資源簡介

第 4 章　物聯網與創新網絡服務
4.1　物聯網簡介
教學設計
教學背景
信息科技是現代科學技術領域的重要部分，主要研究以數字形式表達的信息及其應用中的科學原理、思維方法、處理過程和工程實現。當代高速發展的信息科技對全球經濟、社會和文化發展起著越來越重要的作用。
義務教育信息科技課程具有基礎性、實踐性和綜合性，為高中階段信息技術課程的學習奠定基礎。信息科技課程旨在培養科學精神和科技倫理，提升自主可控意識，培育社會主義核心價值觀，樹立總體國家安全觀，提升數字素養與技能。
教材分析
本節課的教學內容選自人教/地圖出版社選擇性必修2　網絡基礎　第 4 章　物聯網與創新網絡服務　4.1　物聯網簡介 。
以物聯網和“互聯網 +”為特征的信息網絡服務正在廣泛流行。一方面，智能手機、網絡電視、智能冰箱......越來越多的設備開始接入網絡；另一方面，工業、農業、商業、教育、交通等傳統行業也紛紛開始“互聯網化”。可以說，隨著信息化的進程，網絡已經滲透到社會的各行各業，產生了網絡購物、線上支付等一系列創新網絡服務，對人們的生活、工作和學習產生了重大的影響。
教學目標
1.掌握物聯網的概念及其發展歷程。
2.了解與物聯網相關的設備及其功能。
3.能描述物聯網設備的工作原理。
教學重點與難點
教學重點:了解與物聯網相關的設備及其功能。
教學難點:能描述物聯網設備的工作原理。
教學方法與教學手段
案例分析法、講授法、任務驅動法。
教學過程
問題導入
體驗探索
回顧對物聯網的認識
當前，網絡不僅廣泛用于即時通信、網絡視頻等信息技術相關產業，還在農業、工業等傳統行業中頻繁展現身影；網絡不僅連接著計算機，還連接著智能手機、平板計算機、汽車、網絡電視等多種智能設備（圖 4.1.1）（參見教材P101）。
參照圖 4.1.1，談一下你對物聯網的認識。
認識物聯網
物聯網指通過各種信息傳感設備，實時采集需要監控、連接、互動的物體的信息，與互聯網結合形成的一個巨大網絡。其目的是實現物與物、物與人之間的連接，以便識別、管理和控制。
從硬件設備上看，物聯網主要有三個構成要素：終端設備、網關和服務器（圖 4.1.2）（參見教材P102）。
從工作邏輯上，則可以分為應用層、網絡層和感知層（圖 4.1.3）（參見教材P102）。
物聯網的發展歷程
物聯網的理念最早出現在 1995 年出版的《未來之路》一書中，書中提到了物物互聯，但受當時技術條件的限制，并未引起重視。一般認為，物聯網這一概念是 1999 年出現的，當時的科研工作者提出“萬物皆可通過網絡互聯”，闡明了物聯網的基本含義。
從計算機網絡到物聯網，大體經過了三個階段（圖4.1.4）（參見教材P103）。在最開始，網絡發展注重的是把計算機和服務器連接起來，形成了以“萬維網”為代表的關注信息的網絡；隨著“普適計算”等思想的普及，人在網絡中的作用受到了重視，通過智能手機、平板計算機等設備，使得人“隨時隨地”連接網絡成為可能，從而形成了關注人的網絡；隨著網絡連接的普及，以及芯片技術、傳感技術等技術的發展，汽車、眼鏡、手表等物品也開始連入網絡，從而形成了關注物的網絡，也就是物聯網。
盡管物聯網的基本思想在 20 世紀 90 年代就提出來了，但近年來才引起人們的關注。進入 21 世紀后，物聯網受到了世界各國前所未有的重視，被認為是下一個推動世界高速發展的“重要生產力”。
思考活動
了解我國物聯網建設成果
說一說你接觸過的物聯網應用，然后搜索并閱讀相關資料，了解我國物聯網的建設成果。
相關設備
前面已經介紹過，物聯網的相關設備主要分為終端設備、網關和服務器三種。
終端設備
