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专题六 了解物联网
(1)了解物联网技术的现状与发展;
(2)了解智慧城市相关知识;
(3)了解典型的物联网系统并体验应用,如智能监控、智能物流等。
考纲要求
1.物联网技术概念
国际电信联盟对物联网(Internet of Things,简称IOT)做了如下定义:通过二维码识读设备、射频识别( RFID) 装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
物联中的“物”必须具备四个特性,一是拥有唯一的地址标志,能被物联网中的其它“物”所识别,并知道它所在的位置,如监控摄像头;二是拥有感知能力,能感知周围的环境状况,如摄像头能感知镜头范围内的物品;三是拥有通信能力,能与其它“物”进行通信,如摄像头能把感知的信息传输给后台的管理中心;四是执行控制,能根据指令完成任务,如报警,语音提示等。
任何事物附加接入物联网的设备,均可以成为物联网中的“物”。包括手机、耳机、智能家具、可穿戴设备等几乎所有你能想到的物品。
一.物联网技术的现状与发展
一.物联网技术的现状与发展
当前物联网的应用越来越广泛,常见的应用系统有:智能交通、智能电网、智能小区、数字博物馆、数字医疗、食品安全监控、智能物流等。物联网的基本组成如图2-6-1所示。
2.物联网主要技术 物联网技术的本质是网络通信技术,核心是无线技术,包括传感器技术、RFID 射频识别技术、移动通信技术、智能信息处理技术、嵌入式系统技术、智能控制技术、云计算技术、信息安全技术等。 它的目的是通过以上技术的融合实现物与物、物与人以及人与人的泛在连接,实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。3.物联网技术的基本架构
当前较为公认的物联网基本架构包括四个逻辑层,即感知层、网络层、平台层和应用层。其框架如图2-6-2所示。传感和控制技术构成感知层,通信技术构成网络层,大数据、云计算、人工智能、操作系统和组件构成平台层,智能物流、智慧农业、智慧交通、智慧电网等在平台层或网络层基础上形成应用层。
(1)感知层
物联网的感知层包括传感器等数据采集终端,是数据之源,现实中的数据通过各种途径和方式采集到物联网系统中,供物联网系统中的终端或平台决策使用。在感知层中主要的技术是传感器技术、RFID射频技术、智能识别技术、二维码技术、卫星定位技术。
一.物联网技术的现状与发展
图2-6-2 物联网技术基本架构
一.物联网技术的现状与发展
一.物联网技术的现状与发展
①传感器技术
传感器类似于人类的感官系统,它能感知周围环境中的声音、光强、温度、湿度、压力、空间位置等物理量的变化,获取各种信号,如声音传感器的基本工作原理如图6-2-3所示。
②射频识别技术
射频识别(英文简称为RFID),又称为无线射频识别,俗称为电子标签。它是一种非接触式、双向通信的自动识别技术,由一个阅读器和目标电子标签两个基本器件组成,它通过射频信号自动识别目标对象以获取相关数据,识别工作不需要人工干预,可工作于各种环境。RFID技术可识别高速运动的物体并可同时识别多个标签,操作便捷。最简单的RFID系统,由电子标签、阅读器及天线组成,实际应用时还要与计算机及应用系统组合,其组成如图2-6-4所示。
图6-2-3 声音传感器工作原理
一.物联网技术的现状与发展
③智能识别技术
当前随着人工智能技术的发展,各种智能识别技术,如图像识别、语音识别、生物识别技术有了广泛的应用,比如我们经常在手机上利用指纹识别、人脸识别、语音识别进行身份认证。
