信息技术（第2版）（拓展模块）拓展模块4 物联网

2/12课题名称模块4物联网授课类型理实一体授课对象授课课时所授课程授课地点所授教材一、学情分析本课程授课对象为高职各专业大一学生，课程开设在大一第二学期，学生情况在知识储备、学习特点和信息素养的情况如下。1.知识储备学生在高职或高中已经学习了信息技术课程，并且在大一第一学期已经完成了高职信息技术（基础模块）的学习，具备了基础的信息技术知识和技能。2.学习特点授课对象都是零零后的学生，在学习方面表现出如下特点。（1）喜欢实践动手操作，厌烦枯燥乏味的理论讲解；（2）喜欢任务式引导，情境设定，参与其中，厌烦平淡无极的说教；（3）乐于接受可视化教学资源，反感静态纸质学习材料；（4）偏爱颗粒化、模块化的学习过程，排斥时间冗长的教学过程；（5）对挑战性的题目感兴趣，对基础性题目求知欲偏低；（6）喜好电脑与互联网的应用，线上操作所见即所得可以引发学习兴趣。3.信息素养学生通过高职或高中信息技术课程的学习，具备了基础的信息技术学科素养，但是在数字化学习与创新方面仍需加强二、教学内容1.知识目标(1)了解物联网的基础知识、应用领域、发展趋势，以及物联网与其他信息技术的融合等；(2)了解物联网的体系结构；(3)了解物联网感知层关键技术，如物联网传感器、自动识别及智能设备等；(4)了解物联网网络层关键技术，如互联网技术、无线传感网络技术及卫星通信技术等；(5)了解物联网应用层关键技术，如云计算技术、中间件技术及物联网应用操作系统等。2.能力目标初步掌握物联网感知层、网络层、应用层各层关键技术3.素养目标通过小组学习，培养与人沟通、协同工作、口才表达等能力1.教学重点物联网感知层、网络层、应用层各层关键技术八、教学环节教学环节教学内容教学活动策略与意图环节一课程导入与学习任务(10分钟)向学生提问：你们在身边接触过哪些物联网应用？如安防监控、智能家居等。物联网（InternetofThings，IoT）是指通过信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动物体的状态，采集声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种信息，通过各类网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。本主题包含物联网的基本知识、体系结构、感知层、网络层、应用层的关键技术与物联网应用系统的安装与配置等内容。【学习任务】通过本节内容的学习，完成下列学习任务：

1.在学习过程中认真复习，梳理记录好学习笔记；2.了解物联网的基础知识、应用领域、发展趋势，以及物联网与其他信息技术的融合等；3.了解物联网的体系结构；4.了解物联网感知层关键技术，如物联网传感器、自动识别及智能设备等；5.了解物联网网络层关键技术，如互联网技术、无线传感网络技术及卫星通信技术等；6.了解物联网应用层关键技术，如云计算技术、中间件技术及物联网应用操作系统等；9.通过小组学习，培养与人沟通、协同工作、口才表达等能力；10.完成单元考核评价中的相关任务。教师活动1.向学生提问，进行课程导入。2.介绍物联网小节的学习任学生活动1.积极思考，回答问题。3.明确本小节的学习任务4.思考记录1.问题教学法，通过提问引到学生进入到课程主题2.讲授教学法，介绍物联网概述、本节知识图谱及学习任务，使学生了解本节教学内容的全貌教学环节教学内容教学活动策略与意图环节二认识物联网(20分钟)4.1认知物联网本节介绍物联网的概念、应用领域、发展趋势等，并对物联网与其他信息技术的融合等内容。4.1.1物联网的基础知识1.物联网的定义物联网（IoT，InternetofThings）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。2.物联网的起源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，只是当时受限于无线网络、硬件及传感设备的发展，并未引起世人的重视。物联网的发展路径3.物联网的基本特征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。4.1.2物联网的应用领域与发展趋势1.物联网的应用领域物联网的应用领域广泛，主要的应用场景包括智慧城市、智慧物流、智能交通、智慧能源、智能医疗、智能家居、智慧建筑、智能安防、智慧零售、智慧农业、智能制造，如图所示。物联网的应用领域2.物联网的发展趋势物联网作为通信行业新兴应用，在万物互联的大趋势下，市场规模将进一步扩大。（1）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，存在着从公共管理和服务市场、到企业、行业应用市场、再到个人家庭市场逐步发展成熟的细分市场递进趋势。（2）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。物联网概念涵盖众多技术、众多行业、众多领域，试图制定一套普适性的统一标准几乎是不可能的。物联网产业的标准将是一个涵盖面很广的标准体系，将随着市场的逐渐发展而成熟。（3）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。