共場所。在現(xiàn)今的公共場所中，Wi-Fi變得更加普及，而在應用藍牙后，設置藍牙基站的企業(yè)可以通過藍牙技術向覆蓋范圍內的所有終端傳送企業(yè)廣告。例如，餐廳可以通過藍牙技術將顧客的點單同步到傳送臺和后廚，可以大大節(jié)約人力和時間成本。除為家庭、辦公區(qū)域、公共區(qū)域提供網(wǎng)絡外，Wi-Fi技術也時常被應用于定位系統(tǒng)。（1）醫(yī)院資產(chǎn)和人員安全管理。國外醫(yī)院正迅速采用基于無線局域網(wǎng)的RFID實時定位系統(tǒng)，國內醫(yī)院也非常關注這一新動向。在醫(yī)院或醫(yī)療機構的動態(tài)工作環(huán)境中，對資產(chǎn)和人員的低可見度往往導致時間與資源的嚴重浪費，甚至造成無法彌補的后果?；赪i-Fi的RFID實時定位系統(tǒng)能夠實時地跟蹤病人、職員和醫(yī)療設備，監(jiān)視有價值資產(chǎn)的區(qū)域安全和環(huán)境條件。醫(yī)療保健機構采用基于Wi-Fi的RFID實時定位系統(tǒng)能獲得非常大的收益。（2）物流配送管理。物流行業(yè)一直是實時定位技術的典型應用領域，隨著物流業(yè)的快速發(fā)展，無線物流將會成為未來物流發(fā)展的趨勢。物流分配中心每天會有大量的托盤、拖車進出，需要花費大量的人力、物力去管理這些不斷移動的資產(chǎn)，而且人工的操作容易導致很多錯誤。采用了基于Wi-Fi的RFID實時定位系統(tǒng)后，這些托盤和拖車的位置會隨時被自動記錄下來，只要在系統(tǒng)的電子地圖上搜索，就可以立即找到它們。一旦發(fā)生錯誤放置，系統(tǒng)就會立即報警。（3）涉密資產(chǎn)和人員定位管理。在學校、公園等基于人員安全或其他特殊目的的環(huán)境中，往往需要隨時了解人員所在的位置、行蹤和人員狀況。另外，針對貴重資產(chǎn)和涉密資產(chǎn)，往往需要提供實時的監(jiān)護和看管，基于Wi-Fi的RFID實時定位系統(tǒng)可以很好地應用在這些定位管理上，可以加強資產(chǎn)和人員安全管理。（1）高校智能照明系統(tǒng)。傳統(tǒng)的高校照明系統(tǒng)存在教室、圖書館、實驗室無人亮燈、人少亮燈，以及樓道、廁所、路燈通夜亮燈等情況。針對上述情況，部分高校將ZigBee技術應用到高校照明系統(tǒng)中，將ZigBee協(xié)議作為理論依據(jù)，設計高校路燈照明系統(tǒng)。整個系統(tǒng)基于網(wǎng)狀拓撲結構體系，其中硬件采用CC2530芯片，軟件采用Z-Stack協(xié)議棧，通過路由器向節(jié)點上的終端設備發(fā)送信號，終端設備收到信號后進行反饋，進而完成對照明設備的控制。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對高校路燈及教學樓、圖書館等樓宇照明的有效控制，達到了節(jié)能的目的。（2）智能家居?；赯igBee技術的智能家居應用，可把ZigBee模塊嵌入智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的各傳感器設備中，實現(xiàn)近距離無線組網(wǎng)與數(shù)據(jù)傳輸。由用戶PC或手機、網(wǎng)關、光線傳感器、溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器、甲醛傳感器、灰塵傳感器等設備組成完整系統(tǒng)，實現(xiàn)智慧門禁、智慧家電、智慧安防等，可以提供完整且實時的家庭環(huán)境報告，給人們帶來更健康的生活。（3）醫(yī)療檢測應用。生命體征檢測設備由加速度計，陀螺儀，溫度、皮電、血壓等傳感器組成。實時監(jiān)測和采集心率、呼吸、血壓、心電、核心體溫、位移等多種身體特征參數(shù)。生命體征檢測設備內置ZigBee模塊，可實時記錄病人數(shù)據(jù)，最終無線傳輸?shù)浇K端或工作站實現(xiàn)遠程監(jiān)控。