物聯網應用案例全書電子教案完整版課件

1、第1章 初識物聯網物聯網應用案例1.1物聯網的概念與發(fā)展歷程1.2物聯網應用場景與行業(yè)解決方案1.3物聯網通信技術簡介1.4物聯網應用架構概述目錄1.5總結與展望物聯網（Internet of Things，IoT）是一個基于互聯網、傳統(tǒng)電信網等信息承載體，是讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現互聯互通的網絡。在物聯網中，所有物品通過信息傳感設備與互聯網連接起來，相互間進行信息交換，以實現平臺層的智能化識別和管理。物聯網的概念起源于美國，當時物聯網還被叫作“傳感網”。國際電信聯盟（InternationalTelecommunication Union，ITU）對物聯網的定義是：通過無線射頻

2、識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品通過物聯網域名相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡概念。1.1.1 物聯網的概念1.1.1 物聯網的概念（1）互聯網特征。物聯網的核心和基礎仍然是互聯網。物聯網是在互聯網基礎上進行延伸和擴展的網絡。（2）識別與通信特征。物聯網的用戶端延伸并擴展到了任何物品與物品之間，納入物聯網的“物”需要具備自動識別與物物通信的功能，實現“物物相息”。（3）智能化特征。網絡系統(tǒng)應具有自動化、自我反饋與智能控制的特點。物聯網的本質特征概括來說主要有以下 3個方面。1.1.2 物

3、聯網的發(fā)展歷程1999 年美國麻省理工學院（MIT）Auto-ID 中心的阿什頓（Ashton）教授提出了物聯網的概念。同年，在美國召開的移動計算和網絡國際會議上，專家學者們提出“傳感網（物聯網）是下個世紀人類面臨的又一個發(fā)展機遇”的理念。2003 2005 年2009 年2003 年，美國技術評論雜志提出傳感網絡技術（物聯網）將是未來改變人們生活的十大技術之首。2005 年 11 月 17 日，在突尼斯舉行的信息社會世界峰會（World Summit on the Information Society，WSIS）上，再一次提出了“物聯網”的概念。第二屆中國移動政務研討會于 2008 年 1

4、1 月在北京大學舉辦，會議以“知識社會與創(chuàng)新 2.0”為主題，提出移動技術、物聯網技術的發(fā)展代表著新一代信息技術的形成，并帶動經濟社會形態(tài)、創(chuàng)新形態(tài)的變革，推動面向知識社會的以用戶體驗為核心的下一代創(chuàng)新形態(tài)的形成。2009 年 2 月 24 日，在 IBM 論壇上，IBM 公司大中華區(qū)首席執(zhí)行官錢大群公布了名為“智慧的地球”的最新策略。2009 年，物聯網被我國正式列為國家五大新興戰(zhàn)略性產業(yè)之一，寫入政府工作報告。2008 年如今，中國的物聯網產業(yè)不斷發(fā)展，其應用領域已經超越了 1999 年阿什頓教授和 2005 年 ITU報告所限定的范圍，與時俱進的中國式物聯網已漸漸走向成熟。智慧物流指的是

5、以物聯網、大數據、人工智能等信息技術為支撐，在物流的倉儲、運輸、配送等各個環(huán)節(jié)實現系統(tǒng)感知、全面分析及處理等功能。當前，物聯網在智慧物流領域的應用主要體現在倉儲與庫存監(jiān)控、配送管理、物流安全追溯等，形成跨部門、跨區(qū)域、跨行業(yè)的物流公共服務平臺，提高物流效率，保障其安全和可控。智慧物流概念圖如圖 1-1 所示。智慧物流通過在物流商品中植入傳感芯片，將感知信息與后臺的地理信息系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)（GIS/GPS）數據庫相結合，形成強大的物流信息網絡。1.2.1 智慧物流圖 1-1 智慧物流概念圖智能交通是物聯網的一大重要應用場景。它利用信息技術將人、車和路緊密地結合起來，改善交通運輸環(huán)境，保障交通安

