4.1物聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)介教學(xué)設(shè)計(jì)人教-中圖版高中信息技術(shù)選擇性必修2網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

第4章物聯(lián)網(wǎng)與創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)服務(wù)4.1物聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)介教學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)背景信息科技是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的重要部分，主要研究以數(shù)字形式表達(dá)的信息及其應(yīng)用中的科學(xué)原理、思維方法、處理過程和工程實(shí)現(xiàn)。當(dāng)代高速發(fā)展的信息科技對(duì)全球經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和文化發(fā)展起著越來越重要的作用。義務(wù)教育信息科技課程具有基礎(chǔ)性、實(shí)踐性和綜合性，為高中階段信息技術(shù)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。信息科技課程旨在培養(yǎng)科學(xué)精神和科技倫理，提升自主可控意識(shí)，培育社會(huì)主義核心價(jià)值觀，樹立總體國(guó)家安全觀，提升數(shù)字素養(yǎng)與技能。教材分析本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容選自人教/地圖出版社選擇性必修2網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)第4章物聯(lián)網(wǎng)與創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)服務(wù)4.1物聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)介。以物聯(lián)網(wǎng)和“互聯(lián)網(wǎng)+”為特征的信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)正在廣泛流行。一方面，智能、網(wǎng)絡(luò)電視、智能冰箱......越來越多的設(shè)備開始接入網(wǎng)絡(luò)；另一方面，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、教育、交通等傳統(tǒng)行業(yè)也紛紛開始“互聯(lián)網(wǎng)化”?？梢哉f，隨著信息化的進(jìn)程，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)滲透到社會(huì)的各行各業(yè)，產(chǎn)生了網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物、線上支付等一系列創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，對(duì)人們的生活、工作和學(xué)習(xí)產(chǎn)生了重大的影響。教學(xué)目標(biāo)1.掌握物聯(lián)網(wǎng)的概念及其發(fā)展歷程。2.了解與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的設(shè)備及其功能。3.能描述物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的工作原理。教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn):了解與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的設(shè)備及其功能。教學(xué)難點(diǎn):能描述物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的工作原理。教學(xué)方法與教學(xué)手段案例分析法、講授法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)法。教學(xué)過程問題導(dǎo)入體驗(yàn)探索回顧對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的認(rèn)識(shí)當(dāng)前，網(wǎng)絡(luò)不僅廣泛用于即時(shí)通信、網(wǎng)絡(luò)視頻等信息技術(shù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)，還在農(nóng)業(yè)、工業(yè)等傳統(tǒng)行業(yè)中頻繁展現(xiàn)身影；網(wǎng)絡(luò)不僅連接著計(jì)算機(jī)，還連接著智能、平板計(jì)算機(jī)、汽車、網(wǎng)絡(luò)電視等多種智能設(shè)備（圖4.1.1）（參見教材P101）。參照?qǐng)D4.1.1，談一下你對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的認(rèn)識(shí)。