資源簡介

普 通 高 中 教 科 書
《通用技術》選擇性必修6：智能家居應用設計
第二章 智能家居與物聯通信
第 一 節 認識物聯網
教學設計
教學背景
清晨，天慢慢亮了，臥室自動響起輕柔的音樂把你喚醒；房間亮起柔和的燈光；智能衛浴會為你自動調整洗浴水溫；智能廚房會為你自動烹飪早餐……
你是不是覺得這樣的智能生活離我們還很遙遠？
實現人民對美好生活的向往是我們現代化建設的出發點和落腳點。隨著國家堅持把發展經濟的著力點放在實體經濟上，推進新型工業化，加快建設制造強國、質量強國、航天強國、交通強國、網絡強國、數字中國的進程，我國的科學技術得到了高速的發展。這種帶有科幻色彩的生活場景，已經逐漸走進了人們的生活。小到智能電燈、智能門鎖，大到智能臥室、智能廚房，各種各樣的智能產品已經漸漸地融入了我們的生活，這些就是同學們將在本書學習的內容——智能家居。
教學目標：
知識與技能目標:
1.理解物聯網的概念與特征。
2.了解物聯網的結構和技術構成。
3.了解物聯網的應用，理解智能家居與物聯網的關聯性。
教學內容分析:
第一章從與同學們生活密切相關的典型實例開始，通過調查、討論等活動，使同學們了解智能家居的系統特征及技術標準，感悟智能科技應用對家庭生活方式的影響，形成親近、運用智能科技的積極情感。
第二章通過對物聯網技術的技術構成、結構特征、技術標準及傳感器的介紹，使同學們了解物聯網通信標準在智能家居領域的應用，并通過簡單的物聯網系統的設計，了解物聯網的應用，理解智能家居與物聯網的關聯性。
第三章通過實例展示了各種智能家居產品，并讓同學們親歷一個智能家居產品的設計過程，掌握簡易智能家居產品的安裝與調試，同時理解組網、通信和傳感器等的原理和功能。
第四章是一個較為完整的智能家居的設計、優化與搭建過程，通過情景描述的方式，使同學們掌握與用戶進行溝通的方法，并學會需求分析。通過本章的學習，同學們還會學到智能家居的設計原則及對方案進行優化的方法。
學情分析:
學生對智能家居認識有限，他們需要感受先進技術在家庭生活中的運用，需要一個集通信、計算、控制等技術于一體的應用性學習窗口。
智能家居融合了物聯網、人工智能、生物技術、大數據、自動控制等先進技術，意在創設一種智慧感知、協調控制、智能互聯、方便快捷的家居生活環境。
教學重難點:
理解物聯網的概念與特征。
了解物聯網的結構和技術構成。
了解物聯網的應用，理解智能家居與物聯網的關聯性。
教學策略:
始終強調實踐，在書中設置了“討論”“分析”“思考”“知識窗”等欄目。這些欄目的設置，為同學們自主學習、合作學習和探究學習提供了方便。
教學準備:
展示用的圖片、其他技術產品、多媒體課件。
教學過程:
情景導入:
老師：本節課我們學習《通用技術》選擇性必修6：智能家居應用設計　第二章 智能家居與物聯通信　第 一 節 認識物聯網。
互聯網將人與人通過網絡連接起來，隨著射頻識別技術的出現，人們開始思考能否將物也連接到互聯網中，將物與物、物與人都通過網絡連接起來，形成一種新興的網絡，這就是物聯網。以智能手機、平板電腦等為代表的移動終端的出現，使互聯網進入了移動互聯網時代，推動了物聯網的新發展，加快了智能家居走向成熟的步伐。
互聯網時代，中國誕生了百度、阿里巴巴、騰訊等互聯網企業，互聯網已經深刻地影響了人們的生活。隨著物聯網的興起，人們預言物聯網將開啟一個新的時代。如今，無論是衣食住行，還是消費購物或者通信溝通，物聯網技術都已經在由淺至深地實踐著。