6、全并提高資源利用率。智能交通具體應用領域包括智能公交、共享單車、車聯網、充電樁監(jiān)測、交通控制與管理及智慧停車等。近年來，車聯網成為各大整車廠和互聯網企業(yè)的熱門研究領域。車聯網概念圖如圖 1-2 所示。1.2.2 智能交通圖 1-2 車聯網概念圖1.2.2 智能交通在智能公交方面：物聯網與衛(wèi)星定位技術、移動通信技術、地理信息系統(tǒng)相結合，綜合運用網絡通信及電子控制等手段，集智能運營調度、電子站牌發(fā)布、智能卡收費、快速公交系統(tǒng)（BRT）管理等于一體，詳細掌握每輛公交車的實時運行狀況。在交通控制與管理方面：通過物聯網技術與檢測設備，我們可以在相應路段或特殊情況時根據車流量自動控制紅綠燈的時長，可以提前

7、向車主預告擁堵路段、推薦最佳行駛路線，提升交通管控的效率，保障通行秩序，還可以自動檢測并報告公路、橋梁的“健康”狀況，避免超載車輛經過橋梁。在智慧停車方面：智能化的停車場通過采用超聲波傳感器、攝像感應、地感性傳感器、太陽能供電等技術，對停入的車輛進行感應并傳遞信息，停車智能管理平臺接收到反饋后即顯示當前的停車位數量。以片區(qū)為單位進行整合的智能停車系統(tǒng)作為市民的停車向導，大大縮短了人們找尋車位的時間。1.2.3 智能安防相比起傳統(tǒng)安防對人員的依賴性比較大，基于物聯網技術的智能安防在人力資源方面耗費較低。智能安防通過智能設備對安全情況做出判斷，對社會治安、危險化學品運輸等進行監(jiān)控，形成重點區(qū)域和行

8、業(yè)的監(jiān)管平臺，可以提升公共安全管理的信息化水平。智能安防概念示意如圖 1-3 所示。圖 1-3 智能安防概念示意智能安防最核心的部分在于智能安防系統(tǒng)，一個完整的智能安防系統(tǒng)主要包括三大部分，門禁、報警和監(jiān)控。智能安防系統(tǒng)以視頻監(jiān)控為主，通過成千上萬個覆蓋地面、柵欄和低空探測的傳感節(jié)點，對拍攝的圖像進行分析、處理、傳輸與存儲，通過對圖像的處理、識別及與終端間的數據傳輸，防止入侵者翻越、偷渡及恐怖襲擊等事件的發(fā)生。1.2.4 智能醫(yī)療在智能醫(yī)療領域，新技術的應用必須以人為中心，對人體各項數據進行全面了解和分析，對病情變化進行實時監(jiān)控，而物聯網技術則是數據獲取與監(jiān)控的一項有效途徑。通過物聯網技術和傳

9、感器可對人體的臟腑功能和生理狀態(tài)（如心跳頻率、體力消耗、血壓高低等）進行監(jiān)測，一般采用可穿戴的醫(yī)療設備，將檢測到的人體數據傳輸、記錄到電子健康文件中，方便個人或醫(yī)生進行查閱與監(jiān)控。智能醫(yī)療概念示意如圖 1-4 所示。圖 1-4 智能醫(yī)療概念示意以 RFID 技術為代表的自動識別技術在智能醫(yī)療行業(yè)也應用廣泛，它可以幫助醫(yī)院實現對病人不間斷的監(jiān)控、會診并共享醫(yī)療記錄。RFID 技術與醫(yī)院信息系統(tǒng)（HIS）及藥品物流系統(tǒng)的融合，是醫(yī)療信息化的必然趨勢，基于物聯網技術的智能醫(yī)療能有效地幫助醫(yī)院實現對人及物品的智能化管理。1.2.5 智慧城市物聯網在智慧城市建設中的應用越來越多，如圖 1-5 所示，主要

10、體現在智慧建筑，古跡、古樹實時監(jiān)測，數字圖書館和數字檔案館，智慧能源等方面。圖 1-5 物聯網在智慧城市建設中的應用1.2.5 智慧城市智慧建筑01OPTION智慧建筑主要體現在用電照明、消防監(jiān)測、智慧電梯、樓宇監(jiān)測及運用于古建筑領域的白蟻監(jiān)測等方面。通過物聯網和感應技術，建筑物內照明燈能自動調節(jié)亮度，實現節(jié)能環(huán)保。設備對建筑物內情況進行感知、傳輸并實現遠程監(jiān)控，將建筑物的運作狀況通過物聯網實時傳送至管理者，節(jié)約能源的同時也減少了樓宇的運維成本。古跡、古樹實時監(jiān)測02OPTION在許多城市，通過物聯網采集古跡、古樹的年代、損毀狀態(tài)及氣候等信息已十分常見。通過對古建筑與自然風貌現狀的數據采集與監(jiān)

