《物联网应用技术》教学教案.docx
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《物联网应用技术》教学教案
教学目标
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。
教学重点
物联网的应用
教学难点
物联网的发展趋势
教学手段
实物演示；教学板书；录像插件；电子课件。
教学学时
4
教学内容与教学过程设计
注释
模块一物联网的概念和体系结构
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——NetworkedCokeMachine。
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,AutoID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。
ZigBee路灯控制系统点亮济南园博园。
首家手机物联网落户广州。
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。
（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（radiofrequencyidentification）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
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machinetomachine（机器对机器）的缩写，根据不同应用场景，往往也被解释为mantomachine（人对机器）、machinetoman（机器对人）、mobiletomachine（移动网络对机器）、machinetomobile（机器对移动网络）。
machine一般特指人造的机器设备，而物联网（internetofthings）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（networkeverything）。
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。
学生说一说身边物联网的应用实例。
了解其他国家的物联网战略。
教师讲解物联网标准化概况。
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。
教师讲解物联网的体系结构。
教学目标
知识目标：
传感器在物联网中的应用，常见自动识别技术，嵌入式系统的组成及应用领域。
能力目标：
针对感知技术的基本知识进行入门教学，使学生读物联网感知技术有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。
教学重点
FRID技术的应用
教学难点
嵌入式系统的组成
教学手段
实物演示；教学板书；录像插件；电子课件。
教学学时
6
教学内容与教学过程设计
注释
模块二物联网感知技术
学习单元一传感器技术
一、传感器概述
一般由三部分组成。
（1）敏感元件。
敏感元件直接感受被测量对象（一般是非电量），并输出与被测量对象成确定关系的其他量（一般是电量）的元件。
（2）转换元件。
转换元件又称传感元件，一般情况下它不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转化为电量输出。
（3）信号转化电路。
信号转化电路是指把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。
二、传感器的分类
1.按照工作原理分类
可分为电阻式、电容式、电感式、光电式、磁电式、热电式、压电式等。
1）电阻应变式传感器
电阻应变式传感器的基本原理是将被测的非电量转换成电阻值的变化，再经过转换电路变成电量输出，实现方法是将电阻应变片粘贴在弹性元件表面上，当力、扭矩、速度、加速度等物理量作用在弹性元件上时，会导致弹性元件和粘贴的电阻应变片发生应变效应，进而引起电阻应变片电阻的变化。
2）压电式传感器
压电式传感器是利用某些物质的压电效应制作的，当被测量物因为受力而产生变化时，传感器能够产生静电电荷或电压变化。