且救護車在去往醫(yī)院的途中，可以使用該技術提供實時的病人信息，同時可以實現(xiàn)遠程診斷與初級的看護，從而大幅縮短救援的響應時間，為病人的進一步搶救贏得寶貴的時間。三、歸納總結，隨堂練習，布置作業(yè)（1）對課堂上講解的知識點進行總結，使用學習通中的隨堂練習題鞏固本節(jié)課的知識點。第5-6課時（物聯(lián)網(wǎng)體系架構和互操作性）一、回顧上節(jié)課內容，引出本節(jié)內容（1）對上節(jié)課留的作業(yè)進行答疑（2）回顧上節(jié)課內容，引出本節(jié)課主題在上兩節(jié)課中已經(jīng)介紹了物聯(lián)網(wǎng)體系標準與協(xié)議架構，本節(jié)課將講解物聯(lián)網(wǎng)體系架構和互操作性。體系架構可以精確地定義系統(tǒng)的各組成部件及其之間的關系，指導開發(fā)人員遵循一致的原則實現(xiàn)系統(tǒng)，保證最終建立的系統(tǒng)符合預期的設想。由此可見，體系架構的研究與設計關系到整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展。從技術架構上來看，物聯(lián)網(wǎng)可分為三層：感知層、網(wǎng)絡層和應用層。感知層主要包括傳感技術、射頻技術、組網(wǎng)技術、短距離傳輸技術等；網(wǎng)絡層主要包括各類網(wǎng)絡；應用層則包括各種服務支撐技術及各類應用。二、進行重點知識的講解（1）感知層感知層由各種傳感器、執(zhí)行器、短距離無線通信節(jié)點、數(shù)據(jù)網(wǎng)關等構成，包括：傳感器、二維碼掃描儀、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、GPS等感知終端；步進電機、直流電機、繼電器、電磁閥等執(zhí)行器；ZigBee、Wi-Fi、IPv6、藍牙等短距離無線通信節(jié)點及數(shù)據(jù)網(wǎng)關等感知層相當于人的眼耳鼻喉和皮膚等感知系統(tǒng)，它是物聯(lián)網(wǎng)識別物體、采集信息的手段，其主要功能是識別物體、采集信息、數(shù)據(jù)匯聚等。電子產(chǎn)品編碼（ElectronicProductCode，EPC）是一種對EAN·UCC（全球統(tǒng)一標識系統(tǒng)）的條形編碼進行擴充后形成的編碼系統(tǒng)，是一個完整的、復雜的、綜合的系統(tǒng)。建立這個系統(tǒng)的目的是為每一件單品建立全球的、開放的標識標準，實現(xiàn)全球范圍內對單件產(chǎn)品的跟蹤與追溯，從而有效提高供應鏈管理水平、降低物流成本。RFID（RadioFrequencyIdentification）即射頻識別技術，俗稱電子標簽，通過射頻信號自動識別目標對象，并對其信息進行標志、登記、存儲和管理。RFID系統(tǒng)主要由三部分組成。①電子標簽：由芯片和標簽天線或線圈組成，通過電感耦合或電磁反射原理與讀寫器進行通信。每個電子標簽內部都存儲著唯一的識別碼（ID）。這個識別碼不能修改，也不能進行造假，在使用中保證了產(chǎn)品信息的安全性和可靠性。當電子標簽附著在物體上時，電子標簽上的識別號就與物體建立了一一對應的關系。②讀寫器：由天線、耦合元件、芯片組成，用于讀?。ㄔ谧x寫卡中還可以寫入）標簽信息的設備。③天線：可以內置在讀寫器中，也可以通過同軸電纜與讀寫器的天線接口相連。用于在標簽和讀寫器間傳輸射頻信號，即標簽的數(shù)據(jù)信息。傳感器技術是物聯(lián)網(wǎng)的基礎技術之一，也是物聯(lián)網(wǎng)感知層中至關重要的技術。傳感器技術的出現(xiàn)早于物聯(lián)網(wǎng)技術，物聯(lián)網(wǎng)技術的出現(xiàn)對傳感器技術提出了更高的要求，促進了傳感器技術的發(fā)展。作為物聯(lián)網(wǎng)的基礎單元，傳感器在物聯(lián)網(wǎng)的信息感知與采集層面，是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)特性優(yōu)良與否的關鍵。