《信息技術》課件-拓展模塊1：物聯(lián)網(wǎng)技術

拓展模塊1：物聯(lián)網(wǎng)技術目

錄初識物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)的體系結構物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術物聯(lián)網(wǎng)的應用2能力目標能識別現(xiàn)實中的物聯(lián)網(wǎng)應用能識別物聯(lián)網(wǎng)應用中的相關技術能構建物聯(lián)網(wǎng)在行業(yè)中的應用思路學習目標3知識目標了解物聯(lián)網(wǎng)的概念和應用掌握物聯(lián)網(wǎng)的基本特征和層次劃分了解物聯(lián)網(wǎng)感知層、網(wǎng)絡層、應用層涉及的相關技術目標分析4教學重點教學難點物聯(lián)網(wǎng)的概念物聯(lián)網(wǎng)的層次劃分物聯(lián)網(wǎng)的相關技術物聯(lián)網(wǎng)的層次劃分物聯(lián)網(wǎng)在行業(yè)中的運用拓展模塊1：物聯(lián)網(wǎng)技術初識物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)的概念6物聯(lián)網(wǎng)（InternetofThings，IOT）是指利用產(chǎn)品電子代碼、射頻識別、紅外感應、激光掃描、定位系統(tǒng)等感知技術獲取物體信息，借助有線或無線通信方式將任何物體連接組網(wǎng)，使用約定的協(xié)議進行信息交換和通信，從而實現(xiàn)在任何時候、任何地點對任何物品進行智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。物聯(lián)網(wǎng)的概念7物聯(lián)網(wǎng)中“物”的特征物聯(lián)網(wǎng)的起源和發(fā)展81993年“特洛伊”咖啡壺1997年KevinAshton提出“物聯(lián)網(wǎng)”概念2009年提出“智慧地球”“感知中國”2012年全球第一個物聯(lián)網(wǎng)總體性標準獲國際電信聯(lián)盟通過2018年中央經(jīng)濟工作會議上提出“新基建”未來AI+IOT構成AIoT拓展模塊1：物聯(lián)網(wǎng)技術物聯(lián)網(wǎng)的體系結構物聯(lián)網(wǎng)的基本特征10全面

感知隨時隨地對物體進行信息采集和獲取可靠

傳輸無障礙、高可靠性、高安全性地進行數(shù)據(jù)傳送智能

處理對海量數(shù)據(jù)和信息進行處理分析、對物體實施智能化的控制物聯(lián)網(wǎng)的層次劃分11感知層：解決人類世界和物理世界的數(shù)據(jù)獲取問題，能實現(xiàn)上報數(shù)據(jù)，也能接受網(wǎng)絡層的控制指令對執(zhí)行設備進行控制，根據(jù)需要可進行短距離組網(wǎng)通信和簡單數(shù)據(jù)處理。網(wǎng)絡層：通過各種組網(wǎng)、傳輸手段，實現(xiàn)異構互聯(lián)，以“網(wǎng)中網(wǎng)”形態(tài)，搭建起感知層與應用層間的信息通道。應用層：實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的有效處理和利用，由物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務服務平臺（包括中間件）和應用子集層組成。拓展模塊1：物聯(lián)網(wǎng)技術物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術——感知層技術條碼技術13由反射率不同的“條”、“空”按照一定的編碼規(guī)則組合起來的一種信息符號，可通過圖象輸入設備或光電掃描設備自動識讀以實現(xiàn)信息自動處理。由于條碼符號中“條”、“空”對光線具有不同的反射率，從而使條碼掃描器接受到強弱不同的反射光信號，條形碼掃描器利用光電元件將檢測到的光信號轉換成電信號，再將電信號通過模擬數(shù)字轉換器轉化為數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C中處理。特點：數(shù)據(jù)輸入可靠準確、數(shù)據(jù)輸入速度快、經(jīng)濟便宜、設備簡單。類型：一維碼、二維碼。條碼技術14（1）一維碼一維條碼的條和空按照單一方向進行排列，有100多種編碼模式，常用的包括EAN碼、UPC碼、39碼、交叉25碼、128碼、93碼及Codabar庫德巴碼等，有其各自適應的應用領域。優(yōu)缺點：一維條形碼制作簡單，編碼碼制較容易，但幾乎不可能表示漢字和圖像信息。條碼技術15（2）二維碼用特定的幾何圖形按一定規(guī)律在二維平面上分布的、色彩相間的、記錄數(shù)據(jù)符號信息的圖形。常見的有QRCode、PDF417、Code49、Code16K、CodeOne等。優(yōu)缺點：可實現(xiàn)高密度編碼，信息容量大，可以表示圖片、聲音、文字、簽字、指紋等信息；具有糾錯功能，局部穿孔、污損時照樣可以正確得到識讀；可引入加密措施，保密性、防偽性好。二維碼識讀設備成本較高。射頻識別技術16射頻識別技術（RFID）通過無線射頻方式進行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，利用無線射頻方式對記錄媒體（電子標簽或射頻卡）進行讀寫，從而達到識別目標和數(shù)據(jù)交換的目的。系統(tǒng)構成：電子標簽、讀寫器和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。射頻識別技術17RFID電子標簽射頻識別技術18供電方式有源主動式半主動式無源被動式工作