压电式力传感器是利用压电元件直接实现力电转换的传感器，在拉力、压力测量时，通常较多采用双片或多片石英晶片作为压电元件，特点是刚度大、测量范围宽、线性好。
压电式力传感器按照测力状态可分为单向、双向和三向传感器，它们结构基本一致，都是通过弹性膜、盒等，收集压力并转换成力，再传递给压电元件。
3）热电式传感器
热电式传感器所基于的物理原理主要包括热电效应、热阻效应、热辐射、导磁率随温度变化的特性等，因此按照工作原理进一步划分，可将热电式传感器分为热敏电阻、热电偶、PN结型测温传感器、辐射高温计等。
4）光电式传感器
光电式传感器的工作原理基于光电效应。
光电效应是指物体吸收了光能后，光能转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。
光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。
5）磁电式传感器
磁电式传感器主要分为三类：
霍尔元件、磁敏电阻、磁敏二极管和三极管,其中霍尔元件
的应用量最大。
霍尔元件的工作原理是基于霍尔效应。
霍尔效应是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象，输出的稳定电势差即霍尔电压。
根据霍尔效应原理制成的霍尔元件，可用于磁场和功率测量，也可制成开关元件。
6）光纤传感器
光纤传感器一般由光源、光导纤维、光传感器元件、光调制机构和信号处理器等部分组成。
光纤传感器的工作原理是光源发出的光经光导纤维进入光传感元件，而在光传感元件中受到周围环境场的影响而发生变化的光再进入光调制机构，由其将传感元件检测的参数调制成幅度、相位、偏振等信息，这一过程也称为光电转换过程，最后利用微处理器如频谱仪等进行信号处理。
光纤传感器具有强抗干扰性，所以应用范围很广，尤其适用于恶劣环境，具有很大的市场需求。
2.按照被测量对象分类
传感器按照被测量对象可以分为温度传感器、力传感器、湿度传感器、速度和加速度传感器、流量传感器、位移传感器、气体传感器、声音传感器、磁场传感器、光敏传感器、色彩传感器、红外传感器等。
1）温度传感器
温度传感器用来测量冷却水的温度、进水温度和排气温度等。
2）气体传感器
气体传感器是一种将气体的成分、浓度等信息转换成可以被人、仪器仪表、计算机等利用的信息的装置。
3.其他分类方法
传感器按照输出量可以分为模拟式传感器、数字式传感器等，按照工作效应可以分为物理传感器、化学传感器、生物传感器等，按照能量关系可以分为能量转化型、能量控制型传感器等。
三、传感器在物联网中的应用
1）在智能交通领域
2）在医疗领域
四、传感器发展新趋势
1.集成化
传感器的集成化包括两种含义：
一是同一功能的元器件并列化，即将同一类型的单个传感器元件用集成工艺在同一平面上排列起来，组成一维的线性传感器；二是将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，集成一个器件。
2.多功能化
把多个功能不同的传感器集成在一起，除了可以同时测量多种参数外，还可以对这些参数的测量结果进行综合处理和整合，以反映被测系统的整体状态。
3.智能化
智能传感器具有多功能、高性能、体积小、使用方便、适合批量生产等优点，是传感器发展的重要方向。
智能传感器具有以下显著特点。
（1）精度高。
（2）功能全。
智能传感器。
（3）稳定可靠。
（4）检测便捷。
（5）性价比高。
学习单元二RFID技术
一、常见自动识别技术
1.条形码识别技术
条形码可分为一维条形码和二维条形码。
条形码的最大优势是成本低，缺点是只读的，并且需要对准，一次只能读一个，容易破损和被仿冒。
2.光学字符识别技术
光学字符识别（opticalcharacterrecognition，OCR）是指对文本资料进行扫描，然后对图像文件进行分析处理，获取文字及版面信息的过程。
光学字符识别已有30多年历史，近几年又出现了图像字符识别（imagecharacterrecognition，ICR）和智能字符识别（intelligentcharacterrecognition，ICR），实际上这三种自动识别技术的基本原理大致相同。
光学字符识别技术识别过程包括图像输入、预处理，版面分析，字符切割，字符识别，版面恢复，后处理、校对。
3.卡识别技术
1）磁卡识别技术
磁卡是一种磁记录介质卡片，磁卡根据其矫顽磁力可分为低亢磁卡和高亢磁卡，卡体材料有普通PVC、透明PVC或PET、ABS、PETG等。
