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(共49张PPT)
第二单元 第1课
物联网系统和反馈控制—物联网的互联通信
（清华大学版）八年级
上
1
核心素养目标
3
新知讲解
5
拓展延伸
7
板书设计
2
新知导入
4
课堂练习
6
课堂总结
课后作业
8
02
核心素养目标
信息意识
计算思维
数字化学习与创新
信息社会责任
遵守物联网设备使用和互联通信的相关道德规范，如在设置智能摄像头等设备时确保其拍摄范围不涉及他人隐私区域。
能够熟练运用互联网资源，搜索、收集有关物联网互联通信的相关知识、案例、技术文档等资料，用于自主学习和深入探究。
能够将复杂的物联网互联通信系统抽象为信息发送端、传输通道、接收端等基本组成部分。
能够认识到物联网互联通信在日常生活、工业生产、社会服务等多个领域的广泛应用。
单元导入
本单元你将学习:
物联网的互联通信是如何进行的
物联网的控制技术可以操作哪些模块
物联网系统的搭建流程有哪些环节
如何用开源硬件、物联网平台实现一个物联网项目
01
单元导入
物联网技术作为当今社会信息化发展的重要组成部分，已经深入我们生活的方方面面：手机扫码打开共享单车的车锁，远程遥控实现对家居灯光的控制，实时查看家居植物的生长状况....而物联网系统和反馈控制是这些物联网应用场景得以实现的关键，通过实时监测、数据传输和反馈控制，实现了物品之间的互联互通和远程控制。
01
单元导入
学习热身
你知道物联网的设备之间有哪些连接方式？请将所了解的信息填在下表中。
物联网设备之间的连接方式
连接方式 举例
Wi-Fi 通过连接家中的 Wi-Fi 网络实现与手机 APP 或其他设备的交互通信。
蓝牙 蓝牙耳机与手机的连接，方便用户接听电话、听音乐等。
NFC 部分手机支持 NFC 功能，可用于乘坐公交地铁时与公交卡读卡器进行近距离通信完成支付。
4G/5G 智能车载终端通过 4G/5G 网络与云端服务器连接，实现实时导航、车辆远程监控。
01
单元导入
HTTP 协议是互联网上使用最广泛的网络通信协议，但在物联网方面，更多的人选择了MQTT协议。MQTT协议的设计非常简单，使物与物的连接变得十分灵活和便捷。因为不同的客户端之间并没有建立直接的网络连接，而是通过服务器进行中转沟通。只要它们发送和订阅的是同一个主题（TopicID），即可相互沟通。不仅如此，MQTT 协议的传输速度也更快。根据 3G 网络的测试结果，MQTT 协议的吞吐量比 HTTP 协议大93倍。
你知道吗？
01
03
新知导入
本课中你将学习:
开源硬件如何进行串口通信测试
开源硬件怎样联网
如何使用 HTTP 协议和开源硬件通信
如何使用 MQTT 协议和开源硬件通信
03
新知导入
物联网开启了万物互联的时代，但要真正实现万物互联，首先要解决的就是万物之间的通信问题。虽然说物联网是互联网的延伸，但物联网的设备往往是泛在的（指无所不在）、移动的，比如成千上万的共享单车。针对这些散落在世界各个角落的物联网设备连接网络的需求，计算机科学家们又做了怎样的设计？发明了怎样的技术呢？
03
新知导入
04
新知讲解
一、常见的物联网通信技术
因技术的制约，早期的物联网往往采用有线方式，而后期则更多地使用无线方式。虽然说物联网通信是在计算机网络的基础上发展起来的，但是物联网的终端类型实在太多了。由于功耗和成本等因素的限制，有些设备还不能直接联网，需要借助物联网网关设备或者手机之类的终端进行“中转”。可见，相对于互联网来说，物联网的通信技术会更加复杂。
03
新知讲解
阅读
物联网的目标是实现万物互联，但是一些设备因为技术限制或者其他原因，不能直接连接互联网。那么，物联网网关就成为连接这些设备的重要纽带。
如图2.1.1 所示，物联网终端先通过蓝牙技术连接到网关，再经过网关的协议转换与云服务器通信。
图2.1.1 物联网网关
04
新知讲解
按照通信方式，可以把物联网通信技术大致分为有线传输、短距离无线传输、长距离无线传输和传统网络传输四类。
1.有线传输
有线传输是指设备之间用物理线缆直接相连，从而实现设备之间通信的一种传输方式。目前常见的有线传输主要有传统电线、同轴线、开关量信号线、USB 线等，它们用于不能上网的设备与网关设备之间的连接。通常情况下，通过计算机给智能终端编写程序，使用的就是有线传输中的串口通信技术。
04
新知讲解
串口是串行接口的简称，也称串行通信接口，是采用串行通信方式的扩展接口，如图2.1.2所示即为计算机串口。其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信。开源硬件一般利用USB 虚拟串口的方式与计算机进行通信。串口通信最大的优点是通用性好，大部分设备都能支持这种通信方式，但其通信速度比以太网慢得多，只适合低速率和小数据量的通信。
