资源简介

第 4 章　物联网与创新网络服务
4.1　物联网简介
教学设计
教学背景
信息科技是现代科学技术领域的重要部分，主要研究以数字形式表达的信息及其应用中的科学原理、思维方法、处理过程和工程实现。当代高速发展的信息科技对全球经济、社会和文化发展起着越来越重要的作用。
义务教育信息科技课程具有基础性、实践性和综合性，为高中阶段信息技术课程的学习奠定基础。信息科技课程旨在培养科学精神和科技伦理，提升自主可控意识，培育社会主义核心价值观，树立总体国家安全观，提升数字素养与技能。
教材分析
本节课的教学内容选自人教/地图出版社选择性必修2　网络基础　第 4 章　物联网与创新网络服务　4.1　物联网简介 。
以物联网和“互联网 +”为特征的信息网络服务正在广泛流行。一方面，智能手机、网络电视、智能冰箱......越来越多的设备开始接入网络；另一方面，工业、农业、商业、教育、交通等传统行业也纷纷开始“互联网化”。可以说，随着信息化的进程，网络已经渗透到社会的各行各业，产生了网络购物、线上支付等一系列创新网络服务，对人们的生活、工作和学习产生了重大的影响。
教学目标
1.掌握物联网的概念及其发展历程。
2.了解与物联网相关的设备及其功能。
3.能描述物联网设备的工作原理。
教学重点与难点
教学重点:了解与物联网相关的设备及其功能。
教学难点:能描述物联网设备的工作原理。
教学方法与教学手段
案例分析法、讲授法、任务驱动法。
教学过程
问题导入
体验探索
回顾对物联网的认识
当前，网络不仅广泛用于即时通信、网络视频等信息技术相关产业，还在农业、工业等传统行业中频繁展现身影；网络不仅连接着计算机，还连接着智能手机、平板计算机、汽车、网络电视等多种智能设备（图 4.1.1）（参见教材P101）。
参照图 4.1.1，谈一下你对物联网的认识。
认识物联网
物联网指通过各种信息传感设备，实时采集需要监控、连接、互动的物体的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人之间的连接，以便识别、管理和控制。
从硬件设备上看，物联网主要有三个构成要素：终端设备、网关和服务器（图 4.1.2）（参见教材P102）。
从工作逻辑上，则可以分为应用层、网络层和感知层（图 4.1.3）（参见教材P102）。
物联网的发展历程
物联网的理念最早出现在 1995 年出版的《未来之路》一书中，书中提到了物物互联，但受当时技术条件的限制，并未引起重视。一般认为，物联网这一概念是 1999 年出现的，当时的科研工作者提出“万物皆可通过网络互联”，阐明了物联网的基本含义。
从计算机网络到物联网，大体经过了三个阶段（图4.1.4）（参见教材P103）。在最开始，网络发展注重的是把计算机和服务器连接起来，形成了以“万维网”为代表的关注信息的网络；随着“普适计算”等思想的普及，人在网络中的作用受到了重视，通过智能手机、平板计算机等设备，使得人“随时随地”连接网络成为可能，从而形成了关注人的网络；随着网络连接的普及，以及芯片技术、传感技术等技术的发展，汽车、眼镜、手表等物品也开始连入网络，从而形成了关注物的网络，也就是物联网。
尽管物联网的基本思想在 20 世纪 90 年代就提出来了，但近年来才引起人们的关注。进入 21 世纪后，物联网受到了世界各国前所未有的重视，被认为是下一个推动世界高速发展的“重要生产力”。
思考活动
了解我国物联网建设成果
说一说你接触过的物联网应用，然后搜索并阅读相关资料，了解我国物联网的建设成果。
相关设备
前面已经介绍过，物联网的相关设备主要分为终端设备、网关和服务器三种。
终端设备
物联网中的终端设备，主要指物，除了平板计算机、智能手机外，电视、手表、眼镜......任何一件物品，都有可能成为终端设备。这些终端设备主要发挥着两大类作用：感测和反馈。
对于物联网来说，感测是从现实世界获取信息的过程，可用于感测的设备被称为输入设备（图 4.1.5 和图 4.1.6）（参见教材P104）。
物联网系统收到上传的信息后，就要决定该如何应对，并把应对方式传给相应的终端设备。对于物联网来说，反馈就是针对现实世界采取行动的过程，可用于反馈的设备被称为输出设备（图 4.1.7 和图 4.1.8）（参见教材P104）。
也有很多终端设备不能进行这样简单的划分，它们不仅具有输入、输出功能，还能进行比较复杂的信息处理，如智能手机、平板计算机等。日常生活中，常把这些终端设备称为智能终端。
网关
与计算机网络不同的是，物联网中的终端设备类型多种多样，有很多设备自身很难具备独立连入网络的能力，这时，就需要网关的帮助。
在感测过程中，网关主要用于连接设备和收发数据；在反馈过程中，网关主要用于向终端设备传达来自服务器的指令（图 4.1.9）（参见教材P105）。
服务器
