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《物联网应用技术》教学教案.pdf
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教学
目标
教学
重点
教学
难点
教学
手段
教学
学时
知识目标:物联网的起源、发展现状和趋势,世界各国的物联网战略,物联网的发展现状和趋势。
能力目标:对互联网技术有一个基本的认识和了解。
素质目标:具备跟踪专业技术发展、探求和更新知识的自学能力和良好的团队协作能力。
物联网的应用
物联网的发展趋势
实物演示;教学板书;录像插件;电子课件。
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教 学 内 容 与 教 学 过 程 设 计 注 释
学习单元一 物联网概述
一、物联网的起源
最早实践:1990 年施乐公司的网络可乐贩售机——Networked Coke Machine。
1995 年,比尔·盖茨在其著作《未来之路》中提及物物互联的概念。
1999 年, Auto ID 中心的 Ashton 教授提出物联网这个概念,并提出了结合物品编码、
射频识别(RFID)技术和互联网技术的解决方案。
2003 年,美国《技术评论》提出传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首。
2005 年 11 月 17 日,国际电信联盟(ITU)发布的《ITU 互联网报告 2005:物联网》引
用了物联网的概念。
2008 年后,各国政府开始重视下一代的技术规划,将目光放在了物联网上。
2009 年 1 月 28 日,美国将新能源和物联网列为振兴经济的两大重点。
2009 年,欧盟委员会发表题为《欧盟物联网行动计划》的物联网行动方案。
二、物联网的定义
物联网是将与人类活动相关的事物赋予感知或被感知的能力,通过信息的采集处理、组
网传输、整理并服务于人类的网络系统,使人类生产和生活更加智能高效。物联网技术具有
嵌入标识、全面感知、泛在互联、智能挖掘等几个趋势特性。
三、物联网的应用
1.物联网的应用范围
智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、环境监
测、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等多个领
域。
2.物联网的应用举例
率先在上海浦东国际机场防入侵系统中得到应用。
学生说一说身边
ZigBee 路灯控制系统点亮济南园博园。
物联网的应用实
首家手机物联网落户广州。
例。
物联网与门禁系统的结合。
物联网与云计算的结合。
物联网与 TD-SCDMA 的结合。
学习单元二 世界各国的物联网战略
一、美国的智慧地球
“智慧地球”包括三个维度:一是能够更透彻地感知和度量世界的本质和变化;二是促
模块一 物联网的概念和体系结构
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进世界更全面地互联互通;三是在此基础上,所有事物、流程、运行方式都将实现更深入的
智能化,企业因此获得更智能的洞察。
二、日本的 I-Japan
I-Japan 战略包含三大核心领域。
(1)电子政府和电子自治体。
(2)医疗保健。
(3)教育和人才。
三、韩国的 U-Korea
四项关键建设:生态工业建设、现代化社会建设、透明化技术建设以及平衡全球领导地
位,
五大社会应用:亲民政府、智慧科技园区、再生经济、安全社会环境以及U 化服务。
四、欧盟的物联网行动计划
1.《欧盟物联网行动计划》提出的物联网三方面特性
(1)它不应该被仅仅看作互联网的延伸,而是一种新的、具有自己独立架构的物联网基
础设施(部分依赖于现有的互联网基础设施)。
(2)物联网将与新服务共同发展。
(3)物联网包含不同的通信模式。
2.《欧盟物联网行动计划》得出的三个结论
(1)物联网还未成型,是一个技术远景,在 2015—2025 年将改变社会运作方式。
(2)欧洲可以在物联网方面发挥主导作用。
(3)欧盟委员会将通过《欧盟物联网行动计划》推动物联网的发展。
五、中国的感知中国
我国物联网发展尚处于起步阶段,目前存在一系列瓶颈和制约因素:
一是产业体系较小,没有形成规模化产业优势;
二是核心关键技术有待突破,在传感器、芯片、制造工艺、海量信息处理等核心技术上,
与发达国家相比存在差距;
三是标准分散、体系不完善,在国际上面临关键资源和核心标准之争;
四是物联网承载大量的国家经济社会活动和战略性资源,面临巨大的安全与隐私保护挑
战。
学习单元三 物联网的发展现状和趋势
一、国外物联网技术的研究和发展
物联网发展将经历四个阶段。