11、控，相關機構能及時做出分析判斷，采取保護措施。在旅游文化傳播方面，對古跡的實時監(jiān)測還能建立景區(qū)內部的電子導游系統(tǒng)，或是將有代表性的景點圖像傳遞到互聯網，在帶給游客們更好的旅游體驗的同時，也可以利用物聯網技術宣傳地區(qū)的旅游特色，促進旅游經濟和文化的發(fā)展。1.2.5 智慧城市數字圖書館和數字檔案館03OPTION圖書館和檔案館是城市的智慧庫，運營和管理這樣大的數據庫是一件煩瑣且極其耗費人力和時間的事情?；谖锫摼W的數字圖書館和檔案館使用 RFID 設備，從文獻的分編、加工、流通和典藏到讀者證卡的申辦和管理，原有的條碼、磁條等傳統(tǒng)圖書管理方式已被 RFID 標簽和閱讀器完全取代。將 RFID 技術與

12、圖書館數字化系統(tǒng)相結合，通過掃描裝置，工作人員能迅速獲取書的類別和位置信息并進行分揀，從而實現架位標識、文獻定位導航與智能分揀。智慧能源04OPTION物聯網在智慧能源方面的應用主要集中在水能、電能、燃氣能源的控制，路燈、井蓋、垃圾桶等設備的控制，以及環(huán)境保護方面。這些智慧能源方面的應用將物聯網技術與傳統(tǒng)的水、電、光能設備相連接，通過數據的監(jiān)測與傳遞，提升能源利用效率，減少能源的損耗。1.2.6 智能家居有別于傳統(tǒng)的家居交互，智能家居并非只是將家庭電子產品簡單連接，而是通過物聯網將家居與外部服務連接起來，實現設備與服務的交互，旨在使用不同的物聯網技術和感應設備，提高家居使用的便捷度和效率，提升

13、人們家庭生活的舒適度和安全度。圖 1-6 物聯網在智能家居中的應用體應用場景里，物聯網技術使得業(yè)主能夠對家居類產品的位置、狀態(tài)、變化進行監(jiān)測。物聯網平臺獲取數據后，分析其變化特征并進行反饋，根據人們的需求，對家居進行一定程度的管理和控制。智能家居行業(yè)的發(fā)展主要分為 3 個階段，單品連接、物物聯動和平臺集成。1.2.7 智能零售行業(yè)內將零售按照距離分為了 3 種形式，分別是遠場零售以電商為代表；中場零售以商場、超市為代表；近場零售以便利店、自動售貨機為代表。智能零售通過物聯網技術將傳統(tǒng)的便利店和售貨機進行數字化改造、升級，打造成無人零售模式?；谖锫摼W的智能零售行業(yè)也可以對食品安全進行把控。人們

14、用 RFID 電子標簽取代零售業(yè)的傳統(tǒng)條碼（Barcode），使物品識別的穿透性（主要指穿透金屬和液體）、距離限制及商品防盜、跟蹤系統(tǒng)得到極大的改進。1.2.8 智慧農業(yè)智慧農業(yè)指的是利用物聯網、人工智能、大數據等現代信息技術與農業(yè)的深度融合，實現農業(yè)生產精細化管理，主要表現在農業(yè)種植和畜牧養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控、農產品質量安全管理與產品溯源等方面，尤其是在農業(yè)種植和畜牧養(yǎng)殖方面。物聯網在智慧農業(yè)中的應用如圖 1-7 所示。圖 1-7 物聯網在智慧農業(yè)中的應用農業(yè)種植人員通過傳感器、攝像頭和衛(wèi)星等收集數據，實現農作物數字化和機械裝備數字化（主要指的是農機車聯網）發(fā)展。畜牧養(yǎng)殖人員利用傳統(tǒng)的耳標、可穿戴設

