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(共54张PPT)
第1课
物联网原理和数据采集—从互联网到物联网
（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
在了解了物联网的应用后，结合社会中的问题与之发展推进，加快推动物联网信息技术社会的发展。
在通过学习了物联网的定义、来源及其应用后，挖掘生活中能够通过物联网的应用进行改革创新的事物并加以融合发展。
能将物联网原理和数据采集融会贯通，从互联网到物联网的变化发展中认识它带给社会的便利。
能够学习物联网定义、来源及其应用，以及了解物联网在现代社会的发展起源，学会应用物联网的应用以促进生活的便利。
单元导入
本单元你将学习:
物联网及物联网的工作原理是什么
什么是物联网的智能终端
如何给智能终端编写程序
如何利用传感器采集真实世界的信息
01
单元导入
在2005年信息社会世界峰会上，国际电信联盟发布的报告指出，无所不在的“物联网”通信时代即将到来。在物联网技术的支持下，打开手机即可感知万物的状态，做个手势灯光亮起，说句话大门打开，这些以前只出现在科幻片中的场景如今都成为现实。不知不觉之间，每个人仿佛都拥有了驾驭万物的能力，人类社会正在发生着巨大的变化。
01
单元导入
学习热身
你知道我们一直在接触物联网应用吗？它们给我们的生活、学习都带来了哪些影响？请将所了解的信息填在下表中。
日常生活中的物联网应用
应用名称 主要影响
智能家居 通过智能设备（如智能灯泡、恒温器、安防摄像头等）实现家庭自动化，提高生活便利性和安全性。
健康监测 可穿戴设备（如智能手表、健康追踪器）实时监测健康数据，帮助用户管理健康状况。
智能交通 物联网技术在交通管理中应用，提升交通效率，减少拥堵，改善出行体验。
01
单元导入
我国物联网技术在某些领域处于世界领先地位。2021年11月24日17时16分，贵州省贵阳市修文县发生了4.6级地震，震中位于北纬26.87度、东经106.68度，震源深度10千米。与以往不同的是，震感来临前，一些位于震中的手机、电视机自动弹出了“地震预警”信息，一些小区楼顶的“大喇叭”也自动发出了“地震预警”广播。虽然只有几十秒，但这种全自动的秒级响应却为人们赢得了宝贵的逃生时间有效减少了人员伤亡和财产损失。
你知道吗？
01
03
新知导入
本课中你将学习:
什么是物联网，物联网的起源是怎样的
物联网技术应用包括哪些关键环节
物联网的应用有哪些
03
新知导入
许许多多的计算机连在一起，就形成了互联网。互联网将世界连接在一起，让世界变成了“地球村”。随着科技的发展，人们不再满足只是将计算机连在一起，而更希望将世间万物连在一起，实现与万物的交流对话，于是便出现了“物联网”的概念。
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03
新知导入
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新知讲解
一、物联网的定义与起源
我国很多城市已经普及了公共自行车服务。人们出行很少骑自己购买的自行车，通常是用手机扫码的方式临时“租赁”。到达目的地后，人们会将自行车停放在规定区域内，为车上锁后手机会提示用户付费，这样就完成了一次租车出行的“交易”。这种用于临时租赁的自行车，叫作共享单车，如图1.1.1所示。
图1.1.1 共享单车
04
新知讲解
与共享单车类似的公共服务还有不少，比如共享充电宝，如图1.1.2所示。出门在外人们经常会遇到手机需要应急充电的情况，公共场所一般都会提供临时租赁充电宝的服务：用手机扫码取走充电宝，归还后会提示用户付费。在这类服务中，通过手机获取周边自行车、充电宝的锁定状态，以及通过指令开锁等动作，都是借助互联网来完成的。
将互联网的触角继续延伸，从计算机延伸到自行车、充电宝之类的物品，就进入了物联网的世界。
图1.1.2 共享充电宝
04
新知讲解
1.物联网的定义
物联网(物联网，LOT)，是一种利用各种传感和控制设备根据约定标准或开放协议将各类事物与互联网连接，实现信息传递与交流的网络。简单地说，物联网可以理解为“物物相连的互联网”，其目标是让万物沟通对话。如图1.1.3所示，灯泡、门锁、自行车等生活中常见的物品都是物联网的终端设备。这些终端设备借助物联网，可以实现相互通信。
图1.1. 3 物联网示意
04
新知讲解
2.物联网的起源
物联网的起源可以追溯到1991年的“特洛伊咖啡壶”事件。为了能实时了解咖啡壶的工作状态，剑桥大学特洛伊计算机实验室的工程师在咖啡壶旁边安装了一个摄像头，并编写程序将摄像头捕捉到的画面传递到实验室的计算机上，如图1.1.4所示。1993年，这套简单的“咖啡壶观测系统“经过更新，以1帧/秒的速率发布到互联网上。没想到的是，仅仅为了看看“咖啡煮好了没有“，全世界互联网用户蜂拥而至，200多万人点击过这个名噪一时的“咖啡壶”网站，这一网站也成为历史上第一个直播网站。
图1.1. 4 特洛伊咖啡壶
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新知讲解