傳感器是指能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用信號的器件或裝置。傳感器是各種信息處理系統(tǒng)獲取信息的重要途徑。在以傳感網(wǎng)為核心的物聯(lián)網(wǎng)中，傳感器的作用尤為突出，是物聯(lián)網(wǎng)中獲得信息的主要設備和構成感知層的基本硬件基礎。作為物聯(lián)網(wǎng)中的信息采集設備，傳感器利用各種機制把被測量轉換為一定形式的電信號，然后由相應的信號處理裝置來處理，并產(chǎn)生相應的動作。常見的傳感器包括溫度傳感器、壓力傳感器、濕度傳感器、光傳感器、霍爾（磁性）傳感器等。傳感器一般由敏感元件、轉換元件、變換電路和輔助電源這4部分組成。無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）是由大量傳感器節(jié)點通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，它能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集量化、處理融合和傳輸應用，具有快速展開、抗毀性強等特點，是物聯(lián)網(wǎng)概念中很重要的內容。WSN作為物聯(lián)網(wǎng)前端技術，是一種全新的信息獲取平臺，是普適計算和未來感知系統(tǒng)的重要技術基礎、物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分和關鍵技術基礎。美國《商業(yè)周刊》和《麻省理工科技評論》在預測未來技術發(fā)展的報告中，分別將無線傳感器網(wǎng)絡技術列為21世紀最有影響的21項技術和改變世界的10大技術之一。（2）網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層由各種私有網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)服務器等組成，相當于人的神經(jīng)中樞和大腦，負責傳輸與處理感知層獲取的信息。經(jīng)過幾十年的快速發(fā)展，移動通信、互聯(lián)網(wǎng)等技術已比較成熟，基本能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?。M2M（Machine-to-Machine）即機器對機器，是一種在系統(tǒng)之間、遠程設備之間、機器與人之間建立無線連接，使設備數(shù)據(jù)可以實時傳輸?shù)募夹g，其目標是使所有機器都具備聯(lián)網(wǎng)和通信能力，核心理念就是網(wǎng)絡一切（NetworkEverything）。M2M綜合了數(shù)據(jù)采集、遠程監(jiān)控、通信、信息處理等技術，實現(xiàn)了人與機器、機器與機器之間暢通無阻、隨時隨地的通信。M2M技術是首先在物聯(lián)網(wǎng)中得到廣泛應用的技術，對于物聯(lián)網(wǎng)而言，M2M是一個點，或者說是一條線，只有當其規(guī)?；⑵占盎?，且各個M2M系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡實現(xiàn)智能的融合和通信時，才能形成物聯(lián)網(wǎng)。M2M的發(fā)展將極大地推進物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展，并徹底改變整個社會的工作和生活方式，提高生產(chǎn)能力及工作效率，使人們的生活更輕松、更便利、更和諧。未來的物聯(lián)網(wǎng)將由無數(shù)個M2M系統(tǒng)組成，它們通過中央處理單元協(xié)同運作，負責自己的功能處理，最終組成智能化的社會系統(tǒng)。LR-WPAN是為短距離、低速率、低功耗無線通信而設計的網(wǎng)絡，它是由IEEE802.15.4定義的一種低速無線個域網(wǎng)協(xié)議。