《数字技能基础》 课件 -5-3 渗入生活的物联网技术

《数字技能基础》TheDigitalCompetenceForOurStudents职业教育通识课程第五章数字技能之拓展模块改变世界的人工智能技术身临其境的虚拟现实技术渗入生活的物联网技术决策分析之大数据技术01知识讲解02学习目标03操作演示和体验04作业和预习小节目录渗入生活的物联网InternetOfThings渗入生活的物联网InternetOfThings知识讲解我国定义：物联网是将无处不在的末端设备和设施，包括具备“内在智能”的传感器、移动终端、工业系统、楼控系统、家庭智能设施、视频监控系统等和“外在使能”的各种资产、个人与车辆的等等的“智能化物件或动物通过各种网络实现互联互通（M2M）的SaaS营运等模式物联网是继计算机、互联网和移动通信之后的新一轮信息技术革命。物联网技术是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，将任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种网络技术。什么是物联网技术渗入生活的物联网InternetOfThings知识讲解好像每个字都看懂了，但还是不够通俗啊，我们拆解开再分析一下。物联网的“物”包括哪些？理论上现实世界中的一切你看到东西都可以包括在“物”的范围内，但并非所有的“物”一定要包括在物联网内。比如吃的喝的就没必要，吃完喝完就结束了。还有些涉及个人隐私很严重的，这也没必要的了，对吧。还有，也得考虑成本问题，这个“物”本身的价值还没有联网的成本高，那也没必要搞了。什么是物联网技术渗入生活的物联网InternetOfThings知识讲解这个“物”要搞能感知？拿我们人来打个比方，我们人通过眼、耳、口、鼻、舌、身来感知这个世界。那么物呢，你也得给它装个类似的东西来感知，这个东西就叫传感器。传感器现在已经很便宜了，简单实用的，几十块钱就可以的，也容易从网上买到。传感器类型很多啦，测量温度的，测量压力的，感知光的，感知声音的，等等。什么是物联网技术渗入生活的物联网InternetOfThings知识讲解这个物要能自己动所谓“物”要能自己动，就是说的控制部分，感知到了外界的变化，不会自己动，那不是什么都做不了，这个“动”并非一定是“物”的位置变化、肢体行动，广泛的说是“物”的反馈，比如根据外界变化发出声音，发送一个邮件，我的理解应该都算“动”。“动”的越复杂，这个“物”本身设计和实现就越复杂，比如智能机器人。要保证“物”能动，还得有动力的保证，比如电池和电力。。什么是物联网技术渗入生活的物联网InternetOfThings知识讲解这个物要受控制所谓受控制，就是不能乱动，要根据指示动。比如人的“大脑”，要由大脑发出指令，人的四肢才会做出动作。这部分是由软件通过编程来实现的。当然，随着深度学习的发展，复杂的“物”会根据学习的经验对于新的情况也能做出合适的反馈，不过这仍然是受控的，因为这些新的情况仍然是在原有的学习的范围内的。什么是物联网技术渗入生活的物联网InternetOfThings知识讲解物之间以及物与人要沟通这个是最重要的，物联网之所以说是个网，是必须要相互连接和通讯的，即相互交互数据。物与物之间要相互沟通，相互协作，人与物之间也要相互沟通，相互协作。物与物沟通干嘛呢，比如生产线的上游设备和下游设备沟通场景：“下游设备说，你做慢点，我这边都做不过来了，上游设备说，好的，我慢点，你也快点。”当然，要实现沟通，必须先接入同一个网络，这个网络就是互联网的扩展，底层用的仍然是目前互联网的基础设施，比如网络拓扑结构、连接介质（各种线缆）、各种通讯连接协议（近距离的蓝牙、wifi、Zigbee等，远距离的NB-Iot、LoRa等）以及数据转换协议（把物产生的数据统一转换，方便传输、查看和分析）。什么是物联网技术渗入生活的物联网InternetOfThings知识讲解物要有唯一的识别标志既然要沟通，肯定要识别身份，否则我怎么知道对面和我沟通的是人还是一条狗呢。