《3.1-信息系統(tǒng)與外部世界的連接方式》參考課件1

3.1信息系統(tǒng)與外部世界的連接方式教材p62-p69網(wǎng)絡(luò)深刻地改變著人們的生產(chǎn)和生活方式，從電子郵件到即時(shí)通信，從超文本標(biāo)記語言(HTML)到萬維網(wǎng)（WWW）技術(shù)引發(fā)的信息爆炸，再到今天移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的普及，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)不僅僅是一項(xiàng)通信技術(shù)，它成就了人類史上最龐大的信息世界。21世紀(jì)以來,隨著傳感技術(shù)的快速發(fā)展，信息的傳遞、轉(zhuǎn)換跨出了數(shù)字世界，逐步與現(xiàn)實(shí)世界相互交織,以傳感器和識(shí)別終端為代表的信息自動(dòng)生成設(shè)備可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地開展對(duì)物理世界的感知、測量和監(jiān)控。物理世界的聯(lián)網(wǎng)需求和信息世界的擴(kuò)展需求催生出萬物百聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings）。同時(shí)，它也讓人工智能更好地普及至千家萬戶。3.1.1信息系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)探究活動(dòng)體驗(yàn)共享單車就是一個(gè)典型的依托二維碼的物聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)。如果用戶需要使用共享單車，只需用手機(jī)APP掃描車身上的二維碼,就可以實(shí)現(xiàn)開鎖騎行,在云平臺(tái)上將自動(dòng)計(jì)算行程和費(fèi)用,大大方便了用戶,如圖3-4所示。尋找一輛共享單車進(jìn)行操作體驗(yàn)，思考如下問題:(1）共享單車上的二維碼，在整個(gè)信息系統(tǒng)當(dāng)中起到了什么作用?(2）與傳統(tǒng)的公共單車租用相比,共享單車有什么優(yōu)勢(shì)?二維碼識(shí)別技術(shù)也用在智能家居上，讓入住變得更加方便快捷。如一些酒店使用智能手機(jī)和二維碼智能門鎖取代傳統(tǒng)的鑰匙門鎖，通過在門鎖內(nèi)部嵌入二維碼掃描器就可以實(shí)現(xiàn)用智能手機(jī)開門!根據(jù)以上共享單車體驗(yàn)，參考圖3-4，嘗試畫出二維碼智能開鎖家居系統(tǒng)的體驗(yàn)過程示意圖。1.信息系統(tǒng)與外部世界連接方式的演變計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展大約經(jīng)歷了三個(gè)階段:第一階段：人們解決的主要問題是“讓人和計(jì)算機(jī)對(duì)話”，即操作計(jì)算機(jī)的人輸入指令，計(jì)算機(jī)按照人的意圖執(zhí)行指令，完成任務(wù)。第二階段：在計(jì)算機(jī)大規(guī)模普及之后，人們開始考慮“讓計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)對(duì)話”，即讓處在不同空間的計(jì)算機(jī)可以數(shù)據(jù)傳遞、資源共享，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)則應(yīng)運(yùn)而生。互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展實(shí)現(xiàn)了世界范圍內(nèi)人與人之間、計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的互聯(lián)互通，構(gòu)建了一個(gè)以人和計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的虛擬數(shù)字世界。第三階段：人們主要考慮的是將聯(lián)網(wǎng)的終端從計(jì)算機(jī)擴(kuò)展到“物”——物體和環(huán)境。連接之后,整個(gè)物理世界就可以在數(shù)字世界中得到反映,這種需求帶來的是物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)生。可以這么理解,物聯(lián)網(wǎng)是將物理世界數(shù)字化并形成數(shù)字世界的一個(gè)途徑,在第三階段中,人們開始努力在傳感技術(shù)、定位技術(shù)的幫助下與物理世界對(duì)話。2.物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)與我們熟悉的互聯(lián)網(wǎng),雖然只有一字之差,但是其內(nèi)涵卻大不一樣,其示意圖如圖3-5所示。(物聯(lián)網(wǎng)概念最早于1999年由麻省理工學(xué)院的KevinAsh-ton教授提出。早期的物聯(lián)網(wǎng)是指依托射頻識(shí)別(RadioFrequencyIdentification,RFID)技術(shù)和設(shè)備,按約定的通信協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合,使物品信息實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理,實(shí)現(xiàn)物品信息互聯(lián)而形成的網(wǎng)絡(luò)。隨著技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵不斷擴(kuò)展。現(xiàn)代意義的物聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物的感知識(shí)別控制、網(wǎng)絡(luò)化互聯(lián)和智能處理有機(jī)統(tǒng)—從而形成高智能決策。