資源簡介

信息系統與外部世界的連接方式
學習目標
1.知道信息系統與外部世界的連接方式；
2.了解常見的傳感與控制機制。
學習內容
網絡深刻地改變著人們的生產和生活方式，從電子郵件到即時通信，從超文本標記語 言(HTML)到萬維網(WWW)技術引發的信息爆炸，再到今天移動互聯網的普及，互聯網已經不僅僅是一項通信技術，它成就了人類史上最龐大的信息世界。
21世紀以來，隨著傳感技術的快速發展，信息的傳遞、轉換跨出了數字世界，逐步與 現實世界相互交織，以傳感器和識別終端為代表的信息自動生成設備可以實時準確地開展對物理世界的感知、測量和監控。物理世界的聯網需求和信息世界的擴展需求催生出萬物 互聯的物聯網(Internet of Things)?。同時，它也讓人工智能更好地普及至千家萬戶。
信息系統與物聯網
1.信息系統與外部世界連接方式的演變
計算機技術的發展大約經歷了三個階段：第一階段，人們解決的主要問題是“讓人和 計算機對話”，即操作計算機的人輸入指令，計算機按照人的意圖執行指令，完成任務。 第二階段，在計算機大規模普及之后，人們開始考慮“讓計算機與計算機對話”，即讓處 在不同空間的計算機可以數據傳遞、資源共享，計算機網絡則應運而生。互聯網的飛速發 展實現了世界范圍內人與人之間、計算機與計算機之間的互聯互通，構建了一個以人和計 算機為基礎的虛擬數字世界。第三階段，人們主要考慮的是將聯網的終端從計算機擴展到 “物”——物體和環境。連接之后，整個物理世界就可以在數字世界中得到反映，這種需 求帶來的是物聯網的產生。可以這么理解，物聯網是將物理世界數字化并形成數字世界 的一個途徑，在第三階段中，人們開始努力在傳感技術、定位技術的幫助下與物理世界 對話。
2.物聯網
物聯網與我們熟悉的互聯網，雖然只 有一字之差，但是其內涵卻大不一樣，其 示意圖如圖3-5所示。物聯網概念最早于 1999年由麻省理工學院的Kevin Ash-ton教 授提出。早期的物聯網是指依托射頻識別
(Radio Frequency Identification , RFID ) 技術和設備，按約定的通信協議與互聯網 相結合，使物品信息實現智能化識別和管 理，實現物品信息互聯而形成的網絡。隨 著技術和應用的發展，物聯網內涵不斷擴 展。現代意義的物聯網可以實現對物的感 知識別控制、網絡化互聯和智能處理有機 統一，從而形成高智能決策。
物聯網是通信網和互聯網的拓展應用和網絡延伸，它利用感知技術與智能裝備對物理 世界進行感知識別，通過網絡傳輸互聯，進行計算、處理和知識挖掘，實現人與物、物與 物的信息交互和無縫鏈接，達到對物理世界實時控制、精確管理和科學決策的目的。
我國政府高度重視物聯網的研究和發展。2009年8月，國務院提出“感知中國”的戰 略構想，表示中國要抓住機遇，大力發展物聯網技術。2012年，我國工業和信息化部、科 學技術部、住房和城鄉建設部再次加大了支持物聯網和智慧城市方面發展的力度。我國政 府的一系列報告以及相關政策和措施表明，大力發展物聯網產業將成為今后一項具有國家 戰略意義的重要決策。
物聯網是繼計算機、互聯網與移動通信網之后的又一次信息產業浪潮，物聯網具有三 個方面的技術特征。
(1)全面感知。
全面感知，是指利用無線射頻識別、傳感器、定位器和二維碼等手段，隨時隨地對物 體進行信息采集和獲取。它解決了人和物理世界的數據獲取問題，用傳感技術延展了人的 感知能力。借助當前先進的傳感技術，可以將各種傳感器采集到的信息進行綜合分析、 科學判定，得出全面、科學的結論，用來指導實踐。