物联网的创新是应用集成性的创新，一个单独的企业是无法完全独立完成一个完整的解决方案的。一个技术成熟、服务完善、产品类型众多、应用界面友好的应用，将是由设备提供商、技术方案商、运营商、服务商协同合作的结果。随着产业的成熟，支持不同设备接口、不同互联协议，可集成多种服务的共性技术平台将是物联网产业发展成熟的结果。（4）有效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。物联网将机器、人、社会的行动都互联在一起。新的商业模式出现将是把物联网相关技术与人的行为模式充分结合的结果。4.1.3物联网和其他信息技术的融合物联网的核心与基础仍是互联网，物联网是互联网的延伸。互联网就是把网络终端设备相连，或是人相连，物联网是把物体相连，物联网技术是电子、通信、计算机三大领域技术的融合。物联网的发展方向是不再需要用户去互动，而是实现自动地，智能地直接为人服务。1.物联网与移动通信5G技术的融合5G与物联网是相互发展，共同进步，又相互依赖的两项技术，共同组成了智能化网络应用体系，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。2.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。3.物联网与区块链的融合长期以来，区块链已被视为一种隔离技术。然而最近，我们看到了将区块链与其他技术（例如大数据、人工智能等）集成在一起的趋势。教师活动1.讲授物联网的定义、物联网的起源、物联网的基本特征、物联网与其他信息技术的融合；2.通过学校教学楼智能控制的案例，分析智慧建筑的应用场景及所用技术3.组织学生讨论及分析智能家居、智能交通等应用场景。学生活动2.积极思考案例，回答问题。3.参与互动讨论，理解物联网的应用场景。1.讲授教学法，介绍物联网的定义、物联网的起源、物联网的基本特征、物联网与其他信息技术的融合，使学生了解物联网的概念。2.案例分析法，介绍学校教学楼智能控制的案例3.讨论法，互动讨论物联网的应用，促进学生对物联网的理解。教学环节教学内容教学活动策略与意图环节三物联网的体系结构(15分钟)4.2理解物联网的体系结构如图所示，物联网体系结构主要由三个层次组成：感知层、网络层和应用层组成。物联网的体系结构4.2.1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，主要作用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、各类传感器、摄像头、GPS、二维码标签和识读器等基本标识和传感器件组成）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（FCS）等，涉及的核心产品包括传感器、电子标签、传感器节点、无线路由器、无线网关等。4.2.2网络层网络层也成为传输层，解决的是感知层所获得的数据在一定范围内，通常是长距离的传输问题，主要完成接入和传输功能，是进行信息交换、传递的数据通路，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（固网、移动网）、广电网、互联网、电力通信网、专用网（数字集群）。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网络的“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（中间件平台）、网络管理平台（例如M2M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的服务等功能，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可被广泛采用。教师活动讲授物联网的体系结构，包括感知层、网络层、应用层等各层技术。学生活动2.积极思考，回答问题。3.了解物联网的体系结构，包括感知层、网络层、应用层等各层技术。4.思考记录。讲授教学法，通过介绍物联网感知层、网络层、应用层等各层技术，使学生了解物联网体系结构中的各层技术教学环节教学内容教学活动策略与意图环节四物联网感知层关键技术(15分钟)4.3物联网感知层关键技术4.3.1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、转换和识别的多学科现代科学与工程技术。它涉及传感器的规划、设计、开发、制造和测试，信息处理和识别，改进活动的应用和评估。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、甚至文物保护等极其之泛的领域。4.3.2自动识别1.条形码识别技术由于在日常生活当中条形码充斥着大社会信息，这些信息数据的采集和分析将直接影响到社会人们的生活以及生产决策，并且自动识别技术指的是通过识别装置或扫描装置，自动获取物品当中的一些负载信息，然后通过核心处理器对这些数据进行处理和计算。