射频标签是物品电子代码的物理载体,附着于可跟踪的物品上,可全球流通并能对其进行识别和读写。
图6-2-4 RFID的系统组成
电子标签
手持阅读器
计算机
(2)网络层 网络层也称为“传输层”,将来自感知层的各类信息通过基础承载网络传输到应用层,相当于人的神经系统。网络层是基于现有的通信网和互联网建立的。物联网就是在互联网的基础上发展起来的。物联网的网络层采用多种通信技术,包括有线和无线网络技术、蓝牙通信技术、移动通信技术,还采用了NB-IOT、LoRa、ZiBee等物联网专用通信技术。网络层负责把感知的数据传输到应用层,同时把应用层的数据传输到感知层中的终端。
物联网中还要用到物联网网关,其作用是负责感知层和网络层之间数据中转以及感知层内部不同感知网络之间的数据中转,同时具备感知层终端设备的管理功能,运营商通过物联网网关设备可以管理低层的各感知结点,了解各结点的相关信息,以实现远程控制。
(3)应用层 应用层是把感知层得到的信息进行处理,实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等实际应用。物联网的应用层可进一步分为管理服务层和行业应用层。管理服务层通过数据挖掘、智能数据处理与智能决策计算,为行业应用层提供安全的网络管理与智能服务。
一.物联网技术的现状与发展
4.物联网技术的的现状(1) 美国物联网技术的现状 美国国家情报委员会将物联网列为六种“2025年可能影响美国的国家权力的技术”,美国已把它当成重振经济的法宝,所以非常重视物联网和互联网的发展,它的核心是利用信息通信技术(ICT)来改变美国未来产业的发展模式和结构(金融、制造、消费和服务等),改变政府、企业和人们的交互方式以提高效率、灵活性和响应速度。把信息通信技术充分应用到各行各业,把感应器嵌入到全国每个角落,例如电网、交通(铁路、公路、市内交通、相关设备、工具)等物体上。并利用网络和设备收集的大量数据通过云计算、数据仓库和人工智能技术做出分析,给出解决各种问题的方案。(2)中国物联网技术的现状 我国高度重视发展物联网,提出“感知中国,感知城市 ”,也是为了推动我国经济结构转型,抢占人类未来发展方向的制高点。物联网具有广阔的行业应用需求,但各行业发展并不均衡,整体来看,中国物联网产业发展仍处于初级阶段,技术标准、产品以及市场并不成熟。细分市场方面,交通、安防、物流、零售、电力、金融、环保、医疗等将成为物联网行业应用的重点领域,但由于不同行业在物联网政策倾向、技术与市场成熟度、市场需求等方面差别较大,物联网的细分市场发展差距很大。
一.物联网技术的现状与发展
5.物联网技术在我国未来发展趋势(1)以应用引领产业发展 中国物联网产业的发展是以应用为先导,存在着从公共管理和服务市场,到企业、行业应用市场,再到个人家庭市场逐步发展成熟的细分市场递进趋势。(2)标准体系逐渐成熟 物联网标准体系是一个渐进发展成熟的过程。物联网产业的标准将是一个涵盖面很广的标准体系,将随着市场的逐渐发展而发展和成熟。(3)综合性平台即将出现 随着行业应用的逐渐成熟,新的通用性强、综合型的物联网技术平台将出现。随着产业的成熟,支持不同设备接口、不同互联协议,可集成多种服务的共性技术平台将是物联网产业发展成熟的标志。(4)有效商业模式逐步形成 针对物联网领域的商业模式创新将是把技术与人的行为模式充分结合的结果。这个商业模式就是要实现多方共赢,让物联网真正成为一种商业的驱动力,让产业链所有参与物联网建设的各个环节都能从中获益。
一.物联网技术的现状与发展
二.典型的物联网系统
1.智能物流系统