和人的身份证、护照一样，每个“物”需要一个唯一的识别码，这个码就是这个“物”在这个世界上唯一的证明（我觉得这个问题解决了产品质量追踪问题啊，以后质量追踪再不是问题啦）。于此相关的技术和协议包括RFID、URI、IPv6、EPCIS，现在还没有统一，想想也难，世界万物犹如沙粒何其多，光是编码就够喝一壶的了。什么是物联网技术渗入生活的物联网InternetOfThings知识讲解物联网的核心和基础仍然是互联网物联网不可能也没有必要另起炉灶啊，现在的互联网这么好的基础当然要利用好，所以说，物联网是互联网发展到一定程度自然而然的扩展。所以现在很多的技术都是在协调互联网现有的基础和物联网新的需求在发展着。什么是物联网技术渗入生活的物联网InternetOfThings知识讲解物联网架构通常分为感知层、网络层和应用层三个层次感知层是物联网的皮肤和五官，用于识别物体、感知物体、采集信息、自动控制，比如装在空调上的温度传感器识别到了室内温度高于30度，把这个信息收集后，自动打开了空调进行制冷；这个层面涉及到的是各种识别技术、信息采集技术、控制技术。而且这些技术是交叉使用的的，各种感知有些是单一的，有些则是综合的，比如机器人就是整合了各种感知系统。这一层最常见的就是各种传感器，用于替代或者延展人类的感官完成对物理世界的感知，也包括企业信息化过程中用到的RFID以及二维码技术。物联网技术架构渗入生活的物联网InternetOfThings知识讲解网络层主要实现信息的传递、路由（决定信息传递的途径）和控制（控制信息如何传递），分为两大部分，一部分是物联网的通信技术，一部分是物联网的通讯协议，通讯技术负责把物与物从物理上链接起来，可以进行通信，通讯协议则负责建立通信的规则和统一格式。网络层就相当于人的大脑和神经中枢，主要负责传递和处理感知层获取的信息。通讯技术从介质上分为有线的网络、无线的网络，根据通信举例则分为超短距、近距离、中长距离、超远距离，有些通讯技术我们已经在互联网中使用，有些则是根据物联网新创建的。这些通信技术包括如下：蓝牙（适用于短距离通讯），比如现在的蓝牙耳机、蓝牙音箱、各种可穿戴设备；Zigbee，适用于工业环境；WIFI，在家庭和许多企业中使用的最常见的WiFi标准是802．11n，功耗大。NFC，特别适用于智能手机，适合特别近距离。Sigfox，它的范围在WiFi和蜂窝之间，30－50公里（农村环境），3－10公里（城市环境）。LoRa，LoRaWAN针对广域网（WAN）应用，旨在为具有特定功能的低功率WAN提供支持。NB-Iot，基于蜂窝网络技术，国际移动通信标准化组织3GPP筛选的方案。上面介绍的主要是各种无线的通信技术，其实要包括现场总线等有线的连接技术。物联网通讯协议和通讯技术一样的多，如MQTT、DDS、AMQP、XMPP、JMS、REST、CoAP、OPCUA。物联网技术架构渗入生活的物联网InternetOfThings知识讲解应用层是在各种物联网通讯协议的支持下，对物联网形成的数据在宏观层面进行分析，并反馈到感知层执行特定控制功能，包括控制物与物之间的协同，物与环境的自适应，人与物的协作。应用层可分为两大部分，一部分是通用的物联网平台，建立在云平台之上，可以是IAAS/PASS/SAAS的一种或者混合。目前已经有不少企业推出了物联网平台，比如腾讯QQ物联智能硬件开放平台、阿里Link物联网平台、华为物联网平台等，另外一部分是在这个通用的物联网平台上再产生具体应用，这些应用类似于手机App，具体应用就是如何具体控制这些物如何收集信息，如何进行控制物。这些具体应用场景包括：个人应用：可穿戴设备、运动健身、健康、娱乐应用、体育、玩具、亲子、关爱老人；智能家居：家庭自动化、智能路由、安全监控、智能厨房、家庭机器人、传感检测、智能宠物、智能花园、跟踪设备；智能交通：车联网、智能自行车/摩托车（头盔设备）、无人驾驶、无人机、太空探索；企业应用：医疗保健、零售、支付/信用卡、智能办公室、现代农业、建筑施工；工业互联网：智能制造、能源工业、供应链、工业机器人、工业可穿戴设备（智能安全帽等）；物联网技术架构渗入生活的物联网InternetOfThings知识讲解