条形码由不同宽度的黑白条以及特定的编码排列组成，并且条形码在数据转换过程当中需要扫描和编译这两个环节，而对于现阶段应用十分广泛的二维码来说，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以及编译设备。2.射频识别技术射频识别技术距今已经有70多年的发展历史，这一技术在我国相对比较成熟，并且许多产品也用到了这一技术。射频识别技术主要是利用射频信号通过空间的耦合作用来实现非接触设备之间的信息传递。有源系统、无源系统、定位系统、低波高频以及微波系统等都是射频技术的特征，同时，射频识别技术的应用十分简单，一般不需要人工干预，十分符合我国现代生产当中的应用要求，该技术也可以存储大量的信息，具有较强的信息处理以及识别的能力。4.3.3智能设备智能设备是指任何一种具有计算处理能力的\t"/item/%E6%99%BA%E8%83%BD%E8%AE%BE%E5%A4%87/_blank"设备或机器。功能完备的智能设备必须具备灵敏准确的感知功能、正确的思维与判断功能以及行之有效的执行功能。智能设备是传统电气设备与计算机技术、数据处理技术、控制理论、传感器技术、网络通信技术、电力电子技术等相结合的产物。智能设备主要包括两方面的关键内容：自我检测是智能设备的基础；自我诊断是智能设备的核心。智能设备的智能级别可的定义为多种级别：第一级,能感知环境的微智能传感式硬件。第二级，在第一级的基础上增加自我调节能力--传感式智能设备。第三级，在第二级基础上增加学习能力并能够与人类交互。更高级别的智能是全自动感知、分析、决策，不需要人的参与。教师活动物联网感知层关键技术，包括物联网传感器、自动识别、智能设备等学生活动2.积极思考，回答问题。3.了解物联网感知层关键技术。4.思考记录。1.讲授教学法，通过介绍物联网传感器、自动识别、智能设备等相关技术，使学生了解物联网感知层的各项关键技术环节五物联网网络层关键技术（15分钟)4.4物联网网络层关键技术如果说感知层是物联网的“感觉器官”，那么网络层就是物联网的“神经”。物联网网络层中存在着各种“神经中枢”，用于信息的传输。物联网网络层具有多种关键性技术，包括互联网技术、无线传感网络技术以及卫星通信技术。4.4.1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。互联网是由众多的子网连接而成，它是一个逻辑性网络，而每一个子网中都有一些主机，这些主机主要是由计算机构成，它们相互连接，共同控制着自己区域的子网。4.4.2无线传感器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。无线传感器网络的英文简称是WSN，即在众多传感器之间建立一种无线自组织网络，并利用这种无线自组织网络实现这些传感器之间的信息传输。在这个传输过程中，无线传输网络会对传感器所采集的数据进行汇总。该技术可以使区域内物品的物理信息和周围环境信息全部以数据的形式存储在无线传感器中，有利于人们对目标物品和任务环境进行实时的监控，也有利于分析和处理有关信息，对物品进行有效的管理。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。其实对于大部分陆地地区来说，这种常规模式是可以满足要求的。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。除了传统陆地基站之外，人们自然而然就想到，是不是可以将基站搬到“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。卫星通信技术是一种利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波而进行的两个或多个终端之间的通信。从物联网的角度来说，卫星的本质，是以航天技术为手段，借助社会和资本的资源，实现“全球”万物互联的商业价值。教师活动讲授物联网网络层关键性技术，包括互联网技术、无线传感网络技术以及卫星通信技术等。学生活动2.积极思考，回答问题。3.了解物联网网络层关键技术。4.思考记录。1.讲授教学法，通过介绍互联网、无线传感网络以及卫星通信等相关技术，使学生了解物联网网络层的各项关键技术教学环节教学内容教学活动策略与意图环节六物联网应用层关键技术(15分钟)4.5物联网应用层关键技术4.5.1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。根据美国国家标准与技术研究院（NationalInstituteofStandardsandTechnology，NIST）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、泛在的网络接入的模型。上述计算资源包括网络、服务器、存储、应用和服务等，这些资源能够快速地提供和回收，而所涉及的管理开销要尽可能小。具体来说，云模型包含五个基本特征、三个服务模型和四个部署模型。五个基本特征：按需自助服务（On-DemandSelf-Service）、广阔的互联网访问（BroadNetworkAccess）、资源池（ResourcePooling）、快速伸缩（RapidElasticity）、可度量的服务（MeasuredService）。