頻率低頻電子標簽高頻電子標簽超高頻電子標簽微波電子標簽電子標簽（RFID系統(tǒng)）分類傳感器技術19傳感器是指能感受規(guī)定的被測量（比如氣體、光線、溫濕度等），并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。其是物聯(lián)網(wǎng)感知層獲取信息的重要手段。傳感器的組成結構核心（必有）部分按能源需要與否有源傳感器無源傳感器按輸出信號類型模擬傳感器準數(shù)字傳感器數(shù)字傳感器按工作方式偏轉型傳感器零示型傳感器按被測對象溫度濕度壓力……按敏感（工作）原理熱電式光電式磁電式……傳感器技術20傳感器的分類定位技術21室外定位衛(wèi)星定位技術基站定位技術室內(nèi)定位射頻識別定位WIFI定位超寬帶定位超聲波定位ZigBee定位藍牙定位定位技術22（1）衛(wèi)星定位技術測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機的具體位置。組成部分：空間部分：由在軌運行導航衛(wèi)星構成，衛(wèi)星連續(xù)發(fā)送帶有時間和自身位置信息的無線電信號，供接收機接收。地面部分：獲取衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，計算出衛(wèi)星的軌道和時鐘參數(shù)，把導航數(shù)據(jù)及指令注入到衛(wèi)星。用戶部分：即接收機，其不向衛(wèi)星發(fā)送任何信息，只是被動的接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，利用多顆導航衛(wèi)星發(fā)送來的信息計算用戶當前的三維位置及時間等。定位技術23（1）衛(wèi)星定位技術衛(wèi)星定位原理定位技術24（1）衛(wèi)星定位技術中國“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)定位技術25（1）衛(wèi)星定位技術全球四大衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)中國“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS）歐洲“伽利略”衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GALILEO）美國全球定位系統(tǒng)（GPS）俄羅斯“格洛納斯”衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GLONASS）全球覆蓋區(qū)域覆蓋定位技術26（2）室內(nèi)定位技術為滿足室內(nèi)精確位需求，發(fā)展出了射頻識別定位、WIFI定位、超寬帶定位、超聲波定位、ZigBee定位、藍牙定位等技術。這些技術實現(xiàn)定位的基本原理類似，即根據(jù)移動終端設備與多個固定檢測設備間通信信號強度（或信號傳輸時間差）推算二者之間距離，再通過三角定位計算獲得移動終端設備在室內(nèi)的具體位置。室內(nèi)定位射頻識別定位WIFI定位超寬帶定位超聲波定位ZigBee定位藍牙定位精度高范圍小造價低精度中范圍中造價低精度高范圍廣造價高精度高范圍低造價低精度中范圍廣造價中精度低范圍中造價低短距離傳輸技術27很多物聯(lián)網(wǎng)應用場景是將物聯(lián)網(wǎng)設備部署在小范圍中，各物聯(lián)網(wǎng)設備采集的數(shù)據(jù)往往需要先匯聚到一個網(wǎng)關設備，再由網(wǎng)關設備將其傳遞給網(wǎng)絡層進行更廣闊范圍的傳輸。為使數(shù)據(jù)在物聯(lián)網(wǎng)設備和網(wǎng)關間進行傳遞，會用到短距離傳輸技術。短距離傳輸技術28短距離傳輸現(xiàn)場總線