物联网系统的服务器，跟普通服务器的功能类似，通常也具备收发数据、处理数据和存储数据三大功能（图4.1.10）（参见教材P105）。
不同的是，物联网服务器收发的数据，其格式或类型通常更复杂（图 4.1.11）（参见教材P106），数据量也更大，因而数据的处理和存储可能会用到大数据技术。
服务器处理数据主要有批处理和流处理两种方式。采用批处理方式时，会先保存数据，等待一定的时间后，一次性集中处理这段时间保存的数据（图 4.1.12）（参见教材P106）；采用流处理方式时，则会在收到数据后立刻进行处理，并进行保存（图 4.1.13）（参见教材P106）。
思考活动
总结物联网相关设备的功能
你还知道哪些物联网相关设备？它们具备怎样的功能？
感测技术简介
物联网的一大任务是感测现实世界。目前，感测现实世界主要有以下关键技术。
传感器技术
一般认为，传感器技术与通信技术、计算机技术构成了信息技术的三大支柱。传感器技术的典型产品是种类各异的传感器。
情境 1 ：
慢慢接近中午了，天越来越热，空气也越来越干燥。突然，王红叔叔家的智能大棚自动开始喷水了。喷洒了一会之后，又自动结束了。
在这个过程中，可能用到了哪些传感器，这些传感器起了什么作用？
传感器是一种能够将某一被测物理量（如速度、温度、声、光等）转换成便于传输和处理的另一物理量（通常为电量）的器件或装置。传感器是物联网感知物理世界的重要依托，物联网系统根据传感获知的情况来开启或停止相应的操作。
射频识别技术
射 频 识 别（radio frequency identification，RFID） 技 术主要用于解决物体识别问题，如识别交通卡、托运的行李、饲养的动物等。
图 4.1.14（参见教材P107） 展示了一个典型的 RFID 系统。这个系统由标签、阅读器和天线三部分构成。使用时，先在标签上写入关于物体的信息，并放入物体中，此后，阅读器无需接触标签，就可以读取标签，从而获取相关的信息。
你知道哪些使用了射频识别技术的产品？
这些产品分别用于识别哪些物体？
二维码技术
二维码具有信息容量大、成本低、准确性高等特点。
那些不适合嵌入电子标签的物体，可以通过张贴二维码来解决识别问题（图 4.1.15）（参见教材P108）。
定位技术
感测物体所处的位置，也是物联网感测客观世界的一个重要任务。从应用场景上看，定位技术可以分为两大类：
室外定位和室内定位（图 4.1.16）（参见教材P108）。
室外定位相对成熟，利用卫星、手机基站等，都可以较好地实现相关功能，精度也比较高。室内精确定位一直是个难题，现在一般借助各种无线信号来完成，比如把屋内 Wi-Fi 信号的特征分布记录下来，然后根据特征确定联网设备所处的位置。
思考活动
讨论定位功能在网络服务中的应用
你知道哪些基于定位功能的网络服务？它们为什么要利用定位功能？这些服务如何获取和利用位置信息？
联网技术简介
从功能上看，物联网中的网络可以分为两种：一种是用于连接服务器的网络；一种是把设备连接到其他设备的网络（图 4.1.17）（参见教材P109）。
用于连接服务器的网络比较好理解，前面介绍的互联网、移动互联网等都属于这类网络；用于实现物联网设备互联（如传感器和网关互联）的网络，则是物联网特有的。
从传输介质上看，把“万物”接入物联网，也可以分为有线网和无线网两种。有线连接包括网线连接、USB 连接等（图 4.1.18）（参见教材P109）。
无线连接包括 Wi-Fi、移动通信网、蓝牙（bluetooth）、近场通信（near field communication，NFC）、ZigBee（蜂舞协议）等。下面对蓝牙、近场通信等进行介绍。
蓝牙
蓝牙是一种近距离无线通信技术，多数智能手机和笔记本计算机都具有蓝牙通信功能。蓝牙可用于设备连接，同时也可以用来传输数据。
项目活动
试用蓝牙技术通信
1.准备一台具备蓝牙功能的计算机和两部具有蓝牙功能的智能手机。
2.让计算机搜索蓝牙设备，并参照手机屏幕中的提示，完成配对操作（图 4.1.19）（参见教材P110）。
3. 在计算机中打开蓝牙管理界面，并启用接收文件功能。
4. 在手机上打开一张照片，然后利用蓝牙功能发送这张照片（图 4.1.20）（参见教材P110）。
5. 传输完毕后，用计算机打开接收到的照片。
6. 用手机搜索附近的蓝牙设备，让这两部手机进行蓝牙配对。
7. 尝试用一部手机向另一部手机发送照片。
近场通信技术
情境 2 ：
很多人肯定有这样的经历：上下公共汽车或出入地铁站时，大家只要把交通卡在刷卡设备上“嘀”一下，相关的计费或付费工作就完成了（图4.1.21）（参见教材P111）。这个“刷”卡行为的背后，依靠的是什么技术原理呢？
目前，很多“刷”卡操作是依靠近场通信技术来完成的。采用这项技术后，可以让相关设备（如手机和刷卡机）在彼此靠近的情况下进行数据交换，也可以让交通卡等物体被相关设备识别，从而实现物体与网络的连接。