IEEE802.15.4的設備密度很大，迫切需要實現(xiàn)網(wǎng)絡化，且為了滿足不同設備制造商的設備間的互聯(lián)和互操作性，需要制定統(tǒng)一的網(wǎng)絡層標準，但是該標準只規(guī)定了物理層（PHY）和介質訪問控制（MAC）層標準，而沒有涉及網(wǎng)絡層以上的規(guī)范，這使得其網(wǎng)絡化尤為困難。而IPv6具有規(guī)?？涨暗牡刂房臻g及開放性，使得人們開始研究IPv6技術與LR-WPAN技術相結合的技術，以期解決IEEE802.15.4面臨的問題，6LoWPAN應運而生。6LoWPAN（IPv6overLowPowerWirelessPersonalAreaNetwork）是由互聯(lián)網(wǎng)工程任務組（IETF）定義的一種基于IPv6的低速無線個域網(wǎng)標準，即IPv6overIEEE802.15.4。研究該技術的目的是將IPv6引入以IEEE802.15.4為底層標準的無線個域網(wǎng)。該技術的出現(xiàn)解決了窄帶寬無線網(wǎng)絡中的低功耗、有限處理能力的嵌入式設備使用IPv6的困難，實現(xiàn)了短距離通信到IPv6的接入，推動了短距離、低速率、低功耗的無線個人區(qū)域網(wǎng)絡的發(fā)展。TD-SCDMA（TimeDivision-SynchronousCodeDivisionMultipleAccess，時分同步碼分多址）是以我國知識產(chǎn)權為主的、被國際上廣泛接受和認可的第三代移動通信（簡稱3G）標準，也是被國際電信聯(lián)盟批準的三個3G標準之一。TD-SCDMA的優(yōu)勢主要在其頻譜利用率、頻譜靈活性及成本上，且其采用時分雙工的方式，使上行和下行的特性幾乎相同，因此，將其應用于物聯(lián)網(wǎng)的承載網(wǎng)技術中，能大大推動物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。在物聯(lián)網(wǎng)的承載平臺中應用TD-SCDMA標準將充分發(fā)揮其優(yōu)勢，且可以推動物聯(lián)網(wǎng)技術在工業(yè)控制、農業(yè)種植和醫(yī)療環(huán)保等行業(yè)的發(fā)展。光導纖維通信簡稱光纖通信，是一種利用光導纖維傳輸信號，從而實現(xiàn)信息傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。在實際應用中，光纖通信系統(tǒng)使用的是由許多光纖聚集在一起而形成的光纜，而不是單根的光纖。采用光纖傳導信號，使光纖通信系統(tǒng)具有很多別的通信系統(tǒng)沒有的優(yōu)勢，主要有以下6點：（1）頻帶寬，通信容量大；（2）傳輸損耗低；（3）抗電磁干擾；（4）保密性強，使用安全；（5）體積小、質量輕，便于鋪設；（6）材料資源豐富。這些優(yōu)點非常符合物聯(lián)網(wǎng)技術中對海量數(shù)據(jù)的傳輸與承載的要求，因此將該技術使用在物聯(lián)網(wǎng)中，將大大加快物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展進程。（3）應用層應用層可以分為兩個子層：一個是云應用層，進行數(shù)據(jù)挖掘、存儲、計算和處理；另一個是終端人機世界，主要負責信息的顯示。物聯(lián)網(wǎng)的應用層覆蓋自然界的方方面面，如工業(yè)、農業(yè)、物流、醫(yī)療等國民經(jīng)濟和社會領域。應用層的主要支撐技術為服務與管理技術、云計算和霧計算技術。云計算的特征如下：①超大規(guī)模?！霸啤彼鶕碛械某瑥姷倪\算、存儲和信息服務功能來自其超大規(guī)模的服務器集群。②彈性服務。云計算提供的服務規(guī)模能夠快速伸縮，這使得云計算能夠快速調整用戶使用的資源，使其與用戶業(yè)務需求相一致，避免了服務器性能過載或冗余而導致的服務質量下降或資源浪費。③資源池化。通過共享資源池的方式對資源進行