三个服务模型：软件即服务（SoftwareasaService，SaaS）、平台即服务（PlatformasaService，PaaS）、基础设施即服务（InfrastructureasaService，IaaS）。四个部署模型：私有云（PrivateCloud）、社区云（CommunityCloud）、公有云（PublicCloud）、混合云（HybridCloud）。云计算体系结构4.5.2中间件技术中间件就是一种系统软件平台，为网络应用软件提供综合的服务和完整的环境，借助这种软件使得网络应用、硬件数据能够实现集成，达到业务的协同，实现业务的灵活性。中间件技术给用户提供了一个统一的运行平台和友好的开发环境，物联网中间件是减小用户高层应用需求与网络复杂性差异的有效解决方案，对加快物联网大规模产业化发展具有重要作用。在物联网中采用中间件技术，以实现多个系统和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。4.5.3物联网应用操作系统物联网应用操作系统涉及芯片层、终端层、边缘层、云端层等多个层面。单一层次的物联网应用操作系统与安卓在移动互联网领域的地位和作用类似，实现了应用软件与智能终端硬件的解耦。就像在安卓的生态环境中，开发者基本不用考虑智能终端的物理硬件配置，只需根据安卓的编程接口编写应用程序，就可以运行在所有基于安卓的智能终端上一样，物联网应用操作系统的作用也是如此。针对物联网操作系统的外围功能模块，也有一些特殊的要求：（1）支持应用程序的远程升级。上文说到，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，当然同时也是最为低成本的选择。（2）外部存储。支持硬盘、USBstick、Flash、ROM等常用存储设备，以便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要内置支持。在公共网络、近场通信、桌面网络接口之间，要能够相互转换，能够把从一种协议获取到的数据报文，转换成为另外一种协议的报文发送出去。除此之外，还应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。物联网操作系统必须支持完善的TCP/IP协议栈，包括对IPv4和IPv6的同时支持。但TCP/IP协议栈是面向互联网设计的通信协议栈，由于物联网本身特征与互联网有很大差异，TCP/IP协议栈在应用到物联网的时候，面临许多问题和挑战，需要对TCP/IP协议栈做一番优化改造。（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。GUI应该定义一个完整的框架，以方便图形功能的扩展。同时应该实现常用的用户界面元素，比如文本框、按钮、列表等。教师活动讲授物联网应用层关键性技术，包括云计算技术、中间件技术、物联网应用操作系统等。学生活动2.积极思考，回答问题。3.了解物联网应用层关键技术。4.思考记录。1.讲授教学法，通过介绍云计算技术、中间件技术、物联网应用操作系统等相关技术，使学生了解物联网应用层的各项关键技术教学环节教学内容教学活动策略与意图环节七典型物联网应用系统的安装与配置(90分钟)4.6典型物联网应用系统的安装与配置4.6.1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。智能照明系统硬件连接图1.Arduino简介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。ArduinoUNO主板如图所示：ArduinoUNO主板可以看到，与目前动辄4层以上的大型电路板相比，该单板非常简单，接口丰富，适合用来学习和进行创意设计。除此之外，Arduino的简洁还体现在其IDE开发环境上。传统单片机开发需要阅读大量底层芯片手册，掌握复杂的时序逻辑及进行大量的调试设备操作。Arduino的开发不需要与底层的寄存器及IO口进行交互，完全使用封装好的API甚至图形界面进行开发，大大减轻开发难度。目前，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。Arduino开发套件Ardublock图形化开发示意图如图所示：Ardublock图形化开发界面2.Arduino的特点（1）跨平台性ArduinoIDE可以在Windows、MacintoshOSX、Linux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。（2）开发简单、清晰、易掌握对于初学者来说，极易掌握，同时有着足够的灵活性。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。（3）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。由以上特点可以看出，Arduino平台秉承了开源硬件的设计理念——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。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