物聯網中的終端設備，主要指物，除了平板計算機、智能手機外，電視、手表、眼鏡......任何一件物品，都有可能成為終端設備。這些終端設備主要發揮著兩大類作用：感測和反饋。
對于物聯網來說，感測是從現實世界獲取信息的過程，可用于感測的設備被稱為輸入設備（圖 4.1.5 和圖 4.1.6）（參見教材P104）。
物聯網系統收到上傳的信息后，就要決定該如何應對，并把應對方式傳給相應的終端設備。對于物聯網來說，反饋就是針對現實世界采取行動的過程，可用于反饋的設備被稱為輸出設備（圖 4.1.7 和圖 4.1.8）（參見教材P104）。
也有很多終端設備不能進行這樣簡單的劃分，它們不僅具有輸入、輸出功能，還能進行比較復雜的信息處理，如智能手機、平板計算機等。日常生活中，常把這些終端設備稱為智能終端。
網關
與計算機網絡不同的是，物聯網中的終端設備類型多種多樣，有很多設備自身很難具備獨立連入網絡的能力，這時，就需要網關的幫助。
在感測過程中，網關主要用于連接設備和收發數據；在反饋過程中，網關主要用于向終端設備傳達來自服務器的指令（圖 4.1.9）（參見教材P105）。
服務器
物聯網系統的服務器，跟普通服務器的功能類似，通常也具備收發數據、處理數據和存儲數據三大功能（圖4.1.10）（參見教材P105）。
不同的是，物聯網服務器收發的數據，其格式或類型通常更復雜（圖 4.1.11）（參見教材P106），數據量也更大，因而數據的處理和存儲可能會用到大數據技術。
服務器處理數據主要有批處理和流處理兩種方式。采用批處理方式時，會先保存數據，等待一定的時間后，一次性集中處理這段時間保存的數據（圖 4.1.12）（參見教材P106）；采用流處理方式時，則會在收到數據后立刻進行處理，并進行保存（圖 4.1.13）（參見教材P106）。
思考活動
總結物聯網相關設備的功能
你還知道哪些物聯網相關設備？它們具備怎樣的功能？
感測技術簡介
物聯網的一大任務是感測現實世界。目前，感測現實世界主要有以下關鍵技術。
傳感器技術
一般認為，傳感器技術與通信技術、計算機技術構成了信息技術的三大支柱。傳感器技術的典型產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開始噴水了。噴灑了一會之后，又自動結束了。
在這個過程中，可能用到了哪些傳感器，這些傳感器起了什么作用？
傳感器是一種能夠將某一被測物理量（如速度、溫度、聲、光等）轉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。傳感器是物聯網感知物理世界的重要依托，物聯網系統根據傳感獲知的情況來開啟或停止相應的操作。
射頻識別技術
射 頻 識 別（radio frequency identification，RFID） 技 術主要用于解決物體識別問題，如識別交通卡、托運的行李、飼養的動物等。
圖 4.1.14（參見教材P107） 展示了一個典型的 RFID 系統。這個系統由標簽、閱讀器和天線三部分構成。使用時，先在標簽上寫入關于物體的信息，并放入物體中，此后，閱讀器無需接觸標簽，就可以讀取標簽，從而獲取相關的信息。
你知道哪些使用了射頻識別技術的產品？
這些產品分別用于識別哪些物體？
二維碼技術
二維碼具有信息容量大、成本低、準確性高等特點。
那些不適合嵌入電子標簽的物體，可以通過張貼二維碼來解決識別問題（圖 4.1.15）（參見教材P108）。
定位技術
感測物體所處的位置，也是物聯網感測客觀世界的一個重要任務。從應用場景上看，定位技術可以分為兩大類：
室外定位和室內定位（圖 4.1.16）（參見教材P108）。