（有線傳輸）RS485總線CAN總線短距離無線通信無線局域網(wǎng)

WLAN藍牙

BluetoothZigBee紅外通信

IrDA超寬帶

UWB結構簡單、通信可靠傳輸速度快布線工程量大通信易受干擾傳輸速度一般較低布線工程量小拓展模塊1：物聯(lián)網(wǎng)技術物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術——網(wǎng)絡層技術互聯(lián)網(wǎng)技術30互聯(lián)網(wǎng)（Internet）又稱因特網(wǎng)、英特網(wǎng)等，是網(wǎng)絡和網(wǎng)絡之間串聯(lián)而成的龐大網(wǎng)絡。這些網(wǎng)絡以一組通用的協(xié)議相連，形成邏輯上的單一且巨大的全球化網(wǎng)絡，在這個網(wǎng)絡中有交換機、路由器等網(wǎng)絡設備、各種不同的連接鏈路、種類繁多的服務器和數(shù)不盡的計算機、終端，是信息社會的基礎。物聯(lián)網(wǎng)就是在繼承互聯(lián)網(wǎng)技術的基礎上發(fā)展起來的。移動通信網(wǎng)絡技術31移動通信（Mobilecommunication）是移動體之間，或移動體與固定體之間的通信，目前主要是指由運營商提供的手機通信網(wǎng)絡，能夠實現(xiàn)大范圍、大容量的通信功能。移動通信技術經(jīng)過四代技術（1G到4G）的發(fā)展，當前已邁入第五代發(fā)展的時代（5G）。5G技術將運用到物聯(lián)網(wǎng)中大部分的場景，包括無人駕駛、VR技術、智能化城市建設等。低功耗廣域網(wǎng)技術32低功耗廣域網(wǎng)（Low-PowerWide-AreaNetwork，LPWAN）支持物聯(lián)網(wǎng)設備之間3-20公里范圍內(nèi)的通信，使用LPWAN，物聯(lián)網(wǎng)設備可以在不通信時自動進入睡眠模式以降低功耗（可以使用5-10年不更換電池），NB-IoT與LoRa是其中的典型代表。NB-IoT：基于電信運營商的網(wǎng)絡，工作在授權頻段下，是我國目前主要推行的技術手段。LoRa：需自行設置LoRa網(wǎng)關以便組建網(wǎng)絡，工作在非授權頻段，相對更容易受到干擾。泛在網(wǎng)絡33“泛在網(wǎng)”即廣泛存在的網(wǎng)絡，它以無所不在、無所不包、無所不能為基本特征，以實現(xiàn)在任何時間、任何地點、任何人、任何物都能順暢地通信為目標。拓展模塊1：物聯(lián)網(wǎng)技術物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術——應用層技術M2M業(yè)務35M2M是machine-to-machine的簡稱，即“機器對機器”的縮寫，也有人理解為人對機器(man-to-machine)、機器對人(machine-to-man)等，旨在通過通信技術來實現(xiàn)人、機器和系統(tǒng)三者之問的智能化、交互式無縫連接。M2M則聚焦在無線通信網(wǎng)絡應用上，是物聯(lián)網(wǎng)應用的一種主要方式。M2M不是簡單的數(shù)據(jù)在機器和機器之間的傳輸，它是機器和機器之間的一種智能化、交互式的通信。也就是說，即使人們沒有實時發(fā)出信號，機器也會根據(jù)既定程序主動進行通信，并根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)智能化地做出選擇，對相關設備發(fā)出正確的指令。物聯(lián)網(wǎng)中間件36物聯(lián)網(wǎng)的中間件是一種軟件產(chǎn)品，有兩種模式：（1）介于操作系統(tǒng)與應用軟件之間管理計算機資源和網(wǎng)絡通訊，將操作系統(tǒng)與應用軟件連接起來，實現(xiàn)信息傳遞和交互。（2）介于硬件和應用軟件中間管理集成硬件設備，將硬件數(shù)據(jù)信息集成并上傳給應用軟件，實現(xiàn)溝通交互。數(shù)據(jù)挖掘37所謂數(shù)據(jù)挖掘是指從數(shù)據(jù)庫的大量數(shù)據(jù)中揭示出隱含的、先前未知的并有潛在價值的信息的過程。