1、3.1 3.1 信息系统与外部世界的连接方式 教材p62-p69 网络深刻地改变着人们的生产和生活方式，从电子邮件到即时通信，从超文本标记语言(HTML) 到万维网（WWW）技术引发的信息爆炸，再到今天移动互联网的普及，互联网已经不仅仅是 一项通信技术，它成就了人类史上最庞大的信息世界。 21世纪以来,随着传感技术的快速发展，信息的传递、转换跨出了数字世界，逐步与现实世界相 互交织,以传感器和识别终端为代表的信息自动生成设备可以实时准确地开展对物理世界的感知、 测量和监控。物理世界的联网需求和信息世界的扩展需求催生出万物百联的物联网(Internet of Things）。同时，它也让人工智能
2、更好地普及至千家万户。 3.1.1信息系统与物联网 探究活动 体验 共享单车就是一个典型的依托二维码的物联网信息系统。如果用户需要使用共享单车， 只需用手机APP扫描车身上的二维码,就可以实现开锁骑行,在云平台上将自动计算行程 和费用,大大方便了用户,如图3-4所示。 寻找一辆共享单车进行操作体验，思考如下问题: (1）共享单车上的二维码，在整个信息系统当中起到了什么作用? (2）与传统的公共单车租用相比,共享单车有什么优势? 二维码识别技术也用在智能家居上，让入住变得更加方便快捷。如一些酒店使用智能手 机和二维码智能门锁取代传统的钥匙门锁，通过在门锁内部嵌入二维码扫描器就可以实 现用智能手机
3、开门!根据以上共享单车体验，参考图3-4，尝试画出二维码智能开锁家居 系统的体验过程示意图。 1.信息系统与外部世界连接方式的演变 计算机技术的发展大约经历了三个阶段:第一阶段，人们解决的主要问题是“让人和计算机对 话”，即操作计算机的人输入指令，计算机按照人的意图执行指令，完成任务。第二阶段,在计 算机大规模普及之后，人们开始考虑“让计算机与计算机对话”，即让处在不同空间的计算机 可以数据传递、资源共享，计算机网络则应运而生。互联网的飞速发展实现了世界范围内人与 人之间、计算机与计算机之间的互联互通，构建了一个以人和计算机为基础的虚拟数字世界。 第三阶段，人们主要考虑的是将联网的终端从计算机
4、扩展到“物”物体和环境。连接之后, 整个物理世界就可以在数字世界中得到反映,这种需求带来的是物联网的产生。可以这么理解,物 联网是将物理世界数字化并形成数字世界的一个途径,在第三阶段中,人们开始努力在传感技术、 定位技术的帮助下与物理世界对话。 2.物联网 物联网与我们熟悉的互联网,虽然只有一字之差,但是其内涵却大不一样,其示 意图如图3-5所示。(物联网概念最早于1999年由麻省理工学院的Kevin Ash- ton教授提出。早期的物联网是指依托射频识别(Radio Frequency Identification , RFID)技术和设备,按约定的通信协议与互联网相结合,使物品 信息实现智
5、能化识别和管理,实现物品信息互联而形成的网络。随着技术和应 用的发展,物联网内涵不断扩展。现代意义的物联网可以实现对物的感知识别 控制、网络化互联和智能处理有机统从而形成高智能决策 物联网是通信网和互联网的拓展应用和网络延伸，它利用感知技术与智能装 备对物理世界进行感知识别,通过网络传输互联，进行计算、处理和知识挖掘, 实现人与物、物与物的信息交互和无缝链接，达到对物理世界实时控制、精 确管理和科学决策的目的。 我国政府高度重视物联网的研究和发展。2009年8月，国务院提出“感知中 国”的战略构想,表示中国要抓住机遇，大力发展物联网技术。2012年，我国 工业和信息化部、科学技术部、住房和城乡
6、建设部再次加大了支持物联网和 智慧城市方面发展的力度。我国政府的一系列报告以及相关政策和措施表明, 大力发展物联网产业将成为今后一项具有国家战略意义的重要决策。 物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮，物联网具有三个方面的 技术特征。 （1)全面感知。 全面感知，是指利用无线射频识别、传感器、定位器和二维码等手段，随时随地的对物体进行 信息采集和获取。 它解决了人和物理世界的数据获取问题，用传感技术延展了人的感知能力。借助当前先进的传感技术，可以将各种传感 器采集到的信息进行综合分析、科学判定,得出全面、科学的结论，用来指导实践。常见的一些传感器如图3-6和图3-7 所示
7、。时随地对物。 条码技术是在计算机应用和实践中产生并发展起来的一种自动识别技术,广泛应用于商业、邮政、图书管理、 仓储、工业生产过程控制、交通等领域。条形码是将宽度不等的多个黑条和白条,按照一定的编码规则排成 平行线图案,用以表达一组数字或字母符号信息的图形标识符。反射率相差很大的黑条(简称条）和白条(简称 空）被特定的设备识读,转换成与计算机兼容的二进制信息（如黑色的条和白色的空分别对应二进制数的“1” 和“0”）。对于每一种物品,它的编码是唯一的。当条形码的数据传到计算机上时,由应用程序在计算机系 统的数据库中提取相应的信息,从而建立起条形码与物品信息的对应关系。条形码可以标出物品的生产国