認(rèn)識(shí)物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)指通過各種信息傳感設(shè)備，實(shí)時(shí)采集需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體的信息，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)。其目的是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人之間的連接，以便識(shí)別、管理和控制。從硬件設(shè)備上看，物聯(lián)網(wǎng)主要有三個(gè)構(gòu)成要素：終端設(shè)備、網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器（圖4.1.2）（參見教材P102）。從工作邏輯上，則可以分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層（圖4.1.3）（參見教材P102）。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷程物聯(lián)網(wǎng)的理念最早出現(xiàn)在1995年出版的《未來之路》一書中，書中提到了物物互聯(lián)，但受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，并未引起重視。一般認(rèn)為，物聯(lián)網(wǎng)這一概念是1999年出現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)的科研工作者提出“萬物皆可通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)”，闡明了物聯(lián)網(wǎng)的基本含義。從計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)到物聯(lián)網(wǎng)，大體經(jīng)過了三個(gè)階段（圖4.1.4）（參見教材P103）。在最開始，網(wǎng)絡(luò)發(fā)展注重的是把計(jì)算機(jī)和服務(wù)器連接起來，形成了以“萬維網(wǎng)”為代表的關(guān)注信息的網(wǎng)絡(luò)；隨著“普適計(jì)算”等思想的普及，人在網(wǎng)絡(luò)中的作用受到了重視，通過智能、平板計(jì)算機(jī)等設(shè)備，使得人“隨時(shí)隨地”連接網(wǎng)絡(luò)成為可能，從而形成了關(guān)注人的網(wǎng)絡(luò)；隨著網(wǎng)絡(luò)連接的普及，以及芯片技術(shù)、傳感技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展，汽車、眼鏡、手表等物品也開始連入網(wǎng)絡(luò)，從而形成了關(guān)注物的網(wǎng)絡(luò)，也就是物聯(lián)網(wǎng)。盡管物聯(lián)網(wǎng)的基本思想在20世紀(jì)90年代就提出來了，但近年來才引起人們的關(guān)注。進(jìn)入21世紀(jì)后，物聯(lián)網(wǎng)受到了世界各國(guó)前所未有的重視，被認(rèn)為是下一個(gè)推動(dòng)世界高速發(fā)展的“重要生產(chǎn)力”。思考活動(dòng)了解我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成果說一說你接觸過的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，然后搜索并閱讀相關(guān)資料，了解我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)成果。相關(guān)設(shè)備前面已經(jīng)介紹過，物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)設(shè)備主要分為終端設(shè)備、網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器三種。終端設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)中的終端設(shè)備，主要指物，除了平板計(jì)算機(jī)、智能外，電視、手表、眼鏡......任何一件物品，都有可能成為終端設(shè)備。這些終端設(shè)備主要發(fā)揮著兩大類作用：感測(cè)和反饋。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)來說，感測(cè)是從現(xiàn)實(shí)世界獲取信息的過程，可用于感測(cè)的設(shè)備被稱為輸入設(shè)備（圖4.1.5和圖4.1.6）（參見教材P104）。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)收到上傳的信息后，就要決定該如何應(yīng)對(duì)，并把應(yīng)對(duì)方式傳給相應(yīng)的終端設(shè)備。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)來說，反饋就是針對(duì)現(xiàn)實(shí)世界采取行動(dòng)的過程，可用于反饋的設(shè)備被稱為輸出設(shè)備（圖4.1.7和圖4.1.8）（參見教材P104）。也有很多終端設(shè)備不能進(jìn)行這樣簡(jiǎn)單的劃分，它們不僅具有輸入、輸出功能，還能進(jìn)行比較復(fù)雜的信息處理，如智能、平板計(jì)算機(jī)等。