條碼技術是在計算機應用和實踐中產生并發展起來的一種自動識別技術，廣泛應用于 商業、郵政、圖書管理、倉儲、工業生產過程控制、交通等領域。條形碼是將寬度不等 的多個黑條和白條，按照一定的編碼規則排成平行線圖案，用以表達一組數字或字母符 號信息的圖形標識符。反射率相差很大的黑條（簡稱條）和白條（簡稱空）被特定的設 備識讀，轉換成與計算機兼容的二進制信息（如黑色的條和白色的空分別對應二進制數 的“1”和“0”）。對于每一種物品，它的編碼是唯一的。當條形碼的數據傳到計算機上 時，由應用程序在計算機系統的數據庫中提取相應的信息，從而建立起條形碼與物品信息 的對應關系。條形碼可以標出物品的生產國、制造廠家、商品名稱、生產日期、郵件起止 地點、類別、日期等信息，具有輸入速度快、準確度高、成本低、可靠性強等優點，在當 今的自動識別技術中占有重要地位。
20世紀80年代后期，隨著條碼技術應用領域的擴大，一種能夠在更小面積上表示更多 信息的新條碼技術產生了，這就是二維條碼（即二維碼）技術。由于二維條碼在平面的橫 向和縱向上都能表示信息，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先建立的數據庫、從中識 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，并且還有錯誤修正技術及防偽功能，增加了數據的安全性。因此，二維碼的出現， 使條碼技術從簡單地標識物品轉化為描述物品，它的功能發生了質的變化，其應用領域也 就擴大了。
（2）可靠傳遞。
可靠傳遞，是指通過各種網絡，對接收到的物體信息進行實時且準確的遠程傳送，實 現信息的交互和共享，并進行各種有效的處理。物聯網是互聯網的一個延伸，在信息的傳 遞過程中，通常要使用現有的通信網絡，包括有線網絡和無線網絡等。傳感器網絡是一個 局部的無線網絡，在物聯網中發揮著極其重要的作用。
（3 ）智能處理。
智能處理是指利用數據管理、數據計算、云計算、模糊識別等各種智能計算技術，對 接收到的海量數據和信息進行分析處理，提升對外部世界各種活動和變化的洞察力，實現 智能化的控制和決策。
智能處理相當于物聯網的大腦和神經中樞。國際電信聯盟在關于物聯網的發展報告中 曾描繪未來“物聯網”時代的圖景：當司機出現操作失誤時汽車會自動報警；公文包會提 醒主人忘帶了什么東西；衣服會“告訴”洗衣機對顏色和水溫的要求……也許不久的將 來，這些場景就會來到我們身邊。
物聯網中的傳感與控制機制
1.物聯網的結構
物聯網的形式復雜多樣，涉及的硬件種類繁多。根據信息生成、傳輸、處理和應用的 原則，可以把物聯網分為三層：感知層、網絡層和應用層。
(1 )感知層。
感知層實現對物理世界的智能感知識別、信息采集處理和自動控制，并通過通信模塊 將物理實體連接到網絡層和應用層。
(2)網絡層。
網絡層主要實現信息的傳遞、路由和控制，包括延伸網、接入網和核心網，網絡層可 依托公眾電信網和互聯網，也可以依托行業專用通信網絡。
(3)應用層。
應用層包括應用基礎設施/中間件和各種物聯網應用。應用基礎設施/中間件為物聯網 應用提供信息處理、計算等通用基礎服務設施、能力及資源調用接口，以此為基礎實現物 聯網在眾多領域的各種應用。
2.物聯網技術
物聯網涉及感知、控制、網絡通信、微電子、計算機、軟件、嵌入式系統、微機電等 技術領域，其技術體系可劃分為感知關鍵技術、網絡通信關鍵技術、應用關鍵技術、共性 技術和支撐技術，每種技術體系下又涵蓋非常多的關鍵技術。其中，?傳感和識別技術是物聯網感知物理世界獲取信息和實現物體控制的首要環節；射頻識別技 術既是一種無線通信技術，同時又是一種自動識別技術，在越來越多的行業中被應用與推 廣，加速了物聯網的發展；而嵌入式系統技術則使得物聯網具有智能處理的能力，能夠對 物體實施智能控制。
(1 )傳感技術。
在人類歷史發展的很長一段時間內，人是通過視覺、聽覺、嗅覺等方式感知周圍環境 的，這是人類認識世界的基本途徑。然而，依靠人類對物理世界的本能感知已遠遠不能滿 足信息時代的發展要求。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等數據。