物联网架构通常分为感知层、网络层和应用层三个层次

从应用层面可以看出，物联网真的是可以无处不用，无处不在。物联网的最终目标是实现任何物体在任何时间、任何地点的链接，帮助人类对物理世界具有“全面的感知能力、透彻的认知能力和智慧的处理能力”。物联网技术架构渗入生活的物联网InternetOfThings知识讲解

物联网层次结构分为三层，自下向上依次是：感知层、网络层、应用层。感知层位于物联网三层结构中的最底层，其功能为“感知”，即通过传感网络获取环境信息。感知层是物联网的核心，是信息采集的关键部分。感知层包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS、传感器、M2M终端、传感器网关等，主要功能是识别物体、采集信息，与人体结构中皮肤和五官的作用类似。对我们人类而言，是使用五官和皮肤，通过视觉、味觉、嗅觉、听觉和触觉感知外部世界。而感知层就是物联网的五官和皮肤，用于识别外界物体和采集信息。感知层解决的是人类世界和物理世界的数据获取问题。它首先通过传感器、数码相机等设备，采集外部物理世界的数据，然后通过RFID、条码、工业现场总线、蓝牙、红外等短距离传输技术传递数据。感知层所需要的关键技术包括检测技术、短距离无线通信技术等。感知层由基本的感应器件（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）以及感应器组成的网络（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识别技术、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。

物联网感知层关键技术渗入生活的物联网InternetOfThings知识讲解一些感知层常见的关键技术如下：传感器技术：传感器是物联网中获得信息的主要设备，它最大作用是帮助人们完成对物品的自动检测和自动控制。常见的传感器包括温度、湿度、压力、光电传感器等，它被应用于多个领域，比如地质勘探、智慧农业、医疗诊断、商品质检、交通安全、文物保护、机械工程等。作为一种检测装置，传感器会先感知外界信息，然后将这些信息通过特定规则转换为电信号，最后由传感网传输到计算机上，供人们或人工智能分析和利用。传感器的物理组成包括敏感元件、转换元件以及电子线路三部分。敏感元件可以直接感受对应的物品，转换元件也叫传感元件，主要作用是将其他形式的数据信号转换为电信号；电子线路作为转换电路可以调节信号，将电信号转换为可供人和计算机处理、管理的有用电信号。射频识别技术：射频识别（RFID，RadioFrequencyIdentification），又称为电子标签技术，该技术是无线非接触式的自动识别技术。可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据。它主要用来为物联网中的各物品建立唯一的身份标示。二维码技术：二维码（2-dimensionalbarcode）又称二维条码、二维条形码，是一种信息识别技术。二维码通过黑白相间的图形记录信息，这些黑白相间的图形是按照特定的规律分布在二维平面上，图形与计算机中的二进制数相对应，人们通过对应的光电识别设备就能将二维码输入计算机进行数据的识别和处理。蓝牙技术：蓝牙技术是典型的短距离无线通讯技术，在物联网感知层得到了广泛应用，既可在移动设备之间配对使用，也可在固定设备之间配对使用，还可在固定和移动设备之间配对使用。该技术将计算机技术与通信技术相结合，解决了在无电线、无电缆的情况下进行短距离信息传输的问题。ZigBee技术：ZigBee指的是IEEE802.15.4协议，它与蓝牙技术一样，也是一种短距离无限通信技术。物联网感知层关键技术渗入生活的物联网InternetOfThings知识讲解