15、備及攝像頭等收集畜禽的數據，通過對收集到的數據進行分析，運用算法判斷畜禽健康狀況、喂養(yǎng)情況，進行產值預測，對養(yǎng)殖過程進行精準化管理。1.3.1 有線通信技術以太網（Ethernet，ETH）是當今現有局域網采用的最通用的通信協(xié)議標準，包括標準的以太網、快速以太網和萬兆以太網。以太網絡使用 CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測）技術，用于支持以太網標準的智能終端的連接使用。以太網（Ethernet）01OPTION以太網的技術標準由 IEEE（電氣電子工程師學會）的 IEEE 802.3 規(guī)定，包括物理層的連線、電子信號和介質訪問層協(xié)議的內容。以太網使用雙絞線作為傳輸媒介，沒有中繼，最遠可

16、以覆蓋 200 米的范圍。最普及的以太網類型數據傳輸速率為 100Mbit/s，更新的標準則支持 1Gbit/s和 10Gbit/s 的傳輸速率。以太網技術是目前應用最普遍的局域網技術，已經逐步取代了其他局域網標準，如令牌環(huán)、FDDI（光纖分布式數據接口）和 ARCNET 令牌總線等。1.3.1 有線通信技術戶用儀表總線（Meter Bus，M-Bus）由德國帕德博恩（Paderborn）大學的霍斯特齊格勒（Horst Ziegler）博士與 TI（德州儀器）公司共同提出，是一種用于非電力戶用儀表傳輸的歐洲總線標準，是現在物聯網常用的規(guī)模通信方式。戶用儀表總線（M-Bus）02OPTION概念

17、組成M-Bus 總線的概念基于 OSI（開放式系統(tǒng)互聯）參考模型，但是 M-Bus 又不是真正意義上的一種網絡。M-Bus 是一個層次化的系統(tǒng)，由一個主設備、若干從設備和一對連接線纜組成，所有從設備并行連接在總線上，由主設備控制總線上的所有串行通信進程。優(yōu)點M-Bus 串行通信方式的總線型拓撲結構使其具有良好的抗外部干擾性，且組網成本較低，支持長距離傳輸。應用用于遠程抄表系統(tǒng)、建筑物和工業(yè)能源消耗數據采集以及家庭電子系統(tǒng)中。1.3.1 有線通信技術電力線通信（Power Line Communication，PLC）全稱是電力線載波（Power Line Carrier）通信，它是指利用高壓電

18、力線（電壓等級在 35kV 及以上）、中壓電力線（電壓等級 10kV）或低壓配電線（380/220V 用戶線）作為信息傳輸媒介進行語音或數據傳輸的一種特殊通信方式。電力線通信（PLC）03OPTION該技術是把載有信息的高頻信號加載于電流，然后用電線傳輸，接收信息的適配器再把高頻信號從電流中分離出來并傳送到計算機或電話以實現信息傳遞。PLC 正在向大容量、高速率方向發(fā)展，同時轉向采用低壓配電網進行載波通信，實現家庭用戶利用電力線打電話、上網等多種業(yè)務。從占用頻率帶寬的角度，PLC 可分為窄帶 PLC 和寬帶 PLC。窄帶 PLC 的載波頻率范圍，在不同國家、不同地區(qū)是不一樣的，美國為 5045

19、0kHz，中國為 40500kHz。寬帶 PLC 的載波頻率范圍，美國為 4500kHz，主要用于戶內；歐洲為 1.610MHz 和 1030MHz。PLC 在新式信息家電中應用廣泛，應用形式多種多樣。PLC 不僅可以將電表的數據傳輸到工業(yè)網關上，同時還可以作為家庭網絡來使用。PLC 非常便于在傳統(tǒng)數據處理設備（如個人計算機等）與計算機外設之間交換數據。此外，PLC 也可用于信息家電與計算機的數據交換。1.3.1 有線通信技術通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）是一個外部總線標準，應用在個人計算機（PC）領域的接口技術中，用于規(guī)范計算機與外部設備的連接和通信。USB

20、 采用四線電纜，其中兩根是用來傳送數據的串行通道，另外兩根為下游設備提供電源，對于任何已經成功連接且相互識別的外設，將以雙方設備均能夠支持的最高速率傳輸數據。USB 總線會根據外設情況在所兼容的傳輸模式中自動地由高速向低速動態(tài)轉換并匹配鎖定在合適的速率。USB 接口理論上最多可支持 127 個裝置。此外，USB 的另一個顯著優(yōu)點是支持熱插拔（帶電插拔），實現真正的安全的即插即用?，F今最新的 USB 規(guī)范是由英特爾等公司發(fā)起的 USB 3.0也被認為是超高速 USB。從鍵盤到高吞吐量磁盤驅動器，各種器件都能夠采用這種低成本接口進行平穩(wěn)運行的即插即用連接。新的 USB 3.0 在保持與 USB 2