日常生活中，常把這些終端設(shè)備稱為智能終端。網(wǎng)關(guān)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)不同的是，物聯(lián)網(wǎng)中的終端設(shè)備類型多種多樣，有很多設(shè)備自身很難具備獨(dú)立連入網(wǎng)絡(luò)的能力，這時(shí)，就需要網(wǎng)關(guān)的幫助。在感測(cè)過程中，網(wǎng)關(guān)主要用于連接設(shè)備和收發(fā)數(shù)據(jù)；在反饋過程中，網(wǎng)關(guān)主要用于向終端設(shè)備傳達(dá)來自服務(wù)器的指令（圖4.1.9）（參見教材P105）。服務(wù)器物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的服務(wù)器，跟普通服務(wù)器的功能類似，通常也具備收發(fā)數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)三大功能（圖4.1.10）（參見教材P105）。不同的是，物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器收發(fā)的數(shù)據(jù)，其格式或類型通常更復(fù)雜（圖4.1.11）（參見教材P106），數(shù)據(jù)量也更大，因而數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)可能會(huì)用到大數(shù)據(jù)技術(shù)。服務(wù)器處理數(shù)據(jù)主要有批處理和流處理兩種方式。采用批處理方式時(shí)，會(huì)先保存數(shù)據(jù)，等待一定的時(shí)間后，一次性集中處理這段時(shí)間保存的數(shù)據(jù)（圖4.1.12）（參見教材P106）；采用流處理方式時(shí)，則會(huì)在收到數(shù)據(jù)后立刻進(jìn)行處理，并進(jìn)行保存（圖4.1.13）（參見教材P106）。思考活動(dòng)總結(jié)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)設(shè)備的功能你還知道哪些物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)設(shè)備？它們具備怎樣的功能？感測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介物聯(lián)網(wǎng)的一大任務(wù)是感測(cè)現(xiàn)實(shí)世界。目前，感測(cè)現(xiàn)實(shí)世界主要有以下關(guān)鍵技術(shù)。傳感器技術(shù)一般認(rèn)為，傳感器技術(shù)與通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成了信息技術(shù)的三大支柱。傳感器技術(shù)的典型產(chǎn)品是種類各異的傳感器。情境1：慢慢接近中午了，天越來越熱，空氣也越來越干燥。突然，王紅叔叔家的智能大棚自動(dòng)開始噴水了。噴灑了一會(huì)之后，又自動(dòng)結(jié)束了。在這個(gè)過程中，可能用到了哪些傳感器，這些傳感器起了什么作用？傳感器是一種能夠?qū)⒛骋槐粶y(cè)物理量（如速度、溫度、聲、光等）轉(zhuǎn)換成便于傳輸和處理的另一物理量（通常為電量）的器件或裝置。傳感器是物聯(lián)網(wǎng)感知物理世界的重要依托，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)根據(jù)傳感獲知的情況來開啟或停止相應(yīng)的操作。射頻識(shí)別技術(shù)射頻識(shí)別（radiofrequencyidentification，RFID）技術(shù)主要用于解決物體識(shí)別問題，如識(shí)別交通卡、托運(yùn)的行李、飼養(yǎng)的動(dòng)物等。圖4.1.14（參見教材P107）展示了一個(gè)典型的RFID系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)由標(biāo)簽、閱讀器和天線三部分構(gòu)成。使用時(shí)，先在標(biāo)簽上寫入關(guān)于物體的信息，并放入物體中，此后，閱讀器無需接觸標(biāo)簽，就可以讀取標(biāo)簽，從而獲取相關(guān)的信息。你知道哪些使用了射頻識(shí)別技術(shù)的產(chǎn)品？這些產(chǎn)品分別用于識(shí)別哪些物體？二維碼技術(shù)二維碼具有信息容量大、成本低、準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)。那些不適合嵌入電子標(biāo)簽的物體，可以通過張貼二維碼來解決識(shí)別問題（圖4.1.15）（參見教材P108）。定位技術(shù)感測(cè)物體所處的位置，也是物聯(lián)網(wǎng)感測(cè)客觀世界的一個(gè)重要任務(wù)。從應(yīng)用場(chǎng)景上看，定位技術(shù)可以分為兩大類：室外定位和室內(nèi)定位（圖4.1.16）（參見教材P108）。室外定位相對(duì)成熟，利用衛(wèi)星、基站等，都可以較好地實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，精度也比較高。室內(nèi)精確定位一直是個(gè)難題，現(xiàn)在一般借助各種無線信號(hào)來完成，比如把屋內(nèi)WiFi信號(hào)的特征分布記錄下來，然后根據(jù)特征確定聯(lián)網(wǎng)設(shè)備所處的位置。