室外定位相對成熟，利用衛星、手機基站等，都可以較好地實現相關功能，精度也比較高。室內精確定位一直是個難題，現在一般借助各種無線信號來完成，比如把屋內 Wi-Fi 信號的特征分布記錄下來，然后根據特征確定聯網設備所處的位置。
思考活動
討論定位功能在網絡服務中的應用
你知道哪些基于定位功能的網絡服務？它們為什么要利用定位功能？這些服務如何獲取和利用位置信息？
聯網技術簡介
從功能上看，物聯網中的網絡可以分為兩種：一種是用于連接服務器的網絡；一種是把設備連接到其他設備的網絡（圖 4.1.17）（參見教材P109）。
用于連接服務器的網絡比較好理解，前面介紹的互聯網、移動互聯網等都屬于這類網絡；用于實現物聯網設備互聯（如傳感器和網關互聯）的網絡，則是物聯網特有的。
從傳輸介質上看，把“萬物”接入物聯網，也可以分為有線網和無線網兩種。有線連接包括網線連接、USB 連接等（圖 4.1.18）（參見教材P109）。
無線連接包括 Wi-Fi、移動通信網、藍牙（bluetooth）、近場通信（near field communication，NFC）、ZigBee（蜂舞協議）等。下面對藍牙、近場通信等進行介紹。
藍牙
藍牙是一種近距離無線通信技術，多數智能手機和筆記本計算機都具有藍牙通信功能。藍牙可用于設備連接，同時也可以用來傳輸數據。
項目活動
試用藍牙技術通信
1.準備一臺具備藍牙功能的計算機和兩部具有藍牙功能的智能手機。
2.讓計算機搜索藍牙設備，并參照手機屏幕中的提示，完成配對操作（圖 4.1.19）（參見教材P110）。
3. 在計算機中打開藍牙管理界面，并啟用接收文件功能。
4. 在手機上打開一張照片，然后利用藍牙功能發送這張照片（圖 4.1.20）（參見教材P110）。
5. 傳輸完畢后，用計算機打開接收到的照片。
6. 用手機搜索附近的藍牙設備，讓這兩部手機進行藍牙配對。
7. 嘗試用一部手機向另一部手機發送照片。
近場通信技術
情境 2 ：
很多人肯定有這樣的經歷：上下公共汽車或出入地鐵站時，大家只要把交通卡在刷卡設備上“嘀”一下，相關的計費或付費工作就完成了（圖4.1.21）（參見教材P111）。這個“刷”卡行為的背后，依靠的是什么技術原理呢？
目前，很多“刷”卡操作是依靠近場通信技術來完成的。采用這項技術后，可以讓相關設備（如手機和刷卡機）在彼此靠近的情況下進行數據交換，也可以讓交通卡等物體被相關設備識別，從而實現物體與網絡的連接。
項目實施
試用手機讀取交通卡中的信息
1. 準備一部具備 NFC 功能的手機和一張交通卡。
2. 把交通卡放到手機 NFC 模塊的位置處，聽到“嘀”的一聲后，手機的屏幕上就會顯示通過 NFC 發現的物體。
3. 選擇相關的程序，查看交通卡信息（圖 4.1.22）（參見教材P111）。
不難想象，如果是一個具有修改功能的設備，就可以增加或減少交通卡中的金額，從而完成充值或付費任務。
近場通信技術不僅可以用來讀取各種設備，也能用來傳輸文件。
項目實施
試用 NFC 功能傳輸文件
1. 準備兩部支持 NFC 功能的手機，了解它們的 NFC 模塊所在位置。
2. 在一部手機上打開一張圖像，然后讓兩部手機的 NFC 模塊互相靠近。幾乎要互相貼著時，會聽到“嘀”的一聲，表示兩部手機已經建立了 NFC 連接。
3. 查看已經打開圖像的手機，然后按屏幕的提示點擊一下，手機就會自動把圖像發送到另一部手機中（圖 4.1.23）（參見教材P112）。
提示：發送過程中，兩部手機不能相隔太遠。
4. 用另一部手機翻看剛剛獲取的圖像文件。
思考活動
總結藍牙技術和近場通信技術的異同