(1)智能物流概念 智能物流是指货物从供应者向需求者的智能移动过程,包括智能运输、智能仓储、智能配送、智能包装、智能装卸等,为供方提供最大化的利润,为需方提供最佳的服务,同时也应消耗最少的自然资源和社会资源,最大限度地保护好生态环境,从而形成完备的智能社会物流管理体系。智能物流的特点是:智能化、一体化和层次化、柔性化与社会化。
(2)智能物流界定 智能物流就是利用条形码、射频识别(RFID)技术、传感器、全球定位系统等先进的物联网技术通过信息处理和网络通信技术平台广泛应用于物流业运输、仓储、配送、包装、装卸等基本活动环节,实现货物运输过程的自动化运作和高效率优化管理,最终实现快速响应、准时配送的优质服务,带动现代物流配送行业经济效益的提高。(3)物联网技术在智能物流中的运用 射频识别(RFID)技术主要用来感知定位、过程追溯、 信息采集、物品分类拣选等。全球定位系统(GPS/GIS)技术用于对物流运输与配送环节的车辆或物品进行定位、追踪、监控与管理,尤其在具有运输环节的物流信息系统中应用最广。视频与图像感知技术在物流系统中主要作为其他感知的辅助手段,也常用来对物流系统安防监控,用于物流运输中的安全防盗等,这一系统往往会与RFID、GPS等技术结合应用。传感器的感知技术主要用于对危险物流系统、粮食物流系统、冷链物流系统的物品状况及环境进行感知。尤其在食品、医药冷链物流和危险品物流具有广泛的应用前景。另外,扫描、红外、激光、蓝牙等其他感知技术在物流行业中也有少量应用。
二.典型的物联网系统
(4)智能物流系统运用①运用于产品的智能可追溯网络系统 目前,在医药、农产品、食品、烟草等行业领域,产品追溯体系发挥着货物追踪、识别、查询、信息采集与管理等方面的巨大作用,已有很多成功应用。农产品追溯系统如图2-6-6所示。
二.典型的物联网系统
②运用于物流过程的可视化智能管理网络系统 这是基于GPS卫星导航定位技术、RFID 技术、传感技术等多种技术,在物流过程中实时实现车辆定位、运输物品监控、在线调度与配送可视化与管理的系统。③运用于智能化的企业物流配送中心 这是基于传感、RFID、声、光、电、移动计算等各项先进技术,建立的全自动化的物流配送中心。借助配送中心智能控制、自动化操作的网络,可实现物流、信息流、资金流的全面协同。目前一些先进的自动化物流中心,基本实现了机器人队码垛,无人搬运车搬运物料,分拣线上开展自动分拣,计算机控制堆垛机自动完成出入库。④运用于企业的智慧供应链 在竞争日益激烈的今天,面对着大量的个性化需求与订单,怎样能使供应链更加智慧?怎样才能做出准确的客户需求预测?这些是企业经常遇到的现实问题。这就需要智慧物流和智慧供应链的后勤保障网络系统支持。
二.典型的物联网系统
2.智能监控系统(1)智能监控概念 智能监控是在嵌入式视频服务器中,集成了智能行为识别算法,能够对画面场景中的行人或车辆的行为进行识别、判断,并在适当的条件下,产生报警提示用户。(2)智能监控识别类型 当前比较主流的识别种类包括:物体识别、越界识别、轨迹跟踪、丢失物体识别、车牌识别、车速测量、流量统计、逆行告警、涂鸦行为识别、反常行为视频等。(3)智能监控应用领域 从功能上讲,视频监控可用于安全防范、信息获取和指挥调度等方面,可以提供生产流程控制、大型公共设施的安防,也能为医疗监护、远程教育等提供各种服务。如数字化家庭监控系统、住宅小区及办公室的安全防范、智能大厦与停车场的无人监控等。 从应用领域上看,视频监控在各行各业都得到了广泛的应用,除了档案室、文件室、金库、博物馆等重要部门的监视和报警,在公共场所进行安全监控,在其他经济和生活领域进行管理和控制也是必不可少的。如电信、电力领域的远程无人值守监控,交通领域的远程图像监控等。
二.典型的物联网系统
3.校园一卡通系统