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揮著關鍵作 用。事實上，傳感器已經滲透到人們的日常生活中。只要細心觀察，就可以發現日常生活 中的各類傳感器，如熱水器中的溫控器、電視機的遙控器、空調中的溫濕度傳感器等。此 外，傳感器也廣泛應用于工農業、醫療衛生、軍事國防、環境保護等領域，大大提高了人 類認識世界和改造世界的能力。
我國國家標準《傳感器通用術語》(GB/T 7665—2005 )對傳感器的定義為“能夠感受規定的被測量并按照一定規律 轉換成可用輸出信號的器件或裝 置”。傳感器一般由敏感元件、 轉換元件和基本電路組成。敏感元件是指傳感器 中能直接感受被測(物理)量的 部分，轉換元件將敏感元件的輸 出轉換成電路參量(如電壓、電 感等)，基本電路將電路參數轉 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，相當于聽覺，用于檢測在氣 體、液體或固體中傳播的機械振動；氣敏傳感器，相當于嗅覺，用于檢測氣體濃度和成 分；化學傳感器，相當于味覺，用于檢測各種化學物質及其濃度；壓敏、溫敏、濕敏等傳 感器，相當于觸覺，能感受壓力和環境溫度、濕度等。
無線傳感器網絡是當前信息領域的研究熱點之一，可實現信號的采集、處理和發送， 已得到越來越廣泛的應用。如在大棚種植中對室內及土壤的溫度、濕度、光照進行監測， 對植物生長規律的數據進行測量與分析，又如在病人、老人等身上安裝心率和血壓監測等 設備來監測人體的各種生理數據，都需要使用傳感器。
(2 )射頻識別技術(RFID )
射頻識別技術是一種無線通信技術，可以通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關數 據，而且識別系統與特定目標之間無須建立機械或者光學接觸。它的出現改變了條形碼依 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在其中 的數量龐大的“無形”信息。
RFID系統由五個組件構成，包括傳送器、接收器、微處理器、天線和標簽。傳送 器、接收器和微處理器通常都被封裝在一起，統稱為閱讀器，因此通常將RFID系統分為閱 讀器、天線和標簽三大組件。
RFID電子標簽的閱讀器通過天線與RFID電子標簽進行無線通信，可以實現對標簽識 別碼和內存數據的讀出或寫入操作。RFID技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標 簽，操作快捷方便。射頻識別系統最重要的優點是非接觸識別，它能穿透雪、霧、冰、涂 料、塵垢，在條形碼無法使用的惡劣環境中閱讀標簽，并且閱讀速度極快，大多數情況下 不到100毫秒。RFID的應用領域非常廣泛，在公交卡、門禁卡、二代身份證上都有其身影。
(3 )嵌入式系統技術。
所謂的嵌入式系統，是指以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪，適 應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。經過幾十年 的演變，以嵌入式系統為特征的智能終端產品隨處可見，小到身邊的MP3,大到航天航空 的衛星系統。嵌入式系統技術能使設備具有智能，使它們具備學習與記憶的能力，能夠按 照使用者的喜好及所處的環境做出回答。如果把物聯網用人體做一個簡單比喻，傳感器相 當于人的眼睛、鼻子、皮膚等感知器官，網絡就是用來傳遞信息的神經系統，嵌入式系統 則是人的大腦，在接收到信息后要進行分類處理。
嵌入式系統技術的應用幾乎無處不在，移動電話、家用電器、汽車等都有它的蹤影。 嵌入式控制器因其體積小、可靠性高、功能強、靈活方便等優點，應用已深入到工業、農 業、教育、國防以及日常生活等各個領域，在諸多產品更新換代、加速自動化進程、提高 生產率等方面起到了重要的推動作用。

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