思考活動(dòng)討論定位功能在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中的應(yīng)用你知道哪些基于定位功能的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)？它們?yōu)槭裁匆枚ㄎ还δ?？這些服務(wù)如何獲取和利用位置信息？聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡(jiǎn)介從功能上看，物聯(lián)網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)可以分為兩種：一種是用于連接服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)；一種是把設(shè)備連接到其他設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)（圖4.1.17）（參見教材P109）。用于連接服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)比較好理解，前面介紹的互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等都屬于這類網(wǎng)絡(luò)；用于實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備互聯(lián)（如傳感器和網(wǎng)關(guān)互聯(lián)）的網(wǎng)絡(luò)，則是物聯(lián)網(wǎng)特有的。從傳輸介質(zhì)上看，把“萬物”接入物聯(lián)網(wǎng)，也可以分為有線網(wǎng)和無線網(wǎng)兩種。有線連接包括網(wǎng)線連接、USB連接等（圖4.1.18）（參見教材P109）。無線連接包括WiFi、移動(dòng)通信網(wǎng)、藍(lán)牙（bluetooth）、近場(chǎng)通信（nearfieldmunication，NFC）、ZigBee（蜂舞協(xié)議）等。下面對(duì)藍(lán)牙、近場(chǎng)通信等進(jìn)行介紹。藍(lán)牙藍(lán)牙是一種近距離無線通信技術(shù)，多數(shù)智能和筆記本計(jì)算機(jī)都具有藍(lán)牙通信功能。藍(lán)牙可用于設(shè)備連接，同時(shí)也可以用來傳輸數(shù)據(jù)。項(xiàng)目活動(dòng)試用藍(lán)牙技術(shù)通信1.準(zhǔn)備一臺(tái)具備藍(lán)牙功能的計(jì)算機(jī)和兩部具有藍(lán)牙功能的智能。2.讓計(jì)算機(jī)搜索藍(lán)牙設(shè)備，并參照屏幕中的提示，完成配對(duì)操作（圖4.1.19）（參見教材P110）。3.在計(jì)算機(jī)中打開藍(lán)牙管理界面，并啟用接收文件功能。4.在上打開一張照片，然后利用藍(lán)牙功能發(fā)送這張照片（圖4.1.20）（參見教材P110）。5.傳輸完畢后，用計(jì)算機(jī)打開接收到的照片。6.用搜索附近的藍(lán)牙設(shè)備，讓這兩部進(jìn)行藍(lán)牙配對(duì)。7.嘗試用一部向另一部發(fā)送照片。近場(chǎng)通信技術(shù)情境2：很多人肯定有這樣的經(jīng)歷：上下公共汽車或出入地鐵站時(shí)，大家只要把交通卡在刷卡設(shè)備上“嘀”一下，相關(guān)的計(jì)費(fèi)或付費(fèi)工作就完成了（圖4.1.21）（參見教材P111）。這個(gè)“刷”卡行為的背后，依靠的是什么技術(shù)原理呢？目前，很多“刷”卡操作是依靠近場(chǎng)通信技術(shù)來完成的。采用這項(xiàng)技術(shù)后，可以讓相關(guān)設(shè)備（如和刷卡機(jī)）在彼此靠近的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，也可以讓交通卡等物體被相關(guān)設(shè)備識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)物體與網(wǎng)絡(luò)的連接。項(xiàng)目實(shí)施試用讀取交通卡中的信息1.準(zhǔn)備一部具備NFC功能的和一張交通卡。2.把交通卡放到NFC模塊的位置處，聽到“嘀”的一聲后，的屏幕上就會(huì)顯示通過NFC發(fā)現(xiàn)的物體。3.選擇相關(guān)的程序，查看交通卡信息（圖4.1.22）（參見教材P111）。不難想象，如果是一個(gè)具有修改功能的設(shè)備，就可以增加或減少交通卡中的金額，從而完成充值或付費(fèi)任務(wù)。近場(chǎng)通信技術(shù)不僅可以用來讀取各種設(shè)備，也能用來傳輸文件。項(xiàng)目實(shí)施試用NFC功能傳輸文件1.準(zhǔn)備兩部支持NFC功能的，了解它們的NFC模塊所在位置。2.在一部上打開一張圖像，然后讓兩部的NFC模塊互相靠近。幾乎要互相貼著時(shí)，會(huì)聽到“嘀”的一聲，表示兩部已經(jīng)建立了NFC連接。3.查看已經(jīng)打開圖像的，然后按屏幕的提示點(diǎn)擊一下，就會(huì)自動(dòng)把圖像發(fā)送到另一部中（圖4.1.23）（參見教材P112）。提示：發(fā)送過程中，兩部不能相隔太遠(yuǎn)。4.用另一部翻看剛剛獲取的圖像文件。思考活動(dòng)總結(jié)藍(lán)牙技術(shù)和近場(chǎng)通信技術(shù)的異同根據(jù)前面的實(shí)踐活動(dòng)并查閱相關(guān)資料，然后參照下面的問題，總結(jié)藍(lán)牙技術(shù)和近場(chǎng)通信技術(shù)的異同。