(1)2010 年之前实现单个物体间互联,RFID 被广泛应用于物流、零售和制药领域。
(2)2010—2015 年实现物与物之间联网,无所不在的标签和传感器网络。
(3)2015—2020 年物体进入半智能化,标签、物件可执行指令。
(4)2020 年之后物体进入全智能化。
二、中国物联网技术的研究和发展
2010 年,物联网技术发展已被列入中国国家级重大科技专项,与新能源、绿色制造等并
列为国家五大新兴战略性产业。
目前,物联网关键技术在城市的安全监控系统、轨道交通、机场、医疗、物流等领域都
已有了实际的应用。
三、物联网标准化概况
1.国际物联网标准制定现状
(1)欧洲电信标准化协会。主要目标是研究以 M2M 为主要业务形式的物联网。
(2)国际电信联盟。国际电信联盟主要以物联网下属的泛在传感网(USN)为研究目标。
(3)ISO/IEC。针对 RFID 编码、空中接口、应用场景制定了相关标准。对物联网整体架
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了解其他国家的
物联网战略。
教师讲解物联网
标准化概况。
构的标准进行研究。
2.中国物联网标准制定现状
(1)2003 年,信息设备资源共享协同服务标准工作组(闪联)成立,主要负责制定信息
设备智能互联与资源共享协议(IGRS)。
(2)电子标签标准工作组于 2005 年 10 月成立,电子标签标准工作组下设了七个专题组,
即总体组、标签与读写器组、频率与通信组、数据格式组、信息安全组、应用组和知识产权
组。
(3)传感器网络标准工作组(WGSN)成立于 2009 年 9 月,工作组聚集了中国科学院、
中国移动等国内传感网主要的技术研究和应用单位。
(4)中国通信标准化协会(CCSA)先后启动了《无线泛在网络体系架构》、《无线传感器
网络与电信网络相结合的网关设备技术要求》等标准的研究与制定。
(5)运营商。中国电信集团公司(以下简称中国电信)开发了M2M 平台,该平台基于开
放式架构设计,可以在一定程度上解决标准化问题。中国移动制定了 WMMP 标准(企业标准),
并在网上公开进行 M2M 的终端认证测试工作。
四、中国物联网发展面临的问题
1.知识产权
在物联网技术发展过程中,掌握关键技术和自主知识产权是物联网发展的关键因素之一。
2.技术标准
目前行业技术主要缺乏两个方面的标准,即接口的标准化和数据模型的标准化。
3.产业链条
4.行业协作
5.盈利模式
6.使用成本
7.安全问题
五、物联网前景展望
中国物联网建设当前的主要任务集中在以下几个方面。
(1)大力攻克核心技术。
(2)加快构建标准体系。
(3)协调推进产业发展。
(4)着力培育骨干企业。
(5)积极开展应用示范。
(6)合理规划区域布局。
(7)加强信息安全保障。
(8)提升公共服务能力。
学习单元四 物联网相关概念辨析
误区之一:把传感网或 RFID 网等同于物联网。
误区之二:把物联网当成互联网的无限延伸,把物联网当成所有物的完全开放、全部互
连、全部共享的互联网平台。
误区之三:认为物联网就是泛在网。
误区之四:认为物联网就是物物互联、无所不在的网络,因此认为物联网是空中楼阁,
是很难实现的技术。
误区之五:基于自身认识,把仅仅能够互动、通信的产品都当成物联网的应用。
物联网最本质的含义是数字世界和物理世界的融合网络,以智能化和泛在化为特征的双
向融合,并将带来巨大的创新价值和市场空间。
学习单元五 物联网的体系结构
物联网由三个部分组成。
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分组讨论中国物
联网发展面临的
问题。
以辩论赛形式展
开讨论。
(1)感知部分,以二维码、RFID、传感器为主,实现对“物”的识别。
(2)传输网络,通过现有的互联网、广电网络、通信网络等实现数据的传输。
(3)智能处理,即利用云计算、数据挖掘、中间件等技术实现对物品的自动控制与智能
管理等。
一、感知层功能和技术
1.感知层功能
物联网感知层解决的就是人类世界和物理世界的数据获取问题,包括各类物理量、标识、
音频、视频数据。感知层处于三层架构的最底层,是物联网发展和应用的基础,具有物联网
全面感知的核心能力。
2.感知层关键技术
1)传感器技术
传感器是一种检测装置,能感受到被测的信息,并能将感受到的信息按一定规律变换成
电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等
要求,它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
传感器的分类方法多种多样,比较常用的有按传感器的物理量、工作原理、输出信号的
性质三种方式分类。
2)RFID 技术