一、物聯網的概念和特征
1．物聯網的概念
物聯網（Internet of Things，IOT），是物與物相連的互聯網。通過射頻識別、傳感器等設備采集物品的編碼等信息，按照約定的通信協議與互聯網連接，對物品進行智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理，形成物聯網。
案例
特洛伊咖啡壺事件
1991年，英國劍橋大學特洛伊計算機實驗室的科學家們發現，由于他們工作的地方和煮咖啡的地方不在同一樓層，因此工作時常需要到樓下查看煮咖啡的狀況和取咖啡，非常不方便。為了解決這個麻煩，他們編寫了一套程序，并在咖啡壺旁邊安裝了一個便攜式攝像機（圖2-1）。鏡頭對準咖啡壺，利用計算機圖像捕捉技術，定時向實驗室的計算機傳遞圖片，以方便他們隨時查看咖啡是否煮好，省去了上上下下的麻煩。
1993年，這套簡單的本地“咖啡壺觀測”系統經過更新，通過實驗室網站連接到了互聯網上。沒想到的是，僅僅為了查看咖啡煮好了沒有，全世界互聯網用戶蜂擁而至，近240萬人點擊過這個“咖啡壺”網站。
討論
案例中的咖啡壺是如何實現物聯網的？
知識窗
物聯網概念的提出
物聯網理念最早可追溯到比爾·蓋茨1995年出版的《未來之路》一書。在書中，比爾·蓋茨已經提及“物”與“物”相連的物聯網雛形，只是當時受限于無線網絡、硬件及傳感設備的發展，并未引起重視。1998年，美國麻省理工學院創造性地提出了物聯網構想。1999年，基于物品編碼、射頻識別技術和互聯網，美國麻省理工學院的自動化實驗中心首先提出物聯網的概念。
物聯網的基本思想出現于20世紀90年代，但近年來才真正引起人們的關注。2005年11月17日，在信息社會世界峰會上，國際電信聯盟發布了《ITU互聯網報告2005：物聯網》。報告指出，無所不在的“物聯網”通信時代即將來臨，世界上所有的物體，從輪胎到牙刷、從房屋到紙巾都可以通過互聯網主動進行信息交換。射頻識別技術、傳感器技術、納米技術、智能嵌入技術將得到更加廣泛的應用。
物聯網的基礎是互聯網，2022年11月9日，國家主席習近平向2022年世界互聯網大會烏鎮峰會致賀信中指出，中國愿同世界各國一道，攜手走出一條數字資源共建共享、數字經濟活力迸發、數字治理精準高效、數字文化繁榮發展、數字安全保障有力、數字合作互利共贏的全球數字發展道路，加快構建網絡空間命運共同體，為世界和平發展和人類文明進步貢獻智慧和力量。
2．物聯網的特征
物聯網的特征主要體現在三個方面：
（1）互聯網特征，即聯網的物在互聯網中互聯互通。
（2）識別與通信特征，即聯網的物具備自動識別與物物通信的功能。
（3）智能化特征，即網絡系統具有自動化、自我反饋與智能控制的特性。
二、物聯網的體系結構
物聯網是物與信息世界的深度融合，涉及眾多技術領域，也應用于各行各業。不同領域的物聯網有不同特性，涵蓋的知識很多。因此，要認識物聯網，必須從物聯網的體系結構開始。
案例
某天，李濤到超市購物。經過一番選購后，李濤來到收銀臺，拿出手機，連通網絡，登錄手機支付軟件，打開付款二維碼給超市收銀員進行掃描（圖2-2），便完成了貨款的支付。
討論
1．李濤本次購物的付款方式與傳統的付款方式有何不同？
2．手機不連接網絡能不能完成付款？
3．手機支付軟件在本次付款中起什么作用？
4．數字人民幣支付與手機支付軟件的支付方式有何不同？說一說數字人民幣的支付特征。