物聯(lián)網(wǎng)可以將自身產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)直接上傳至服務器，最大限度的保障了終端信息記錄的完整性和可追溯性，并使得基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進行的定向挖掘與利用成為了可能，可在生產(chǎn)生活領域中轉化成有效的生產(chǎn)力，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的經(jīng)濟價值。例如：基于物聯(lián)網(wǎng)的智能垃圾桶能上傳垃圾容量信息，一個商業(yè)區(qū)的眾多垃圾桶能提供大量簡單的容量數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)挖掘可以根據(jù)數(shù)據(jù)變化情況分析出商業(yè)區(qū)各區(qū)域分時段的人流量等更為有價值的信息。云計算38云計算出現(xiàn)的初衷是解決特定大規(guī)模數(shù)據(jù)處理問題，云計算包括以下幾個層次的服務：基礎設施即服務（IaaS），平臺即服務（PaaS）和軟件即服務（SaaS）。云計算為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展帶來的一種新型計算和服務模式，物聯(lián)網(wǎng)應用會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，對運算處理和存儲能力有很高的要求，云計算提供的服務能有效實現(xiàn)資源共用程度和降低業(yè)務成本，被業(yè)界認為是支撐物聯(lián)網(wǎng)“后端”的最佳選擇。目前很多物聯(lián)網(wǎng)的服務器部署在云端，通過云計算提供應用層的各項服務。39在你專業(yè)對應的行業(yè)領域內(nèi)，有哪些工作、流程或應用可借助物聯(lián)網(wǎng)技術加以提升改造？提出大概的改造思路。思考與討論分組討論——匯總小組結果——點評物聯(lián)網(wǎng)的應用401.智能建筑：以人、建筑、環(huán)境互為協(xié)調(diào)的整合體，為人們提供安全、高效、便利及可持續(xù)發(fā)展功能環(huán)境的建筑，提升人們居住品質、實時處理險情、管理并節(jié)約能耗等。拓展模塊1：物聯(lián)網(wǎng)技術物聯(lián)網(wǎng)的應用物聯(lián)網(wǎng)的應用421.智能建筑：以人、建筑、環(huán)境互為協(xié)調(diào)的整合體，為人們提供安全、高效、便利及可持續(xù)發(fā)展功能環(huán)境的建筑，提升人們居住品質、實時處理險情、管理并節(jié)約能耗等。物聯(lián)網(wǎng)的應用432.智能工業(yè)：物理設備、計算機網(wǎng)絡、人腦智慧相互融合、三位一體的新型工業(yè)體系，實現(xiàn)生產(chǎn)過程控制、生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測、制造供應鏈跟蹤、產(chǎn)品全生命周期監(jiān)測等，提高制造效率，提高產(chǎn)品質量，降低產(chǎn)品成本和資源消耗。物聯(lián)網(wǎng)的應用443.智能農(nóng)業(yè)：在相對可控的環(huán)境條件下，采用工業(yè)化、自動化的現(xiàn)代超前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，對農(nóng)產(chǎn)品生長環(huán)境進行檢測和調(diào)整、對農(nóng)產(chǎn)品全周期信息監(jiān)測和記錄以便有效追蹤和溯源，實現(xiàn)集約、高效、可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。物聯(lián)網(wǎng)的應用454.智能電網(wǎng)：建立在集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡的基礎上，以電網(wǎng)設備間的信息交互為手段，通過先進的傳感和測量技術、先進的設備技術、先進的控制方法及先進的決策支持系統(tǒng)