8、、 制造厂家、商品名称、生产日期、邮件起止地点、类别、日期等信息,具有输入速度快、准确度高、成本低、 可靠性强等优点,在当今的自动识别技术中占有重要地位（如图3-8、图3-9所示）。 20世纪80年代后期，随着条码技术应用领域的扩大，一种能够在更小面积上表示更多信息的新 条码技术产生了，这就是二维条码（即二维码）技术。由于二维条码在平面的横向和纵向上都 能农示信息，所以与一维条码比较，所携带的信息量和信息密度都提高了，二维码可以表示图 像、文字，甚至声音。与一维条码必须依靠预先建立的数据库、从中识别出物品的信息不同， 二维码依靠其庞大的信息携带量，能够把物品信息直接包含在条形码中，并且还有错误
9、修正技 术及防伪功能，增加了数据的安全性。因此,二维码的出现，使条码技术从简单地标识物品转化 为描述物品，它的功能发生了质的变化,其应用领域也就扩大了。 (2）可靠传递。 可靠传递,是指通过各种网络,对接收到的物体信息进行实时且准确的远程传送，实现信息的交互和共享，并进行各种有 效的处理。物联网是互联网的一个延伸，在信息的传递过程中，通常要使用现有的通信网络，包括有线网络和无线网络 等。传感器网络是一个局部的无线网络，在物联网中发挥着极其重要的作用。 (3）智能处理。 智能处理是指利用数据管理、数据计算、云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对接收到的海量数据和信息进行分析 处理，提升对外部世界
10、各种活动和变化的洞察力,实现智能化的控制和决策。 智能处理相当于物联网的大脑和神经中枢。国际电信联盟在关于物联网的发展报告中曾描绘未来“物联网”时代的图景: 当司机出现操作失误时汽车会自动报警;公文包会提醒主人忘带了什么东西;衣服会“告诉”洗衣机对颜色和水温的要 求也许不久的将来,这些场景就会来到我们身边。 讨论 根据以下物联网在生活中应用的常见场景，与小组中的同学分享经历，并根据问题进一步分析这些 场景所应用的物联网。 场景 (1)使用智能手机拨打电话，当听筒靠近耳朵时，屏幕变暗、被锁定，确保通话时不会误操作。 (2）人们使用公交卡乘坐公交车，只需上车刷卡，就能自动缴费。在便利店、超市等也可
11、以进行类似刷卡消带。有近距离无线 通信（NFC)功能的手机，只要安装特定的手机程序，也可以实现公交卡的功能。 (3）现代汽车行业大力研发的无人驾驶技术，可以实现通过物联网智能读取车辆信息、分析道路情况,配合冬种传感器，实现汽 车的无人智能驾驶。 问题 （1）物联网实现了普通物体之间的互联互通，以上场景中的物联网包含了哪些物体? (2）物体需要具备怎样的条件，才能纳入物联网的范围? (3）以上场景分别体现了物联网哪方面的技术特征? 3.1.2物联网中的传感与控制机制 1物联网的结构物联网的形式复杂多样，涉及的硬件种类繁 多。根据信息生成、传输、处理和应用的原则,可以把物联网分 为三层:感知层、网
12、络层和应用层。物联网的网络架构如图3-10 所示。 (1）感知层。 感知层实现对物理世界的智能感知识别、信息采集处理和自动控制,并通过通 信模块将物理实体连接到网络层和应用层。 （2）网络层。 网络层主要实现信息的传递、路由和控制,包括延伸网、接入网和核心网，网 络层可依托公众电信网和互联网,也可以依托行业专用通信网络。 （3）应用层。 应用层包括应用基础设施/中间件和各种物联网应用。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。 2.物联网技术 物联网涉及感知、控制、网络通信、微电子、计算机、软件、嵌入
13、式系统、微机电等技术领域,其技 术体系可划分为感知关键技术、网络通信关键技术、应用关键技术、共性技术和支撑技术,每种技术 体系下又涵盖非常多的关键技术,具体如图3-11所示。其中，传感和识别技术是物联网感知物理世界 获取信息和实现物体控制的首要环节;射频识别技术既是一种无线通信技术,同时又是一种自动识别技 术,在越来越多的行业中被应用与推广,加速了物联网的发展;而嵌入式系统技术则使得物联网具有智能 处理的能力，能够对物体实施智能控制。 (1）传感技术。 在人类历史发展的很长一段时间内，人是通过视觉、听觉、嗅觉等方式感知周围环境的，这是人类认识世界的基本途径。然而,依靠人类 对物理世界的本能感知