物聯網的體系結構通常分為三層：感知層、網絡層、應用層，如圖2-3所示。
1．感知層
物聯網與傳統網絡的主要區別在于物聯網擴大了傳統網絡的通信范圍。物聯網不局限于人與人之間的通信，還擴展到人與物、物與物之間的通信。感知層是物聯網發展和應用的基礎，感知層的作用是用于感知物體，采集數據。
感知層包括數據采集和傳感網兩個部分。其中，數據采集部分主要用于采集各類物理量，如音頻、視頻、溫度、濕度等數據。傳感網實現獲取數據后的短距離傳輸、自組織組網以及多個傳感器對數據的協同信息處理過程。感知層涉及的技術有傳感器技術、射頻識別技術、二維碼技術、嵌入式系統技術、短距離無線通信技術等。
知識窗
嵌入式系統
嵌入式系統是嵌入式計算機系統的簡稱，嵌入式系統技術是一項融合計算機軟硬件技術、傳感器技術、集成電路技術、電子應用技術為一體的復雜技術。
嵌入式系統已有極廣泛的應用，以嵌入式系統為特征的智能終端產品隨處可見，MP3、智能手機、電視機機頂盒、微波爐、全自動洗衣機、路由器等都是典型的嵌入式設備。在物聯網的發展中，所有的控制對象都要具備接收、傳遞與處理信息的能力，因此嵌入式技術的發展日顯重要。
2．網絡層
物聯網真正的價值在于網，而不在于物。感知只是第一步，但是感知的信息，如果沒有一個龐大的網絡體系，不能進行管理和整合，那么這個網絡就沒有意義了。網絡層是物聯網發展和應用的可靠保證，網絡層的作用是把感知到的信息進行傳輸，實現互聯。
網絡層能夠無障礙、高可靠性、高安全性地傳送感知到的信息，需要傳感器網絡與移動通信技術、互聯網技術的相互融合。經過十余年的快速發展，移動通信、互聯網等技術已比較成熟，基本能夠滿足物聯網數據傳輸的需要。
3．應用層
物聯網的最終目的是要把感知和傳輸來的信息更好地利用，應用層是物聯網和用戶的接口，與行業需求相結合，實現物聯網的智能管理。應用層包括各類具體應用，如綠色農業、工業監控、公共安全、城市管理、遠程醫療等。
物聯網涉及的技術非常多，標準體系由感知層技術標準體系、網絡層技術標準體系、應用層技術標準體系和公共技術類技術標準體系組成。物聯網技術的內容豐富，所涉及的標準組織也較多，不同的標準組織基本上都按照各自的體系對物聯網進行研究。目前，介入物聯網領域的主要組織有電氣和電子工程師協會（IEEE）、國際標準化組織（ISO）、中國通信標準化協會（CCSA）、國際電信聯盟遠程通信標準化組織（ITU-T）等。
立即行動
通過互聯網或圖書館查閱相關資料，說說表2-1中的產品分別屬于物聯網體系結構的哪一層結構。
表2-1 產品在物聯網體系結構中對應的層次
產品 感知層 網絡層 應用層
人體感應傳感器
路由器
RFID讀寫器
攝像頭
云計算平臺
智能電網
三、物聯網與智能家居
物聯網的應用前景非常廣闊，它將極大地改變人們的生活方式，目前廣泛應用于工業、農業、物流、交通、電網、環保、安防、醫療、家居生活等領域。發展物聯網對于促進經濟發展和社會進步具有重要的現實意義，在5G時代，我國根據當前的國情提出了要在智能制造、智慧農業、智慧物流、智能交通、智能電網、智慧城市、智慧醫療和智能家居等重點領域加大物聯網的建設和應用。
知識窗
物聯網在現代生活中的應用前景
物聯網在現代生活中有非常廣泛的應用，主要體現在以下方面：
（1）物聯網在商品生產、銷售信息化管理中的應用。倉庫的自動化包括商品的自動進出和訂單自動傳輸給供應商，應用物聯網技術，商品從生產到消費將有望實現全程無人管理。