校园一卡通是一个综合型的信息处理系统,也是一个典型的物联网应用,其
主要功能有身份识别、门禁识别、图书借阅、内部消费、自助上网、校内自助租用自行车等,如图6-2-7所示为校园一卡通的门禁识别应用、图书自助借阅应用。
图6-2-7 门禁识别应用(a)
图6-2-7 图书自助借阅(b)
二.典型的物联网系统
三.智慧城市相关知识
图2-6-8智慧城市全景图
三.智慧城市相关知识
1. 智慧城市概念 智慧城市(Smart City)起源于传媒领域,是指利用各种信息技术及创新概念,将城市的系统和服务打通、集成,以提升资源运用的效率,优化城市管理和服务,以及改善市民生活质量。智慧城市应用全景如图2-6-5所示。
2.产生背景 改革开放30多年以来,我国城镇化建设取得了举世瞩目的成就,尤其是进入21世纪后,城镇化建设的步伐不断加快,每年有上千万的农村人口进入城市。随着城市人口不断膨胀,“城市病”成为困扰各个城市建设与管理的首要难题,资源短缺、环境污染、交通拥堵、安全隐患等问题日益突出。为了破解“城市病”困局,智慧城市应运而生。21世纪的“智慧城市”,能够充分运用信息技术和通信技术手段感测、分析、整合城市运行核心系统的各项关键信息,从而对于包括民生、环保、公共安全、城市服务、工商业活动在内的各种需求做出智能的响应,为人类创造更美好的城市生活。3.形成因素 有两种驱动力推动智慧城市的逐步形成,一是以物联网、云计算、移动互联网、人工智能为代表的新一代信息技术,二是知识社会环境下逐步孕育的开放的城市创新生态。前者是技术创新层面的技术因素,后者是社会创新层面的社会经济因素。
三.智慧城市相关知识
4.智慧城市的特征 “智慧城市”需要具备四大特征:全面透彻的感知、宽带泛在的互联、智能融合的应用以及以人为本的可持续创新。(1)全面透彻的感知 通过传感技术,实现对城市管理各方面监测和全面感知。智慧城市利用各类随时随地的感知设备和智能化系统,智能识别、立体感知城市环境、状态、位置等信息的全方位变化,对感知数据进行融合、分析和处理,并能与业务流程智能化集成,继而主动做出响应,促进城市各个关键系统和谐高效的运行。(2)宽带泛在的互联 各类有线、无线网络技术的发展为城市中物与物、人与物、人与人的全面互联、互通、互动,为城市各类随时、随地、随需、随意应用提供了基础条件。宽带泛在网络作为智慧城市的“神经网络”,极大的增强了智慧城市作为自适应系统的信息获取、实时反馈、随时随地智能服务的能力。(3)智能融合的应用 现代城市及其管理是一类开放的复杂系统,新一代全面感知技术的应用更产生了城市的海量数据。
三.智慧城市相关知识
集大成,成智慧。基于云计算,通过智能融合技术的应用实现对海量数据的存储、计算与分析,并引入综合集成法(综合集成研讨厅),通过人的“智慧”参与,大大提升决策支持的能力。基于云计算平台的智慧工程将构成智慧城市的“大脑”。技术的融合与发展还将进一步推动“云”与“端”的结合,推动从个人通讯、个人计算到个人制造的发展,推动实现智能融合、随时、随地、随需、随意的应用,进一步彰显个人的参与和用户的力量。
(4)以人为本的可持续创新
面向知识社会的下一代创新重塑了现代科技以人为本的内涵,也重新定义了创新中用户的角色、应用的价值、协同的内涵和大众的力量。智慧城市的建设尤其注重以人为本、市民参与、社会协同的开放创新空间的塑造以及公共价值与独特价值的创造。注重从市民需求出发,以信息化工具和方法强化用户的参与,汇聚公众智慧,不断推动用户创新、开放创新、大众创新、协同创新,以人为本实现经济、社会、环境的可持续发展。
5.建设意义
建设智慧城市在实现城市可持续发展、引领信息技术应用、提升城市综合竞争力等方面具有重要意义。