21、.0 的兼容性的同時，能夠使主機更快地識別器件，極大提高了傳輸帶寬理論最高達 5Gbit/s 全雙工，實現了更好的電源管理和更高的數據處理效率。通用串行總線（USB）04OPTION1.3.1 有線通信技術RS-232 是個人計算機上的通信接口之一，是由電子工業(yè)協(xié)會（Electronic Industries Association，EIA）制定的異步傳輸標準接口。RS-232 接口是目前最常用的一種串行通信接口。一般個人計算機上會有兩組 RS-232 接口，分別以DB-9（9 個引腳）和 DB-25（25 個引腳）的形態(tài)出現，分別稱為 COM1 和 COM2。RS-232 與 RS-485

22、的區(qū)別主要在于以下幾個方面。RS-232 和 RS-48505OPTION（1）在傳輸方式上：RS-232 采用不平衡傳輸，即所謂的單端通信；而 RS-485 則采用平衡傳輸，即差分傳輸方式。（2）在傳輸距離上：RS-232 適合本地設備間的通信，傳輸距離一般小于 20 米；而 RS-485 的傳輸距離可高達上千米。（3）在通信對象上：RS-232 只允許一對一通信，而 RS-485 在總線上允許連接多達 128 個收發(fā)器。1.3.2 無線通信技術傳統(tǒng)的無線通信技術主要有蜂窩移動通信技術（包括第二、三、四代移動通信技術等）和短距無線通信技術（包括 Wi-Fi 無線網絡、藍牙、紫蜂網絡、Z-Wa

23、ve 無線網絡等）。主流無線通信技術的簡要對比見表。技術名稱頻段傳輸速率典型距離發(fā)射功率典型應用藍牙2.4GHz124Mbit/s1100m1100mW鼠標、無線耳機、手機、電腦等鄰近點數據交換Wi-Fi 無線網絡2.4GHz 5GHz11b：11Mbit/s 11g：54Mbit/s 11n：600Mbit/s 11ac：1Gbit/s50100m終端 36mW，AP 320mW無線局域網、家庭、室內場所高速上網紫蜂網絡868MHz/915MHz，2.4GHz868MHz：20Kbit/s 915MHz：40Kbit/s 2.4GHz：250Kbit/s2.4GHz 頻段：10100m110

24、0mW家庭自動化、樓宇自動化、遠程控制Z-Ware無線網絡868.42MHZz（歐洲）908.42MHz（美國）9.6Kbit/s 或40Kbit/s30m（室內）100m（室外）1mW智能家居、監(jiān)控和控制SigFox 網絡Sub-G 免授權頻段100bit/s150km100mW智慧家庭、智能電表、移動醫(yī)療、遠程監(jiān)控、零售遠距離無線電Sub-G 免授權頻段0.350Kbit/s120km100mW 智慧農業(yè)、智能建筑、物流追蹤窄帶物聯網Sub-G 授權頻段100Kbit/s120km Java Application”7.3.4 應用層實現step03：查看響應消息的打印日志7.3.4 應用

25、層實現手機 App03OPTION安卓手機安裝 App 后，通過綁定車牌號，注冊不同用戶身份。以家庭用車為例，可注冊駕駛員和家人兩種用戶身份。駕駛員使用界面如圖 7-21 所示，主要內容如下。圖 7-21 駕駛員使用界面7.3.4 應用層實現（2）疲勞駕駛提醒。當系統(tǒng)監(jiān)測到駕駛員正在疲勞駕駛時，會做出相應的語音提醒，建議駕駛員休息。若一段時間內，駕駛員不能調整自己的精神狀態(tài)，即一直處在疲勞狀態(tài)下，且系統(tǒng)監(jiān)測到車輛坐標一直在改變，則會將信息推送給駕駛員家人，讓家人來幫忙阻止駕駛員的疲勞駕駛行為。（1）各項數據的顯示，包括：疲勞程度指數、心率值、血壓（舒張壓、收縮壓）、血氧值、溫度值。當檢測到身體狀