（2）物聯網在醫藥領域的應用。在打擊假藥制造和提高藥物的使用效果上，RFID芯片已經得到應用。未來RFID芯片在醫藥領域的全面應用將能減少因服用假藥、過量服藥或者服用相克藥物而失去生命的病例。
（3）物聯網在醫療方面的應用。結合納米技術及芯片技術，未來將有望研究出新的高效診療手段。在藥物中嵌入微型治療設備，將能夠有效監測和預防某些疾病的發生，還能夠實現在人體內對患病部位的精確定位治療。
（4）物聯網在汽車中的應用。在物聯網時代，轎車中的傳感器將繼續增加，自動收集環境信息越來越多，自動規劃行駛路線、自動保持車距、自動巡航等技術日益完善，汽車的無人駕駛時代也將來臨。
討論
1．通過互聯網或圖書館等途徑查詢資料，或者根據自己的生活經歷，談談物聯網將來還會應用在哪些領域。
2．5G網絡對物聯網會產生什么影響？
在物聯網發展的過程中，智能家居成為物聯網技術應用的最好體現之一。物聯網技術是智能家居的核心，有物聯網才有智能家居。
生活節奏日益加快，人們迫切希望過上簡單快捷、健康舒適的家居生活。手握智能手機，即可輕松地自動或遠程控制家居設備；有歹徒破門進入家中行竊，家中的智能安防報警系統通過紅外檢測、視頻監控及時發現盜賊；早上主人上班匆忙，離家時通過手機就可一鍵關閉家中的電器和電燈等。
在物聯網中，連接上網絡的物都要有一個物品編碼，即身份識別碼。因此，智能家居的智能化產品，如智能電燈、智能插座、智能路由器、智能門鎖等，都必須在互聯網里有自己的身份識別碼，才能實現智能化的遠程控制。
案例
某社區的住戶都安裝了智能家居系統，夏天下班到家前可用手機提前打開客廳空調，下雨天可通過手機查看家里窗戶是否關閉，等等。這不但提高了居民的生活品質，也可以使居民的生命財產安全得到保障。
某一天，該社區4樓的李先生正在上班，手機忽然發出劇烈的振動和鈴聲，他打開手機查看監控視頻，一個男子正在撬門，意圖非法闖入。李先生立即和社區物業聯系，要求派保安上門查看情況，幾分鐘后，保安趕到李先生家，在門口看到一個神色慌張的男子拿著鐵鉗正在撬門，保安立即將其制服并送到派出所。
討論
1．有人撬門時，李先生的手機為什么會發出劇烈的振動和鈴聲？
2．李先生如何通過手機知道有人正在撬他家的門？
3．交流與分享：說說你家是通過什么措施實現防盜的。
課后作業
習 題
1．二維碼技術是物聯網識別技術中的一項重要技術。通過互聯網或圖書館查閱相關資料，嘗試借助現有的軟件或網站，將“小明家的電冰箱是2022年在中國制造的。”的文字信息生成二維碼，并使用手機掃描將該二維碼的信息識別出來。
2．通過互聯網或圖書館查閱資料，了解物聯網的發展現狀，并與同學分享。
板書設計
第二章 智能家居與物聯通信
第 一 節 認識物聯網
一、物聯網的概念和特征
1．物聯網的概念
2．物聯網的特征
二、物聯網的體系結構
1.感知層
2.網絡層
3.應用層
三、物聯網與智能家居
教學反思
通用技術
選擇性必修6：智能家居應用設計
普 通 高 中 教 科 書
主 編 劉瓊發
副 主 編：李 榕 周衛星 朱美健 席春玲
本 冊 主 編：謝勝利 周衛星
本冊副主編：肖 明 毛潤政
編 寫 人 員：凌星星 曹宏欽 朱志琦 劉 方
廣東教育出版社
廣東科技出版社

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