RFID 是射频识别(radio frequency identification)的英文缩写,它利用射频信号通
过空间电磁耦合实现无接触信息传递并通过所传递的信息实现物体识别。
RFID 系统主要由三部分组成,即电子标签(tag)、读写器(reader)和天线(antenna)。
RFID 技术的工作原理是电子标签进入读写器产生的磁场后,读写器发出的射频信号,凭
借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(无源标签或被动标签),或者主动
发送某一频率的信号(有源标签或主动标签);读写器读取信息并解码后,送至中央信息系统
进行有关数据处理。
3)二维码技术
与 RFID 相比,二维码最大的优势在于成本较低,一条二维码的成本仅为几分钱,而 RFID
标签因其芯片成本较高,制造工艺复杂,所以价格较高。
二、网络层功能和技术
1.网络层功能
在物联网中,要求网络层能够把感知层感知到的数据无障碍、高可靠性、高安全性地进
行传送,它解决的是感知层所获得的数据在一定范围内,尤其是远距离传输问题。同时,物
联网网络层将承担比现有网络更大的数据量传输要求,面临更高的服务质量要求,所以现有
网络尚不能满足物联网的需求,这就意味着物联网需要对现有网络进行融合和扩展,利用新
技术以实现更加广泛和高效的互联功能。
2.网络层关键技术
1)Internet
是以相互交流信息资源为目的,基于一些共同的协议,并通过许多路由器和公共互联网
连接而成,它是一个信息资源和资源共享的集合。Internet 采用了目前最流行的客户机/服
务器工作模式,凡是使用 TCP/IP 协议,并能与 Internet 中任意主机进行通信的计算机,无
论是何种类型,采用何种操作系统,均可看成是 Internet 的一部分,可见 Internet 覆盖范
围之广。物联网也被认为是 Internet 的进一步延伸。
2)移动通信技术
移动通信网由无线接入网、核心网和骨干网三部分组成。无线接入网主要为移动终端提
供接入网络服务,核心网和骨干网主要为各种业务提供交换和传输服务。从通信技术层面看,
移动通信网的基本技术可分为传输技术和交换技术两大类。
3)无线传感器网络
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教师讲解物联网
的体系结构。
无线传感器网络(WSN)的基本功能是将一系列空间分散的传感器单元通过自组织的无线
网络进行连接,从而将各自采集的数据通过无线网络进行传输汇总,以实现对空间分散范围
内的物理或环境状况的协作监控,并根据这些信息进行相应的分析和处理。
三、应用层功能和技术
1.应用层功能
主要功能是把感知和传输来的信息进行分析和处理,做出正确的控制和决策,实现智能
化的管理、应用和服务。
2.应用层关键技术
1)M2M
M2M 是 machine to machine(机器对机器)的缩写,根据不同应用场景,往往也被解释
为 man to machine(人对机器)、machine to man(机器对人)、mobile to machine(移动
网络对机器)、machine to mobile(机器对移动网络)。machine 一般特指人造的机器设备,
而物联网(internet of things)中的 things 则是指更抽象的物体,范围也更广。
M2M 技术的目标就是使所有机器设备都具备联网和通信能力,其核心理念就是网络一切
(network everything)。随着科学技术的发展,越来越多的设备具有了通信和联网能力,网
络一切逐步变为现实。
2)云计算
狭义云计算指 IT 基础设施的交付和使用模式,通过网络以按需、易扩展的方式获得所需
的资源(硬件、平台、软件),提供资源的网络被称为云,云中的资源在使用者看来是可以无
限扩展的,并且可以随时获取、按需使用、随时扩展、按使用付费,这种特性使之
广义云计算指服务的交付和使用模式,通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的服务,
这种服务可以是 IT 和软件、互联网相关的,也可以使用任意其他的服务。
3)数据挖掘
数据挖掘主要基于人工智能、机器学习、模式识别、统计学、数据库、可视化等技术,
高度自动化地分析数据,进行归纳性的推理。数据挖掘一般分为描述型数据挖掘和预测型数
据挖掘两种,描述型数据挖掘包括数据总结、聚类及关联分析等,预测型数据挖掘包括分类、
回归及时间序列分析等。
4)中间件
物联网中间件是在物联网中采用中间件技术,以实现多个系统或多种技术之间的资源共
享,最终组成一个资源丰富、功能强大的服务系统,最大限度地发挥物联网系统的作用。
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