图2.1. 2 计算机串口
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新知讲解
探索
开源硬件既可以向串口发送消息，也可以接收来自串口的消息。进行串口通信测试时，通常会借助串口通信收发软件来进行，如图2.1.3所示，软件可接收并显示串口消息。
图2.1. 3 串口通信测试界面
04
新知讲解
探索
请以小组为单位，开展“开源硬件的串口通信测试”活动，并进行交流分享。
通过开源硬件的串口通信测试，可以深入了解开源硬件的串口通信功能及工作原理,掌握串口通信收发软件的使用方法，同时在测试过程中能够发现并解决一系列常见问题，提升对开源硬件与串口通信相关知识和技能的掌握程度，为后续进一步利用开源硬件进行更复杂的项目开发或应用奠定良好的基础。
04
新知讲解
2.短距离无线传输
短距离无线传输主要指物联网终端之间及终端和物联网网关之间的通信，涉及蓝牙、紫蜂（ZigBee）、无线射频等技术。下面简要介绍蓝牙及ZigBee 技术。
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新知讲解
（1） 蓝牙
蓝牙常用于固定设备和移动设备、移动设备和移动设备之间的短距离数据传输。比如共享单车服务中对自行车车锁的开启，很多系统选择的方案就是利用手机蓝牙功能发送“开锁”指令实现干预。蓝牙网络的特点是速率快、功耗低、安全性高。如图2.1.4所示的是自带板载天线的蓝牙模块，它可与各种蓝牙适配器、蓝牙手机配对使用。
图2.1.4 蓝牙模块
04
新知讲解
（2） ZigBee
ZigBee 是一种短距离、低功耗的无线通信技术。每个 ZigBee 网络节点既可以作数据采集和信号输出的终端，也可以中转别的网络节点传输过来的数据，类似于网络中继器。ZigBee 的最大优点是组网非常方便。如图 2.1.5所示的 XBee模块，就是采用了 ZigBee 技术的无线模块。
图2.1.5 XBee 模块
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新知讲解
3. 长距离无线传输
物联网的应用场景非常复杂，即使Wi-Fi 设备再普及，覆盖面再广，城市中也依旧存在一些无信号区域。如共享单车之类的服务，可能分散在城市各个角落，甚至可能骑行到郊区。长距离无线传输方案的首选肯定是移动无线通信技术。
随着移动无线通信技术的发展，移动无线通信终端模块的价格和通信资费都在不断下降。4G、5G设备能够快速、高质量地传输图像、音频、视频等数据。但其设备的功耗较大，对电源的要求较高。近几年，NB-IoT和 LoRa技术正在兴起，成为物联网通信技术中新的选择。
04
新知讲解
4.传统网络传输
有线传输和近距离无线传输仅仅完成了物联网设备之间，或者物联网设备和网关之间的连接。“万物互联”最终需要经过浩瀚无垠的互联网，才能让处于世界不同角落的设备或者终端建立联系。
早期的物联网设备一般都采用有线网络的形式连接到互联网。随着Wi-Fi技术的普及，后期物联网设备的联网逐步更换为Wi-Fi 方式。相对Wi-Fi来说，有线网络具有速度更快、连接更稳定的优势。如果对网络传输速率要求很高，并且位置固定不变的物联网设备，一般还会保留有线网络接口，如一些监控设备和物联网网关等。
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知识拓展
列举一些物联网通信的安全风险
数据隐私风险：物联网设备会收集大量个人信息，如智能健康设备收集的健康数据、智能家居设备记录的生活习惯数据等。这些数据一旦泄露，会侵犯用户隐私。
网络攻击风险：DDoS 攻击（分布式拒绝服务攻击）攻击者通过控制大量物联网设备向目标服务器发送请求，导致服务器瘫痪。
04
知识拓展
列举一些物联网通信的安全风险
设备安全风险：物联网设备的软件或硬件可能存在漏洞。一些低成本的物联网设备，制造商可能没有足够的安全投入，容易被攻击者利用漏洞入侵。
通信协议安全风险：部分物联网通信协议在设计时可能没有充分考虑安全因素。比如，早期的 Zigbee 协议存在密钥管理不完善的问题，使数据传输易被窃取或篡改。
04
新知讲解
二、常见的物联网通信协议
通信协议是指双方实体完成通信或服务必须遵循的规则和约定，运行于传输协议（如TCP/IP）之上，主要负责物联网设备之间以及物联网设备和服务器之间的数据交换。
1. HTTP 协议
物联网是在互联网的基础上发展而来的，在当前的互联网通信协议中，HTTP 协议由于开发成本低、开放程度高，几乎占据大半江山，所以很多开发者在构建物联网系统时也常基于 HTTP 协议进行开发。