14、已远远不能满足信息时代的发展要求。例如，人类不能感知上千度的温度，也不能辨别诸如海拔高度、PM2.5等数 据。 传感器作为连接物理世界与电子世界的重要媒介,在信息化的过程中发挥着关键作用。事实上，传感器已经渗透到人们的日常生活中。只 要细心观察,就可以发现日常生活中的各类传感器,如热水器中的温控器、电视机的遥控器、空调中的温湿度传感器等。此外,传感器也广 泛应用于工农业、医疗卫生、军事国防、环境保护等领域，大大提高了人类认识世界和改造世界的能力。 我国国家标准传感器通用术语（GB/T 76652005）对传感器的定义为“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号 的器件或装置”。传感
15、器一般由敏感元件、转换元件和基本电路组成，如图3-12所示。敏感元件是指传感器中能直接感受被测（物理） 量的部分，转换元件将敏感元件的输出转换成电路参量（如电压、电感等），基本电路将电路参数转换成电量输出。 人们常将传感器的功能与人类五大感觉器官相比拟:光敏传感器，相当于视觉，包括红外线传感器、紫外线传感器、色彩传感器等;声敏 传感器,相当于听觉，用于检测在气体、液体或固体中传播的机械振动;气敏传感器,相当于嗅觉，用于检测气体浓度和成分;化学传感器， 相当于味觉，用于检测各种化学物质及其浓度;压敏、温敏、湿敏等传感器,相当于触觉,能感受压力和环境温度、湿度等。 无线传感器网络是当前信息领域的研
16、究热点之一，可实现信号的采集、处理和发送，已得到越来越广泛的应用。如在大棚种植中对室内 及土壤的温度、湿度、光照进行监测，对植物生长规律的数据进行测量与分析，又如在病人、老人等身上安装心率和血压监测等设备来 监测人体的各种生理数据，都需要使用传感器。 (2）射频识别技术（RFID)。 射频识别技术是一种无线通信技术，可以通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而且识别系统与特定目标之间无 须建立机械或者光学接触。它的出现改变了条形码依靠“有形”的一维或二维几何图案来提供信息的方式,而可以通过芯片 来提供存储在其中的数量庞大的“无形”信息。RFID系统由五个组件构成,包括传送器、接收器、微处理
17、器、天线和标签。 传送器、接收器和微处理器通常都被封装在一起,统称为阅读器，因此通常将RFID系统分为阅读器、天线和标签三大组件。 RFID系统工作原理如图3-13所示。 RFID电子标签的阅读器通过天线与RFID电子标签进行无线通信,可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。RFID 技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签,操作快捷方便。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,在条形码无法使用的恶劣环境中阅读标签,并且阅读速度极快,大多数情况下不到100毫秒。RFID的应 用领域非常广泛,在公交卡、门禁卡、二代身份证上都有其身影。 (3）嵌入式系统技
18、术。 所谓的嵌入式系统，是指以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪,适应应用系统对功能、可靠性、成本、 体积、功耗严格要求的专用计算机系统。经过几十年的演变,以嵌入式系统为特征的智能终端产品随处可见,小到身边的 MP3，大到航天航空的卫星系统。嵌入式系统技术能使设备具有智能,使它们具备学习与记忆的能力,能够按照使用者的 喜好及所处的环境做出回答。如果把物联网用人体做一个简单比喻，传感器相当于人的眼睛、鼻子、皮肤等感知器官, 网络就是用来传递信息的神经系统,嵌入式系统则是人的大脑,在接收到信息后要进行分类处理。 嵌入式系统技术的应用几乎无处不在,移动电话、家用电器、汽车等都有它的踪影。
19、嵌入式控制器因其体积小、可靠性 高、功能强、灵活方便等优点,应用已深入到工业、农业、教育、国防以及日常生活等各个领域,在诸多产品更新换代、 加速自动化进程、提高生产率等方面起到了重要的推动作用。 实验 分组在计算机实验室中开展实验，模拟真实的智能生 活场景，尝试用简单的无线网关和传感器套件,安装手 机APP软件，组建一个小型物联网信息系统。如使用 智能插座,在手机中安装其APP软件，利用智能插座的 红外操控、Wi-Fi连接及“直连”等功能,实现在无线 网络环境下对电器设备的遥控及定时智能开关，如图 3-14所示。 项目实施 各小组根据项目选题及拟订的项目方案，结合本节所学知识，对所设计的智能系统进行分析。 1该智能系统最终将实现什么功能?需要准备哪些设备?可以用思维导图或列表的方式进行分析。 2.该智能系统是否属丁物联网信息系统?具有哪些特点，涉及哪些技术?可通过开展小实验，验证该智能系统在技术上的 可实现性。