物聯(lián)網(wǎng)是通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的拓展應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)延伸，它利用感知技術(shù)與智能裝備對(duì)物理世界進(jìn)行感知識(shí)別,通過網(wǎng)絡(luò)傳輸互聯(lián)，進(jìn)行計(jì)算、處理和知識(shí)挖掘,實(shí)現(xiàn)人與物、物與物的信息交互和無縫鏈接，達(dá)到對(duì)物理世界實(shí)時(shí)控制、精確管理和科學(xué)決策的目的。我國政府高度重視物聯(lián)網(wǎng)的研究和發(fā)展。2009年8月，國務(wù)院提出“感知中國”的戰(zhàn)略構(gòu)想,表示中國要抓住機(jī)遇，大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。2012年，我國工業(yè)和信息化部、科學(xué)技術(shù)部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部再次加大了支持物聯(lián)網(wǎng)和智慧城市方面發(fā)展的力度。我國政府的一系列報(bào)告以及相關(guān)政策和措施表明,大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)將成為今后一項(xiàng)具有國家戰(zhàn)略意義的重要決策。物聯(lián)網(wǎng)是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)浪潮，物聯(lián)網(wǎng)具有三個(gè)方面的技術(shù)特征。（1)全面感知全面感知，是指利用無線射頻識(shí)別、傳感器、定位器和二維碼等手段，隨時(shí)隨地的對(duì)物體進(jìn)行信息采集和獲取。它解決了人和物理世界的數(shù)據(jù)獲取問題，用傳感技術(shù)延展了人的感知能力。借助當(dāng)前先進(jìn)的傳感技術(shù)，可以將各種傳感器采集到的信息進(jìn)行綜合分析、科學(xué)判定,得出全面、科學(xué)的結(jié)論，用來指導(dǎo)實(shí)踐。常見的一些傳感器如圖3-6和圖3-7所示。時(shí)隨地對(duì)物。條碼技術(shù)是在計(jì)算機(jī)應(yīng)用和實(shí)踐中產(chǎn)生并發(fā)展起來的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù),廣泛應(yīng)用于商業(yè)、郵政、圖書管理、倉儲(chǔ)、工業(yè)生產(chǎn)過程控制、交通等領(lǐng)域。條形碼是將寬度不等的多個(gè)黑條和白條,按照一定的編碼規(guī)則排成平行線圖案,用以表達(dá)一組數(shù)字或字母符號(hào)信息的圖形標(biāo)識(shí)符。反射率相差很大的黑條(簡稱條）和白條(簡稱空）被特定的設(shè)備識(shí)讀,轉(zhuǎn)換成與計(jì)算機(jī)兼容的二進(jìn)制信息（如黑色的條和白色的空分別對(duì)應(yīng)二進(jìn)制數(shù)的“1”和“0”）。對(duì)于每一種物品,它的編碼是唯一的。當(dāng)條形碼的數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī)上時(shí),由應(yīng)用程序在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中提取相應(yīng)的信息,從而建立起條形碼與物品信息的對(duì)應(yīng)關(guān)系。條形碼可以標(biāo)出物品的生產(chǎn)國、制造廠家、商品名稱、生產(chǎn)日期、郵件起止地點(diǎn)、類別、日期等信息,具有輸入速度快、準(zhǔn)確度高、成本低、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在當(dāng)今的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)中占有重要地位（如圖3-8、圖3-9所示）。20世紀(jì)80年代后期，隨著條碼技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，一種能夠在更小面積上表示更多信息的新條碼技術(shù)產(chǎn)生了，這就是二維條碼（即二維碼）技術(shù)。由于二維條碼在平面的橫向和縱向上都能農(nóng)示信息，所以與一維條碼比較，所攜帶的信息量和信息密度都提高了，二維碼可以表示圖像、文字，甚至聲音。與一維條碼必須依靠預(yù)先建立的數(shù)據(jù)庫、從中識(shí)別出物品的信息不同，二維碼依靠其龐大的信息攜帶量，能夠把物品信息直接包含在條形碼中，并且還有錯(cuò)誤修正技術(shù)及防偽功能，增加了數(shù)據(jù)的安全性。因此,二維碼的出現(xiàn)，使條碼技術(shù)從簡單地標(biāo)識(shí)物品轉(zhuǎn)化為描述物品，它的功能發(fā)生了質(zhì)的變化,其應(yīng)用領(lǐng)域也就擴(kuò)大了。(2）可靠傳遞?？煽總鬟f,是指通過各種網(wǎng)絡(luò),對(duì)接收到的物體信息進(jìn)行實(shí)時(shí)且準(zhǔn)確的遠(yuǎn)程傳送，實(shí)現(xiàn)信息的交互和共享，并進(jìn)行各種有效的處理。物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)延伸，在信息的傳遞過程中，通常要使用現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)，包括有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)等。傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)局部的無線網(wǎng)絡(luò)，在物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮著極其重要的作用。