04
新知讲解
HTTP 协议又称为超文本传输协议，是用于浏览器与 web 服务器之间相互通信的规则。每一次通信，先由客户端向服务器发起请求，服务器响应请求并反馈数据，待数据传输完毕后，连接随之断开。借助 HTTP 协议实现物联网设备和服务器之间的数据交换，一般有两种方式：一是让智能终端定时发起请求，不断将数据发送给 Web 服务器，同时从web 服务器中获取指令；二是在智能终端上运行 Web 服务器程序，服务器定时向智能终端发起请求，获取信息并传送指令。
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新知讲解
TinyWebIO 是一个开源的 MicroPython 库，可以在绝大多数的开源硬件上运行。如图 2.1.6所示，某开源硬件运行相关的代码后，就会变身为一个微型的Web 服务器。
图2.1.6 某开源硬件上的 Web服务器代码
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新知讲解
在浏览器上输入 http://[ip]:8888，即可看到如图 2.1.7所示的web 页面。根据 Tiny WebIO 服务器的说明，我们输入正确的标签名称后，即可读取相关的传感器信息。同样，如果输入正确的标签名称和数值，即可让开源硬件执行相应的动作，如点亮 LED 灯、显示文字、发出声音等。
图2.1.7某开源硬件上的TinyWebIO服务器页面
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新知讲解
探索
HTTP 协议是物联网使用的通信协议之一。某款开源硬件支持Wi-Fi通信，可以运行 TinyWebIO 服务。
请以小组为单位，开展“使用 HHITTP 协议和开源硬件通信”活动，理解其具体的通信过程，并进行交流分享。
实现了使用 HTTP 协议在客户端与支持 Wi-Fi 通信且能运行 TinyWebIO 服务的开源硬件之间的通信过程，从而完成数据获取、指令发送等操作。
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新知讲解
2. MQTT 协议
HTTP 协议作为一个通用的超文本传输协议，并没有对物联网的通信进行优化，存在很多弊端。于是计算机科学家们设计出了专用的物联网通信协议，如MQTT、CoAP、XMPP 等，目前应用最为广泛的是MQTT协议。
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新知讲解
MQTT（message queuing telemetry transport，消息队列遥测传输）是一种基于发布/订阅模式的“轻量级”通信协议。MQTT 系统由服务器和客户端组成，服务器通常被称为“代理（broker）”，客户端可以发布或订阅信息。在发布信息时，客户端会将包含数据的控制信息发送到服务器，然后服务器再将信息分发给已订阅该主题的任何客户端，如图2.1.8所示。
图2.1.8MQTT通信机制
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新知讲解
采用MQTT 协议使物与物的连接变得十分灵活。因为控制端（发布信息）和被控制端（订阅信息）之间并没有建立直接的联系，而是通过服务器进行中转沟通。只要它们发布和订阅的是同一个主题（TopicID），即可相互沟通。目前 MQTT 协议应用非常广泛，国内外主要的云计算服务商都支持MQTT 协议，如阿里云、AWS、百度云、Azure 及腾讯云等。
04
新知讲解
阅读
HTTP协议和MQTT协议的比较如下：
第一，通信模式的比较。MQTT 协议为数据传递而设计，而HITTP 协议是为文档传输而设计。物联网的通信往往需要长时间的连接来进行实时信息传递，HTTP 协议如果要实现“实时”效果，则需要不断发起连接，将消耗大量的网络带宽和系统资源。MQTT 协议则不同，本来就为移动网络的优化而设计，只需要发送简短的报文，即可维持客户端跟服务器之间的长时间连接。
04
新知讲解
阅读
第二，传输速度的比较。根据3G 网络的测试结果，MQTT协议的吞吐量比HTTP协议大93倍。MQTT 协议具有非常短的消息头，最小的报文大小为2字节，而HTTP协议的报文则要大很多倍。
04
知识拓展
物联网通信协议的发展趋势是什么？
更高的安全性：随着物联网的发展，设备之间的连接和数据传输越来越频繁，涉及到个人隐私、商业机密和国家安全等重要信息。
更强的兼容性和互操作性：目前物联网市场上存在多种通信协议，不同协议之间的兼容性较差，导致设备之间的互联互通存在障碍。为了实现不同厂家、不同类型设备之间的无缝连接和协同工作，通信协议需要具备更强的兼容性和互操作性。