根據前面的實踐活動并查閱相關資料，然后參照下面的問題，總結藍牙技術和近場通信技術的異同。
·互聯設備是否都要有供電裝置？
·通信前是否需要進行手工配對？
·哪種技術支持的傳輸距離長？
·哪種技術的傳輸速度快？
除了上面介紹的技術外，物聯網中使用的無線通信技術還有 ZigBee、Li-Fi 等。
ZigBee 具有網絡容量大、安全可靠等特點，ZigBee 網中的設備之間可以自動形成一個網狀拓撲。Li-Fi 利用可見光波（如燈泡發出的光）進行數據傳輸，理論上，人們甚至可以利用街邊的路燈傳輸信息。
服務器端技術簡介
感測技術獲得的大量信息，通過各種網絡傳輸匯聚到服務器后，還需要在服務器上進行有效地整合分析。相關的技術非常多，其中大數據和云計算目前在服務器端的應用非常廣泛。
大數據
大數據是用來形容數據爆炸性增長的術語，其顯著特征是“數據量大”，但直到今日，研究者仍無法給出一個科學的定義。一般來說，大數據指大小超出了常規數據工具處理能力的數據集。
通常認為，大數據具有巨量性、多樣性、迅變性等特征，物聯網中傳輸的數據恰好與這些特征相吻合。
云計算
云計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、內存、硬盤、軟件等）的計算模式。計算資源所在的地方稱為云端；使用這些資源，負責輸入和輸出的設備稱為云終端（圖 4.1.25）（參見教材P114）。
使用時，云終端通過網絡向云端發送請求，云端處理后返回結果。具體來說，包括 3 種服務模式（圖 4.1.26）（參見教材P114）：基礎設施即服務。云端提供中央處理器、內存、存儲器等資源，用戶像使用一臺普通計算機那樣，根據自己的需要安裝系統和應用軟件。
平臺即服務。云端提供已經配好的各種開發、應用平臺，用戶根據需要開發、安裝各種應用軟件。
軟件即服務。云端提供用戶需要的應用軟件，用戶只要關心如何使用就可以了。
可以這樣認為，物聯網產生了大數據，大數據的處理需要借助云計算，而云計算則支持了物聯網的發展。三者的關系可見圖 4.1.27（參見教材P114）。
項目實施
總結自己對物聯網的認識
在了解物聯網的概念和發展歷程、物聯網設備及其功能，以及它的社會影響的基礎上，結合自己的使用感受，總結自己對物聯網的認識。
提示：
1. 可以宏觀地、全方位地介紹對物聯網的認識，也可以選擇一個切入點，就某一具體的問題進行闡述；
2. 觀點鮮明，內容嚴謹；
3. 語言精練，便于理解。
課后作業
1. 物聯網的結構體系可以分為幾層，分別是什么？
2. 嘗試在沒有 Wi-Fi 的情況下，讓兩個智能設備實現文件分享。
3. 不同的物聯網設備是如何跟物聯網信息系統相連接的？
4. 物聯網的終端設備，主要承擔著哪兩大功能？
5. 物聯網中，網關設備和服務器的主要功能是什么？
6. 有哪些常見的感測技術？它們的特點是什么？
7. 物聯網中常用的聯網技術有哪些？
8. 物聯網中，在服務器端經常使用的技術有哪些？
板書設計
第 4 章　物聯網與創新網絡服務
4.1　物聯網簡介
1.認識物聯網
2.物聯網的發展歷程
3.相關設備
4.感測技術簡介
5.聯網技術簡介
6.服務器端技術簡介
普通高中教科書
信息技術　選擇性必修 2　網絡基礎
編著
人民教育出版襯課程教材研究所信息技術課程教材研究開發中心
中國地圖出版社教材出版分社
總 主 編 ：祝智庭 樊 磊
副總主編 ：高淑印 郭 芳 李 鋒
本冊主編：慈黎利 熊雪亭
編寫人員：梁南燕 武 迪 王集偉 佟松齡 王學紅

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