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“大脑”。物联网网络层中存在着各种“神经中枢”，用于信息的传输、处理以及利用等。通讯网络、信息中心、融合网络、网络管理中心等共同构成了物联网的网络层。要实现网络层的数据传输，可以利用多种形式的网络类型，比如人们既可以利用小型局域网、家庭网络、企业内部专网等各类专网进行数据传输，也可以利用互联网、移动通讯网等大型公共网络进行信息传输。事实上，如果能将电视网络和互联网相互融合，那么这两种网络融合后的有线电视网也可以成为物联网网络层的一部分，这种网络能与其他网络配合，共同承担起物联网网络层的多种功能。随着多种应用网络的融合，物联网的进程将会不断加快。

物联网网络层具有多种关键性技术，比如互联网、移动通信网以及无线传感器网络。物联网网络层关键技术渗入生活的物联网InternetOfThings知识讲解物联网网络层的关键技术是什么互联网：互联网是物联网最主要的信息传输网络之一，要实现物联网，就需要互联网适应更大的数据量，提供更多的终端。而要满足一些要求，就必须从技术上进行突破。目前，IPv6技术是攻克这种难题的关键技术，这是因为，IPv6拥有接近无限的地址空间，可以存储和传输海量的数据。利用互联网的IPv6技术，不仅可以为人提供服务，还能为所有硬件设备提供服务。移动通信网：移动物体之间、移动物体与静态物体之间的通信需要利用移动通信网得以实现。和互联网相同，物联网不仅需要有线的信息连接方式，也需要无线的信息连接方式。多种形式的连接方式可以帮助物联网高效且方便地传输和交互数据信息，实现信息的采集和共享。无线传感器网络：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。无线传感器网络包含了多种技术，其中包括现代网络技术、无线通信技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术以及传感器技术等。网关节点（汇聚节点）、传输网络、传感器节点和远程监控共同构成了无线传感器网络，它兼顾了无线通讯、信息监控、事务控制等功能。物联网网络层在互联网、移动通信网以及无线传感器网络的相互配合下，完成了主要的层级功能。物联网网络层关键技术渗入生活的物联网InternetOfThings知识讲解应用层位于物联网三层结构中的最顶层，其功能为“处理”，即通过云计算平台进行信息处理。应用层与最低端的感知层一起,是物联网的显著特征和核心所在,应用层可以对感知层采集数据进行计算、处理和知识挖掘,从而实现对物理世界的实时控制、精确管理和科学决策。应用基础设施/中间件为物联网应用提供信息处理、计算等通用基础服务设施、能力及资源调用接口，以此为基础实现物联网在众多领域的各种应用。应用层包括应用基础设施/中间件和各种物联网应用。物联网应用层关键技术渗入生活的物联网InternetOfThings知识讲解云计算：云计算可以助力物联网海量数据的存储和分析。依据云计算的服务类型可以将云分为：基础架构即服务(IaaS)、平台即服务（PaaS)、服务和软件即服务（SaaS).大数据：应用层可以对感知层采集数据进行计算、处理和知识挖掘，从而实现对物理世界的实时控制、精确管理和科学决策。物联网中间件:物联网中间件是一种独立的系统软件或服务程序,中间件将各种可以公用的能力进行统一封装，提供给物联网应用使用。物联网应用:物联网应用就是用户直接使用的各种应用,如智能操控、安防、电力抄表、远程医疗、智能农业等等。物联网应用层关键技术渗入生活的物联网InternetOfThings知识讲解应用：现在的中国，手机支付已经成为日常行为，刷脸支付也开始推广；在杭州，城市大脑正给我们带来便利的出行；当我们在网上购物时，你清晰地看到你购买的宝贝正离你越来越近；当你到一个陌生的地方，智能导航取代了纸质地图为你指路；城市里的每部电梯的运行参数都自动传送到网上，如果有电梯出现故障，维护工人会第一时间赶