(3）智能處理。智能處理是指利用數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)計(jì)算、云計(jì)算、模糊識(shí)別等各種智能計(jì)算技術(shù)，對(duì)接收到的海量數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析處理，提升對(duì)外部世界各種活動(dòng)和變化的洞察力,實(shí)現(xiàn)智能化的控制和決策。智能處理相當(dāng)于物聯(lián)網(wǎng)的大腦和神經(jīng)中樞。國際電信聯(lián)盟在關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展報(bào)告中曾描繪未來“物聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代的圖景:當(dāng)司機(jī)出現(xiàn)操作失誤時(shí)汽車會(huì)自動(dòng)報(bào)警;公文包會(huì)提醒主人忘帶了什么東西;衣服會(huì)“告訴”洗衣機(jī)對(duì)顏色和水溫的要求……也許不久的將來,這些場景就會(huì)來到我們身邊。討論根據(jù)以下物聯(lián)網(wǎng)在生活中應(yīng)用的常見場景，與小組中的同學(xué)分享經(jīng)歷，并根據(jù)問題進(jìn)一步分析這些場景所應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)。>場景(1)使用智能手機(jī)撥打電話，當(dāng)聽筒靠近耳朵時(shí)，屏幕變暗、被鎖定，確保通話時(shí)不會(huì)誤操作。(2）人們使用公交卡乘坐公交車，只需上車刷卡，就能自動(dòng)繳費(fèi)。在便利店、超市等也可以進(jìn)行類似刷卡消帶。有近距離無線通信（NFC)功能的手機(jī)，只要安裝特定的手機(jī)程序，也可以實(shí)現(xiàn)公交卡的功能。(3）現(xiàn)代汽車行業(yè)大力研發(fā)的無人駕駛技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)通過物聯(lián)網(wǎng)智能讀取車輛信息、分析道路情況,配合冬種傳感器，實(shí)現(xiàn)汽車的無人智能駕駛。>問題（1）物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了普通物體之間的互聯(lián)互通，以上場景中的物聯(lián)網(wǎng)包含了哪些物體?(2）物體需要具備怎樣的條件，才能納入物聯(lián)網(wǎng)的范圍?(3）以上場景分別體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)哪方面的技術(shù)特征?3.1.2物聯(lián)網(wǎng)中的傳感與控制機(jī)制1．物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)的形式復(fù)雜多樣，涉及的硬件種類繁多。根據(jù)信息生成、傳輸、處理和應(yīng)用的原則,可以把物聯(lián)網(wǎng)分為三層:感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3-10所示。(1）感知層。感知層實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的智能感知識(shí)別、信息采集處理和自動(dòng)控制,并通過通信模塊將物理實(shí)體連接到網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。（2）網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)信息的傳遞、路由和控制,包括延伸網(wǎng)、接入網(wǎng)和核心網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)層可依托公眾電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng),也可以依托行業(yè)專用通信網(wǎng)絡(luò)。（3）應(yīng)用層。應(yīng)用層包括應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施/中間件和各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施/中間件為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供信息處理、計(jì)算等通用基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施、能力及資源調(diào)用接口,以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在眾多領(lǐng)域的各種應(yīng)用。2.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)涉及感知、控制、網(wǎng)絡(luò)通信、微電子、計(jì)算機(jī)、軟件、嵌入式系統(tǒng)、微機(jī)電等技術(shù)領(lǐng)域,其技術(shù)體系可劃分為感知關(guān)鍵技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)、共性技術(shù)和支撐技術(shù),每種技術(shù)體系下又涵蓋非常多的關(guān)鍵技術(shù),具體如圖3-11所示。