磁卡工作原理：
磁卡上面剩余磁感应强度在磁卡工作过程中起着决定性的作用，磁卡以一定的速度通过装有线圈的工作磁头，磁卡的外部磁力线切割线圈，在线圈中产生感应电动势，从而传输了被记录的信号。
当然，也要求在磁卡工作中被记录信号有较宽的频率响应、较小的失真和较高的输出电平。
2）IC卡识别技术
IC卡具有以下优点。
（1）存储容量大。
（2）安全保密性好，不容易被复制。
（3）CPU卡具有数据处理能力。
（4）使用寿命长，可以重复充值。
（5）IC卡具有防磁、防静电、防机械损坏和防化学破坏等能力，信息保存年限长，读写次数在数万次以上。
（6）IC卡能广泛应用于金融、电信、交通、商贸、社保、税收、医疗、保险等方面，几乎涵盖所有的公共事业领域。
4.生物特征识别技术
生物特征识别技术就是通过计算机与光学、声学、生物传感器和生物统计学原理等科技手段密切结合，利用人体固有的生理特性和行为特征来进行个人身份的鉴定。
1）指纹识别
指纹识别已被全球大部分国家政府接受与认可，已广泛地应用到政府、军队、银行、社会福利保障、电子商务和安全防卫等领域。
中国科学院的北京汉王科技有限公司在一对多指纹识别算法上取得重大进展，达到的性能指标中拒识率小于0.1%，误识率小于0.0001%，居国际先进水平。
2）人脸识别
人脸识别属于非接触型认证，仅仅看到脸部就可以实现很多应用，因而可被用在证件中的身份认证、重要场所中的安全检测和监控、智能卡中的身份认证、计算机登录等不同的安全领域。
3）皮肤芯片
皮肤芯片通过把红外光照进一小块皮肤并通过测定反射光波长来确认人的身份，其理论基础是每个人的皮肤都有其特有的标记。
由于皮肤具有个性和专一特性，这些都会影响光的反射波长。
4）步态识别
一种方法是通过建立每个人的“运动信号”来识别，通过拍摄人走路或跑步的方法开始研究每个人的运动信号，再利用计算机上的模拟照相机捕捉和储存这一运动行为（用软件工具除去冗余，最终只以数字形象储存物体的一系列轮廓），把一个人的整个走路过程拍摄下来，指令计算机就能根据储存的形象确定这个人的身份。
另一种方法则是使用结构分析方法去测定一个人的跨步和腿伸展特性。
5）虹膜识别
个体的虹膜结构独一无二，不具遗传性（即使同卵双胞胎的虹膜也各不相同），并且自童年以后便基本不再变化，非常适合应用于生物特征识别。
有统计数据表明，到目前为止，虹膜识别的错误率是各种生物特征识别中最低的。
二、RFID技术概述
1.RFID的特点
射频识别系统最重要的优点是非接触识别，它能穿透雪、雾、冰、涂料、尘垢和条形码无法使用的恶劣环境阅读标签，并且阅读速度极快，大多数情况下不到100ms。
2.RFID系统的工作原理
一套完整的RFID系统是由阅读器、电子标签（应答器）及应用软件系统三个部分组成，其工作原理是阅读器发射出一特定频率的无线电波能量给应答器，用以驱动应答器电路将内部的数据送出，此时阅读器便依序接收解读数据，送给应用程序进行相应的处理。
3.RFID技术的发展进程
三、RFID产品的分类
1.依据工作频率的分类
1）低频RFID产品
低频RFID产品的主要应用如下。
（1）畜牧业的管理系统。
（2）汽车防盗和无钥匙开门系统。
（3）马拉松赛跑系统。
（4）自动停车场收费和车辆管理系统。
（5）自动加油系统。
（6）酒店门锁系统。
（7）门禁和安全管理系统。
2）高频RFID产品
高频RFID产品主要应用如下。
（1）图书管理系统。
（2）瓦斯钢瓶的管理。
（3）服装生产线和物流系统。
（4）三表预收费系统。
（5）酒店门锁的管理。
（6）大型会议人员通道系统。
（7）固定资产的管理系统。
（8）医药物流系统的管理。
（9）智能货架的管理。
（10）珠宝盘点管理。
3）超高频PFID产品
超高频RFID产品主要应用如下。
（1）供应链上的管理。
（2）生产线自动化的管理。
（3）航空包裹的管理。
（4）集装箱的管理。
（5）铁路包裹的管理。
（6）后勤管理系统。
2.依据电子标签供电方式的分类
有源RFID产品主要工作频率有超高频915MHz、微波2.45GHz。
无源RFID产品主要工作频率有低频125kHz、高频13.56MHz、超高频433MHz、超高频915MHz。
半有源RFID产品，结合有源RFID产品及无源RF
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