(1)建设智慧城市是实现城市可持续发展的需要
由于智慧城市综合采用了包括射频传感技术、物联网技术、云计算技术、下一代通信技术在内的新一代信息技术,因此能够有效地化解“城市病”问题。
三.智慧城市相关知识
这些技术的应用能够使城市变得更易于被感知,城市资源更易于被充分整合,在此基础上实现对城市的精细化和智能化管理,从而减少资源消耗,降低环境污染,解决交通拥堵,消除安全隐患,最终实现城市的可持续发展。
(2)建设智慧城市是信息技术发展的需要
当前,全球信息技术呈加速发展趋势,信息技术在国民经济中的地位日益突出,信息资源也日益成为重要的生产要素。智慧城市正是在充分整合、挖掘、利用信息技术与信息资源的基础上,汇聚人类的智慧,赋予物以智能,从而实现对城市各领域的精确化管理,实现对城市资源的集约化利用。
(3)提高国家综合竞争力的战略选择
战略性新兴产业的发展往往伴随着重大技术的突破,对经济社会全局和长远发展具有重大的引领带动作用,是引导未来经济社会发展的重要力量。一方面,智慧城市的建设将极大地带动包括物联网、云计算、三网融合、下一代互联网以及新一代信息技术在内的战略性新兴产业的发展;另一方面,智慧城市的建设对医疗、交通、物流、金融、通信、教育、能源、环保等领域的发展也具有明显的带动作用,对国家扩大内需、调整结构、转变经济发展方式的促进作用同样显而易见。
课后练习
1.以下不属于物联网应用的是 ( )。A.快递物品的位置查询服务B.用电视遥控器遥控电视C.通过无人超市购买商品D.通过手机远程控制家用电器的运行2.传感器技术是物联网的关键技术之一,传感器主要用于 ( )。A. 采集信息 B.传递信息 C.控制信息 D. 识别信息3.关于物联网的说法中正确的是 ( )。①能够互动、通信的产品都可以看作是物联网的应用②电子不停车收费系统 (ETC) 是物联网技术的典型应用之一③物联网的基础是互联网,是在互联网基础上延伸和扩展的网络④物联网就是物物互联的无所不在的网络,因此物联网是空中楼阁,是不可实现的技术A.①② B.②③ C.①④ D.③④4.组成物联网的主要技术不包括( )。A.传感器技术 B.美工技术 C.网络技术 D.智能数据处理技术
课后练习
5.物联网的体系结构包括( ) 。①感知层 ②网络层 ③应用层 ④转换层A.①②④ B.①③④ C.①②③ D.②③④6.在各种自动识别技术中,识别速度最快的是 ( )。A. 条形码 B. RFID C. 生物识别 D. 光学字符识别7.现代物流的主要特征是 ( )。A.物流总成本最小化、柔性化B. 物流系统化、信息化、现代化、社会化C. 物流管理专门化、网络化、智能化、标准化D.以上都是8.智慧城市的主要特征包括( )。①全面透彻的感知 ②智能融合的应用 ③以人为本的可持续创新 ④宽带泛在的互联A.①②③④ B.①③④ C.②③④ D.①②③
课后练习
9.关于智慧城市的描述中,不正确的是( ) 。A.智慧城市建设的关键是大量、有效地建设城市IT系统B.智慧城市是虚拟的城市,不会给生产、生活带来很大改变C.智慧城市是物联网、大数据与云计算、人工智能、移动通信等技术的综合应用 D.通过传感器或信息采集设备全方位地获取城市系统数据是智慧城市的基础
10.智慧城市的建设项目应包括( ) 。
①智慧交通 ②智慧公共服务 ③智慧安居 ④智慧安防
A.①②④ B.②③④ C.①②③ D.①②③④
练习答案
题号 答案 题号 答案 题号 答案 题号 答案 题号 答案
1 B 2 A 3 B 4 B 5 C
6 B 7 D 8 A 9 B 10 D
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