其中，傳感和識(shí)別技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)感知物理世界獲取信息和實(shí)現(xiàn)物體控制的首要環(huán)節(jié);射頻識(shí)別技術(shù)既是一種無線通信技術(shù),同時(shí)又是一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù),在越來越多的行業(yè)中被應(yīng)用與推廣,加速了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展;而嵌入式系統(tǒng)技術(shù)則使得物聯(lián)網(wǎng)具有智能處理的能力，能夠?qū)ξ矬w實(shí)施智能控制。(1）傳感技術(shù)在人類歷史發(fā)展的很長一段時(shí)間內(nèi)，人是通過視覺、聽覺、嗅覺等方式感知周圍環(huán)境的，這是人類認(rèn)識(shí)世界的基本途徑。然而,依靠人類對(duì)物理世界的本能感知已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足信息時(shí)代的發(fā)展要求。例如，人類不能感知上千度的溫度，也不能辨別諸如海拔高度、PM2.5等數(shù)據(jù)。傳感器作為連接物理世界與電子世界的重要媒介,在信息化的過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。事實(shí)上，傳感器已經(jīng)滲透到人們的日常生活中。只要細(xì)心觀察,就可以發(fā)現(xiàn)日常生活中的各類傳感器,如熱水器中的溫控器、電視機(jī)的遙控器、空調(diào)中的溫濕度傳感器等。此外,傳感器也廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事國防、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域，大大提高了人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界的能力。我國國家標(biāo)準(zhǔn)《傳感器通用術(shù)語》（GB/T7665—2005）對(duì)傳感器的定義為“能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置”。傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本電路組成，如圖3-12所示。敏感元件是指傳感器中能直接感受被測（物理）量的部分，轉(zhuǎn)換元件將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換成電路參量（如電壓、電感等），基本電路將電路參數(shù)轉(zhuǎn)換成電量輸出。人們常將傳感器的功能與人類五大感覺器官相比擬:光敏傳感器，相當(dāng)于視覺，包括紅外線傳感器、紫外線傳感器、色彩傳感器等;聲敏傳感器,相當(dāng)于聽覺，用于檢測在氣體、液體或固體中傳播的機(jī)械振動(dòng);氣敏傳感器,相當(dāng)于嗅覺，用于檢測氣體濃度和成分;化學(xué)傳感器，相當(dāng)于味覺，用于檢測各種化學(xué)物質(zhì)及其濃度;壓敏、溫敏、濕敏等傳感器,相當(dāng)于觸覺,能感受壓力和環(huán)境溫度、濕度等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、處理和發(fā)送，已得到越來越廣泛的應(yīng)用。如在大棚種植中對(duì)室內(nèi)及土壤的溫度、濕度、光照進(jìn)行監(jiān)測，對(duì)植物生長規(guī)律的數(shù)據(jù)進(jìn)行測量與分析，又如在病人、老人等身上安裝心率和血壓監(jiān)測等設(shè)備來監(jiān)測人體的各種生理數(shù)據(jù)，都需要使用傳感器。(2）射頻識(shí)別技術(shù)（RFID)射頻識(shí)別技術(shù)是一種無線通信技術(shù)，可以通過無線電信號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而且識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間無須建立機(jī)械或者光學(xué)接觸。它的出現(xiàn)改變了條形碼依靠“有形”的一維或二維幾何圖案來提供信息的方式,而可以通過芯片來提供存儲(chǔ)在其中的數(shù)量龐大的“無形”信息。RFID系統(tǒng)由五個(gè)組件構(gòu)成,包括傳送器、接收器、微處理器、天線和標(biāo)簽。傳送器、接收器和微處理器通常都被封裝在一起,統(tǒng)稱為閱讀器，因此通常將RFID系統(tǒng)分為閱讀器、天線和標(biāo)簽三大組件。RFID系統(tǒng)工作原理如圖3-13所示。RFID電子標(biāo)簽的閱讀器通過天線與RFID電子標(biāo)簽進(jìn)行無線通信,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽識(shí)別碼和內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀出或?qū)懭氩僮鳌FID技術(shù)可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽,操作快捷方便。射頻識(shí)別系統(tǒng)最重要的優(yōu)點(diǎn)是非接觸識(shí)別,它能穿透雪、霧、冰、涂料、塵垢,在條形碼無法使用的惡劣環(huán)境中閱讀標(biāo)簽,并且閱讀速度極快,大多數(shù)情況下不到100毫秒。RFID的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛,在公交卡、門禁卡、二代身份證上都有其身影。(3）嵌入式系統(tǒng)技術(shù)所謂的嵌入式系統(tǒng)，是指以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪,適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。經(jīng)過幾十年的演變,以嵌入式系統(tǒng)為特征的智能終端產(chǎn)品隨處可見,小到身邊的MP3，大到航天航空的衛(wèi)星系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)