项目实施
试用手机读取交通卡中的信息
1. 准备一部具备 NFC 功能的手机和一张交通卡。
2. 把交通卡放到手机 NFC 模块的位置处，听到“嘀”的一声后，手机的屏幕上就会显示通过 NFC 发现的物体。
3. 选择相关的程序，查看交通卡信息（图 4.1.22）（参见教材P111）。
不难想象，如果是一个具有修改功能的设备，就可以增加或减少交通卡中的金额，从而完成充值或付费任务。
近场通信技术不仅可以用来读取各种设备，也能用来传输文件。
项目实施
试用 NFC 功能传输文件
1. 准备两部支持 NFC 功能的手机，了解它们的 NFC 模块所在位置。
2. 在一部手机上打开一张图像，然后让两部手机的 NFC 模块互相靠近。几乎要互相贴着时，会听到“嘀”的一声，表示两部手机已经建立了 NFC 连接。
3. 查看已经打开图像的手机，然后按屏幕的提示点击一下，手机就会自动把图像发送到另一部手机中（图 4.1.23）（参见教材P112）。
提示：发送过程中，两部手机不能相隔太远。
4. 用另一部手机翻看刚刚获取的图像文件。
思考活动
总结蓝牙技术和近场通信技术的异同
根据前面的实践活动并查阅相关资料，然后参照下面的问题，总结蓝牙技术和近场通信技术的异同。
·互联设备是否都要有供电装置？
·通信前是否需要进行手工配对？
·哪种技术支持的传输距离长？
·哪种技术的传输速度快？
除了上面介绍的技术外，物联网中使用的无线通信技术还有 ZigBee、Li-Fi 等。
ZigBee 具有网络容量大、安全可靠等特点，ZigBee 网中的设备之间可以自动形成一个网状拓扑。Li-Fi 利用可见光波（如灯泡发出的光）进行数据传输，理论上，人们甚至可以利用街边的路灯传输信息。
服务器端技术简介
感测技术获得的大量信息，通过各种网络传输汇聚到服务器后，还需要在服务器上进行有效地整合分析。相关的技术非常多，其中大数据和云计算目前在服务器端的应用非常广泛。
大数据
大数据是用来形容数据爆炸性增长的术语，其显著特征是“数据量大”，但直到今日，研究者仍无法给出一个科学的定义。一般来说，大数据指大小超出了常规数据工具处理能力的数据集。
通常认为，大数据具有巨量性、多样性、迅变性等特征，物联网中传输的数据恰好与这些特征相吻合。
云计算
云计算可以视为一种全新的、方便人们使用各种资源（包括中央处理器、内存、硬盘、软件等）的计算模式。计算资源所在的地方称为云端；使用这些资源，负责输入和输出的设备称为云终端（图 4.1.25）（参见教材P114）。
使用时，云终端通过网络向云端发送请求，云端处理后返回结果。具体来说，包括 3 种服务模式（图 4.1.26）（参见教材P114）：基础设施即服务。云端提供中央处理器、内存、存储器等资源，用户像使用一台普通计算机那样，根据自己的需要安装系统和应用软件。
平台即服务。云端提供已经配好的各种开发、应用平台，用户根据需要开发、安装各种应用软件。
软件即服务。云端提供用户需要的应用软件，用户只要关心如何使用就可以了。
可以这样认为，物联网产生了大数据，大数据的处理需要借助云计算，而云计算则支持了物联网的发展。三者的关系可见图 4.1.27（参见教材P114）。
项目实施
总结自己对物联网的认识
在了解物联网的概念和发展历程、物联网设备及其功能，以及它的社会影响的基础上，结合自己的使用感受，总结自己对物联网的认识。
提示：
1. 可以宏观地、全方位地介绍对物联网的认识，也可以选择一个切入点，就某一具体的问题进行阐述；
2. 观点鲜明，内容严谨；
3. 语言精练，便于理解。
课后作业
1. 物联网的结构体系可以分为几层，分别是什么？
2. 尝试在没有 Wi-Fi 的情况下，让两个智能设备实现文件分享。
3. 不同的物联网设备是如何跟物联网信息系统相连接的？
4. 物联网的终端设备，主要承担着哪两大功能？
5. 物联网中，网关设备和服务器的主要功能是什么？
6. 有哪些常见的感测技术？它们的特点是什么？
7. 物联网中常用的联网技术有哪些？
8. 物联网中，在服务器端经常使用的技术有哪些？
板书设计
第 4 章　物联网与创新网络服务
4.1　物联网简介
1.认识物联网
2.物联网的发展历程
3.相关设备
4.感测技术简介
5.联网技术简介
6.服务器端技术简介
普通高中教科书
信息技术　选择性必修 2　网络基础
编著
人民教育出版衬课程教材研究所信息技术课程教材研究开发中心
中国地图出版社教材出版分社
总 主 编 ：祝智庭 樊 磊
副总主编 ：高淑印 郭 芳 李 锋
本册主编：慈黎利 熊雪亭
编写人员：梁南燕 武 迪 王集伟 佟松龄 王学红

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