·互聯(lián)設(shè)備是否都要有供電裝置？·通信前是否需要進(jìn)行手工配對(duì)？·哪種技術(shù)支持的傳輸距離長(zhǎng)？·哪種技術(shù)的傳輸速度快？除了上面介紹的技術(shù)外，物聯(lián)網(wǎng)中使用的無線通信技術(shù)還有ZigBee、LiFi等。ZigBee具有網(wǎng)絡(luò)容量大、安全可靠等特點(diǎn)，ZigBee網(wǎng)中的設(shè)備之間可以自動(dòng)形成一個(gè)網(wǎng)狀拓?fù)洹iFi利用可見光波（如燈泡發(fā)出的光）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，理論上，人們甚至可以利用街邊的路燈傳輸信息。服務(wù)器端技術(shù)簡(jiǎn)介感測(cè)技術(shù)獲得的大量信息，通過各種網(wǎng)絡(luò)傳輸匯聚到服務(wù)器后，還需要在服務(wù)器上進(jìn)行有效地整合分析。相關(guān)的技術(shù)非常多，其中大數(shù)據(jù)和云計(jì)算目前在服務(wù)器端的應(yīng)用非常廣泛。大數(shù)據(jù)大數(shù)據(jù)是用來形容數(shù)據(jù)爆炸性增長(zhǎng)的術(shù)語，其顯著特征是“數(shù)據(jù)量大”，但直到今日，研究者仍無法給出一個(gè)科學(xué)的定義。一般來說，大數(shù)據(jù)指大小超出了常規(guī)數(shù)據(jù)工具處理能力的數(shù)據(jù)集。通常認(rèn)為，大數(shù)據(jù)具有巨量性、多樣性、迅變性等特征，物聯(lián)網(wǎng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)恰好與這些特征相吻合。云計(jì)算云計(jì)算可以視為一種全新的、方便人們使用各種資源（包括中央處理器、內(nèi)存、硬盤、軟件等）的計(jì)算模式。計(jì)算資源所在的地方稱為云端；使用這些資源，負(fù)責(zé)輸入和輸出的設(shè)備稱為云終端（圖4.1.25）（參見教材P114）。使用時(shí)，云終端通過網(wǎng)絡(luò)向云端發(fā)送請(qǐng)求，云端處理后返回結(jié)果。具體來說，包括3種服務(wù)模式（圖4.1.26）（參見教材P114）：基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)。云端提供中央處理器、內(nèi)存、存儲(chǔ)器等資源，用戶像使用一臺(tái)普通計(jì)算機(jī)那樣，根據(jù)自己的需要安裝系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。平臺(tái)即服務(wù)。云端提供已經(jīng)配好的各種開發(fā)、應(yīng)用平臺(tái)，用戶根據(jù)需要開發(fā)、安裝各種應(yīng)用軟件。軟件即服務(wù)。云端提供用戶需要的應(yīng)用軟件，用戶只要關(guān)心如何使用就可以了?？梢赃@樣認(rèn)為，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生了大數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)的處理需要借助云計(jì)算，而云計(jì)算則支持了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。三者的關(guān)系可見圖4.1.27（參見教材P114）。項(xiàng)目實(shí)施總結(jié)自己對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的認(rèn)識(shí)在了解物聯(lián)網(wǎng)的概念和發(fā)展歷程、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及其功能，以及它的社會(huì)影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合自己的使用感受，總結(jié)自己對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的認(rèn)識(shí)。提示：1.可以宏觀地、全方位地介紹對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的認(rèn)識(shí)，也可以選擇一個(gè)切入點(diǎn)，就某一具體的問題進(jìn)行闡述；2.觀點(diǎn)鮮明，內(nèi)容嚴(yán)謹(jǐn)；3.語言精練，便于理解。課后作業(yè)1.物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)體系可以分為幾層，分別是什么？2.嘗試在沒有WiFi的情況下，讓兩個(gè)智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)文件分享。3.不同的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是如何跟物聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)相連接的？4.物聯(lián)網(wǎng)的終端設(shè)備，主要承擔(dān)著哪兩大功能？5.物聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)關(guān)設(shè)備和服