拓展模块4 物联网

04信息技术（拓展模块）模块4物联网物联网即“万物相连的互联网”，是互联网基础上的延伸和扩展的网络，将各种信息传感设备与网络结合起来而形成的一个巨大网络，实现任何时间、任何地点，人、机、物的互联互通。本模块主要包括认知物联网、理解物联网的体系结构、物联网感知层、网络层、应用层关键技术及典型物联网应用系统的安装与配置等内容。【学习目标】2了解物联网体系的基本结构；1了解物联网的概念、发展历史、应用领域以及与其他信息技术的融合发展趋势等；4了解物联网网络层关键技术，如互联网通信、无线通信及卫星通信技术等；学习目标3了解物联网感知层关键技术，如自动识别智能设备等；5了解物联网应用层关键技术，如云计算等应用系统。【知识图谱】目录CONTENTS4.1认知物联网4.2物联网的体系结构4.3物联网感知层关键技术4.4物联网网络层关键技术4.5物联网应用层关键技术4.6典型物联网应用系统的安装与配置4.1认知物联网014.1.1物联网基础知识物联网即“万物相连的互联网”。物联网是互联网的延伸和扩展，是将各种信息传感设备与网络结合起来形成的一个巨大网络，能实现任何时间、任何地点，人、机、物的互联互通。物联网是新一代信息技术的重要组成部分，在IT行业又被称为泛互联网，意思是物物相连，万物互联。物联网就是物物相连的互联网。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是互联网的延伸和扩展；第二，其用户端能做到任何物品与物品之间进行信息交换和通信。4.1.1物联网基础知识物联网概念最早出现于比尔·盖茨1995年《未来之路》一书，在《未来之路》中，比尔·盖茨已经提及物联网概念。获取信息主要是信息的感知、识别。处理信息信息的加工过程，利用已有的信息或感知的信息产生新的信息，实际是制定决策的过程。物联网功能传送信息主要是信息发送、传输、接收等环节。施效信息信息最终发挥效用的过程，通过调节对象事物的状态及其变换方式，始终使对象处于预先设计的状态。

物联网的基本特征从通信对象和过程来看，物与物、人与物之间的信息交互是物联网的核心。物联网的基本特征可概括为整体感知、可靠传输和智能处理。根据物联网的以上特征，结合信息科学的观点，围绕信息的流动过程，可以归纳出物联网处理信息的功能:4.1.1物联网基础知识4.1.2物联网的应用领域和发展趋势物联网的应用领域广泛，主要的应用场景包括智慧物流、智能交通、智能医疗、智慧建筑、智能安防、智能零售、智慧农业、智能制造。应用引领产业发展我国物联网产业的发展是以应用为先导。综合性平台即将出现随着行业应用的逐渐成熟，新的通用性强的物联网技术平台将出现。发展趋势标准体系逐渐成熟物联网标准体系是一个渐进发展成熟的过程。商业模式逐步形成针对物联网领域的商业模式创新将是把技术与人的行为模式充分结合的结果。物联网作为电子信息行业新兴应用，在万物互联的大趋势下，市场规模将进一步扩大。随着行业标准完善、技术不断进步、国家政策扶持，中国的物联网产业将延续良好的发展势头，为经济持续稳定增长提供新的动力。4.1.2物联网的应用领域和发展趋势4.1.3物联网和其他信息技术的融合发展物联网与5G的融合5G与物联网是相互依赖的两项技术，5G网络为物联网提供了良好的进步环境和空间，物联网也为5G网络的发展提供了现实依据。物联网与人工智能的融合物联网（IoT）与人工智能（AI）的融合催生出新的智能物联网（AIoT）产业。物联网与人工智能的结合是二者发展的必然结果，物联网需要通过人工智能发挥出更大的作用，以便于把物联网的应用边界不断拓展。目前，物联网具备了基于人工智能的智能识别及预测能力。物联网与区块链的融合物联网会产生大量数据，数据的所有权并不总是很清楚。这可能会破坏物联网传感器的可靠性。因此，确保物联网设备完整性是确保数据记录和交易安全的关键。区块链正可以解决这一信任问题。技术融合4.2物联网的体系结构024.2.1感知层感知层解决的是人类世界和物理世界的数据获取问题，由各种传感器以及传感器网关构成。该层被认为是物联网的核心层，主要是物品标识和信息的智能采集，它由基本的传感器件（例如RFID标签和读写器、摄像头、GPS、二维码标签等）以及传感器组成的网络（例如RFID网络、传感器网络等）两大部分组成。该层的核心技术包括射频技术、新兴传感技术、无线网络组网技术、现场总线控制技术等。