04
知识拓展
物联网通信协议的发展趋势是什么？
支持大规模连接：物联网的发展将带来设备数量的爆炸式增长，预计到 2030 年，地球上将有约 231.4 亿台物联网设备。因此，通信协议需要能够支持大规模的设备连接，以满足物联网的发展需求。
智能化方向发展：随着人工智能技术的发展，物联网设备将具备更强的智能感知和决策能力。通信协议需要支持设备之间的智能交互和协同工作，实现物联网系统的智能化管理和控制。
05
课堂练习
某款开源硬件支持 Wi-Fi通信，既可向服务器发送消息，又可接收服务器的消息。比如，按下开源硬件的按键A 和按键B，MQTT服务器就会接收到消息，通过 MQTT服务器发送消息“你好，中国！”到开源硬件，开源硬件的 OLED 显示屏也会接收到消息，如图2.1.9（a）所示。如图2.1.9（b）所示为应用MQTT 协议开发的SIoT 平台的消息界面。
挑战
05
课堂练习
挑战
(a)
(b)
请利用老师事先搭建好的 MQTT服务器，体验“使用 MQTT 协议和开源硬件通信”的活动过程。
06
拓展延伸
如何评估物联网通信协议的安全性？
加密机制评估：
密钥管理：评估密钥的生成、分发、存储和更新过程是否安全。
身份认证评估：
认证强度:对于单一认证方式，评估其强度，如密码认证，检查是否有密码强度要求。
06
拓展延伸
如何评估物联网通信协议的安全性？
协议漏洞检测：
已知漏洞检查：查阅安全机构发布的漏洞信息，检查协议是否存在已发现的安全漏洞。
数据完整性评估：
数据验证机制:查看协议是否有数据完整性验证措施，如消息认证码或数字签名。
06
拓展延伸
Wi-Fi 技术在物联网中的应用有哪些？
智能家电控制：冰箱、空调、洗衣机、电视等家电设备通过内置 Wi-Fi 模块，可以连接到家庭 Wi-Fi 网络，实现远程控制和智能化操作。
智能会议系统：会议室中的智能投影仪、电子白板等设备通过 Wi-Fi 连接，能够实现多设备之间的无线投屏、文件共享和协同操作。参会人员可以方便地将自己的设备上的内容投射到大屏幕上进行展示和讨论，提高会议的效率和互动性。
06
拓展延伸
Wi-Fi 技术在物联网中的应用有哪些？
医疗设备联网：一些医疗设备，如心电图机、血压计、血糖仪等，通过 Wi-Fi 模块可以将患者的生理数据实时传输到医院的医疗信息系统中，医生可以远程查看患者的健康状况，及时做出诊断和治疗建议。
无人零售：在无人零售店中，Wi-Fi 技术用于实现商品的识别、支付、库存管理等功能。顾客可以通过手机扫描商品上的二维码或使用人脸识别等技术进行支付，系统会自动扣除相应的费用，并更新库存信息。
06
拓展延伸
如何保障 Wi-Fi 技术在物联网中的通信安全？
设置复杂的 Wi-Fi 密码：使用包含字母、数字、特殊字符且长度足够的 Wi-Fi 密码，增强 Wi-Fi 网络的接入门槛，防止未经授权的设备接入。
MAC 地址过滤：可以在路由器上设置 MAC 地址过滤，只允许特定 MAC 地址的设备接入 Wi-Fi 网络。MAC 地址是设备的物理地址，类似于设备的身份证，通过这种方式可以限制非法设备的接入。
06
拓展延伸
如何保障 Wi-Fi 技术在物联网中的通信安全？
物联网设备身份认证：对于接入 Wi-Fi 网络的物联网设备，要求其进行身份认证。例如采用数字证书、多因素认证等方式，确保只有合法的、经过授权的设备才能接入网络进行通信。
入侵检测系统（IDS）：在网络中部署 IDS，监测 Wi-Fi 网络的通信流量和设备连接情况，及时发现异常活动，如 DDoS 攻击、非法接入尝试等，并发出警报。
07
课堂总结
1
引入新知内容
物联网系统和反馈控制--物联网的互联通信
2
常见的物联网通信技术
3
常见的物联网通信协议
5
课堂练习
1
2
3
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5
进行相关知识拓展
5
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板书设计
物联网系统和反馈控制--物联网的互联通信
1.进行新知引入
2.学习新知讲解
3.完成课堂练习
4.进行知识拓展
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课后作业
01
学完本节课，请用自己的语言简述一下物联网通信技术有哪些？
09
课后作业
02
请同学们说一下开源硬件怎样联网？
https://www.21cnjy.com/recruitment/home/fine

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