4.2.2网络层网络层也称为传输层，解决的是感知层所获得的数据在一定范围内的传输问题，主要完成接入和传输功能，是进行信息交换、传输的数据通路，包括接入网与传输网两种。传输网由公网与专网组成，典型传输网络包括电信网、广电网、互联网、电力通信网和专用网。接入网包括光纤接入、无线接入、以太网接入、卫星接入等各类接入方式，实现底层的传感器网络、RFID网络“最后一公里”的接入。4.2.3应用层应用层也可称为处理层，解决的是信息处理和人机界面的问题。网络层传输而来的数据在这一层里进入各类信息系统进行处理，并通过各种设备与人进行交互。处理层由业务支撑平台、网络管理平台、信息处理平台、信息安全平台、服务支撑平台等组成，完成协同、管理、计算、存储、分析、挖掘，以及提供面向行业和大众用户服务等功能，典型技术包括中间件技术、虚拟技术、高可信技术，云计算服务模式、SOA系统架构方法等先进技术和服务模式。4.3物联网感知层关键技术034.3.1物联网传感器在物联网架构的感知层中，传感器主要负责接收对象的“语音”内容。传感器技术是从自然源中获取信息并对其进行处理、转换和识别的现代科学与工程技术。物联网传感器早已渗透到诸如工业生产、智能家居、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源勘探、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等领域。4.3.2自动识别条形码由不同宽度的黑白条及特定的编码排列组成，条形码在数据转换过程当中需要通过扫描和编译这两个环节。现阶段应用十分广泛的二维码是在一维条形码基础之上延伸出来的一种新型自动识别技术，这种技术可以将信息储存在一维空间或二维空间当中，但是二维码的信息处理需要经过扫描设备及编译设备。4.3.2自动识别射频识别技术利用射频信号通过空间的耦合实现无接触信息传递，并通过所传递的信息达到识别的目的。物联网自动识别技术可以为物流领域提供智能性的服务，保证物流信息的准确性和及时性。对于绿色建筑领域来说，可以有效的识别卡片的相关信息，对人员进行管理。4.3.3智能设备智能硬件能够满足人们智能化需求，智能硬件会给我们带来全新的生活形式。智能硬件要么是被创造出来的，要么是基于传统硬件改造的，目的都是使人们可以更便捷的使用，更高效的生产。第一阶段传统硬件加入传感器和通信模块，传感器能够感知外部环境并将数据通过通信模块传输出去。第三阶段能够根据过去收集的数据提升自身判断决策的水平，从而根据外界环境的变化改善自身决策。智能设备第二阶段传感式单体设备加上软件算法，能分析传感器的数据后直接做出简单的操作。第四阶段全自动感知、分析、决策，不需要人的参与。4.4物联网网络层关键技术044.4.1互联网技术互联网几乎包含了人类的所有信息，是人类信息资源的汇总，人们常说的因特网就是互联网的狭义称谓。互联网技术是物联网技术的前身。在相关网络协议的约束下，通过互联网相连的网络将海量的信息汇总、整理和存储，实现信息资源的有效利用和共享，这其实就是互联网最主要的功能。4.4.2无线通信网络技术在物联网中，要与人无障碍地通信，必然离不开能够传输海量数据的高速无线网络。无线网络不仅包括允许用户建立远距离无线连接的全球语音和数据网络，还包括短距离蓝牙技术、红外线技术和Zigbee技术。无线通信网络特点：①网络规模较大，遍布各地，通过无数的传感器覆盖全球;②网络呈现动态变化，其结构为网络拓扑结构;③网络的核心是数据，一切工作行为都以数据为中心;④网络具有自动组织性能;⑤网络具有应用相关性;⑥网络较公开，安全性较低;⑦传感器节点性能有限，有待进一步开发。4.4.3卫星通信技术物联网设备进行通信交流最主要的方式是依赖于各种通信技术，依赖于基站和天线。但是像海洋、戈壁沙漠、深山老林这样的区域均是无法建立基站的。可以将基站搬到“天上”，即建立卫星通信，使之成为地面基站通信的补充和延伸。卫星通信技术利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波，从而进行两个或多个终端之间的通信。。4.5物联网应用层关键技术054.5.1云计算技术物联网的发展离不开云计算技术的支撑。物联网终端的计算和存储能力有限，云计算平台可以作为物联网的大脑，实现海量数据的存储和计算。美国国家标准与技术研究院的定义，云计算是指能够针对共享的可配置计算资源，按需提供方便的、泛在的网络接入模型。云计算体系结构4.5.1云计算技术私有云由专供一个企业或组织使用的云计算资源构成。私有云可在物理上位于组织的现场数据中心。混合云混合云是云计算的一种类型，它将本地基础结构（或私有云）与公有云结合在一起。部署方式公有云由第三方云服务提供商拥有和运营，资源通过Internet提供。社区云社区云是由一个特定社区独占使用，该社区由具有共同关切的多个组织组成。4.5.1云计算技术基础设施即服务主要优势是按需付费、安全性以及可靠性，因此也被称为硬件即服务。这项服务的典型案例有亚马逊云、谷歌计算引擎和阿里云等。平台即服务为云计算提供了应用程序的接口。随着网络应用程序数量的井喷式增长，平台即服务的相关研究与应用逐步涌现。平台即服务的典型案例有谷歌应用引擎（GoogleAppEngine，GAE）、微软云（MicrosoftAzure）等。软件即服务这项服务旨在提供终端用户可以直接使用的服务，这里的服务可以理解为部署在互联网上的软件。这样的服务模式在很大程度上替代了在个人电脑上运行的传统应用程序。服务类型4.5.2中间件技术中间件，是一种计算机软件产品，它有两种模式，一种是介于应用操作系统与应用软件之间，另一种是介于硬件和应用软件中间，发挥支撑和信息传递的作用。第一种模式中，中间件能管理计算机资源和网络通信，将应用操作系统与应用软件连接起来，实现信息传递和交互。另一种模式中，中间件将管理集成硬件设备，将硬件数据信息集成并上传给应用软件，实现沟通交互。两种模式中，中间件都可以向下集成处理，向上直接为系统软件提供数据等资源。4.5.3物联网应用操作系统物联网操作系统的功能要求：（1）支持应用程序的远程升级。因为物联网的种种应用环境和条件限制，远程升级是物联网操作系统在升级方式上的重要途径，同时也是最为低成本的选择。（2）外部存储。在网络连接中断的情况下，起到临时存储数据的作用。（3）对物联网常用的无线通信功能内置支持。支持短信息的接收和发送、语音通信、视频通信等功能。（4）网络功能。物联网操作系统支持完善的TCP/IP协议栈。（5）支持完善的GUI功能。图形用户界面一般应用于物联网的智能终端中，完成用户和设备的交互。4.6典型物联网应用系统的安装与配置064.6.1项目介绍智能照明系统是智能家居中的重要组成部分，传统照明系统多采用电气开关进行电路的控制，而智能照明系统可基于物联网技术实现远程照明控制、亮度控制、色彩控制等功能。本项目模拟一套智能家居中的照明系统，利用ArduinoUNO作为主控板，WiFi模块实现无线通信、双色LED模块模拟照明灯光。最终，实现利用手机APP控制灯光开关等功能。4.6.2硬件设备安装本项目用到的硬件包括ArduinoUNO主板、双色LED模块、WIFI模块，将WiFi模块RX和TX分别连接到Arduino的串口上，Arduino的两个控制引脚分别与LED模块上的红色和绿色灯控制引脚相连，Arduino的5V供电引脚连接到WiFi模块的供电引脚上，将各模块的GND相连，连接图如图所示。4.6.2硬件设备安装Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包含硬件（各种型号的Arduino主板）和软件（ArduinoIDE）。Arduino是由意大利互动设计学院的师生所开发，设计的初衷就是为个性化的学生提供共有开发平台，以解决单独开发软硬件过程中的效率和技术问题。目前，Arduino支持Ardublock图形化套件开发方式，已经有部分初中学生使用Arduino参加创客比赛，实现很多有趣的功能。4.6.2硬件设备安装跨平台性ArduinoIDE可以在三大主流操作系统上运行，而其他的大多数控制器只能在Windows上开发，从而扩展应用的适配性。开发简单对于初学者来说，不需要太多的单片机基础、编程基础，简单学习后，可以快速地进行开发。Arduino简单高效，专注于业务，隐藏底层技术细节。由于其简单易学的特点，开发者可以快速地将自己的创新想法搭建出原型系统，用于产品原型演示及创新创业大赛。开放性Arduino的硬件原理图、电路图、IDE软件及核心库文件都是开源的，在开源协议范围内里可以任意修改原始设计及相应代码。Arduino特点4.6.3

网络配置WiFi模块拥有远程控制和局域网两种模式。远程控制模式需要将Arduino连接到公网上，使用移动端设备实现远程控制。局域网模式需要将Arduino和移动端设备连接到同一局域网下，在局域网中实现无线控制。本实验以局域网模式为例，WiFi模块将产生名为MakeRobotXXXX的W