1999年，美国麻省理工学院自动识别中心首次提出“万物皆可通过网络互联“，阐明了物联网的基本含义。2005年在突尼斯举行的信息社会世界峰会上，国际电信联盟发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，该报告扩展了物联网的定义和范围。报告指出，无所不在的物联网通信时代即将来临，世界上所有的物品（从轮胎到牙刷，从房屋到纸张）都可以通过互联网主动进行数据交换。
物联网概念的广泛传播则到了2008年以后。为了促进科技发展并寻找新的经济增长点，各国政府将物联网纳入下一代技术规划。2009年8月“感知中国”的概念提出，之后，物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一。
新知讲解
（1）卡内基梅隆大学的自动可乐贩卖机
关于物联网的起源，还有一种说法是和卡内基梅隆大学计算机系的一台自动可乐贩卖机有关。这台可乐贩卖机的生意特别好，但人们需要下楼才能知道可乐贩卖机的状态。
1982年，几个程序员聚在一起解决了这个问题。他们在贩卖机上安装了微动开关，连接到学校的一台服务器上，通过编写程序来接收微动开关的状态，并开放了状态查询功能。这样，人们在自己的计算机上就可以查看可乐贩卖机中现有可乐的情况。
你知道吗？
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新知讲解
比如数量以及冷热（通过装入贩卖机的时间来估算）。也许是因为这台可乐贩卖机的特殊仅限性，它被命名为Only（唯一）。
（2）比尔·盖茨（Bill Gates）对物联网的预测
1995年，比尔·盖茨在《未来之路》一书中就提到了“物联网”的构想，指出“互联网仅仅实现了计算机的联网，而没有实现万事万物的互联“，并认为”在不远的未来，没有智能家居系统的住宅就像今天不能上网的住宅一样不合潮流“。
你知道吗？
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知识拓展
物联网的发展历程。
一、概念萌芽阶段（20 世纪 80 年代 - 90 年代中期）：
1.早期探索：20 世纪 80 年代初期，全球第一台隐含物联网概念的设备是位于卡内基 梅隆大学的可乐贩卖机，它连接到互联网，可以在网络上检查库存，以确认还可供应的饮料数量。这是对物品与网络连接的早期尝试。
2.理论提出：1995 年，比尔 盖茨在《未来之路》一书中提及物联网的概念，但当时受限于无线网络、硬件和传感器的发展水平，这一概念并未引起广泛关注。
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知识拓展
物联网的发展历程。
二、初步发展阶段（1999 年 - 2005 年）：
1.概念明确：1999 年，美国麻省理工学院 Auto-ID 中心的凯文 阿什顿教授在研究 RFID 时最早提出 “物联网” 的概念。同年，在美国召开的移动计算和网络国际会议提出 “传感网是下一个世纪人类面临的又一个发展机遇”。
2.国际关注：2005 年 11 月 17 日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会上，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU 互联网报告 2005：物联网》，指出无所不在的 “物联网” 通信时代即将来临，射频识别技术（RFID）、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将得到更加广泛的应用。
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知识拓展
物联网的发展历程。
三、缓慢发展阶段（2005 年 - 2010 年左右）：
1.技术瓶颈：虽然物联网的概念已经提出，但在这一时期，相关技术的发展还不够成熟，如传感器的精度、功耗，通信协议的统一等问题尚未得到很好的解决，限制了物联网的大规模应用。
2.市场培育：企业和消费者对物联网的认知和接受程度还比较低，市场需求尚未充分激发，物联网的发展速度相对缓慢。
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知识拓展
物联网的发展历程。
四、快速发展阶段（2010 年至今）：
1.政策推动：各国政府纷纷出台政策支持物联网的发展。
2.技术突破：随着传感技术、云计算、大数据、移动互联网等技术的融合发展，物联网的技术基础不断夯实。
3.应用拓展：物联网的应用领域不断扩大，涵盖了智慧城市、工业物联网、车联网、智能家居、智能医疗等多个领域。
4.产业成熟：物联网产业的产业链逐渐完善，形成了多个环节的产业体系。同时产业内的企业合作与竞争不断加剧，推动了物联网技术的不断创新。
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新知讲解
二、物联网背后的技术分析
以现在的技术来看物联网应用的雏形“特洛伊咖啡壶”，我们或许会觉得平平无奇，因为借助网络摄像头就能实现。而网络摄像头是一个随处可以买到的计算机周边产品，按照说明书设置一下网络信息，一般人都能操作。但“特洛伊咖啡壶”的确做到了能够“感知”咖啡壶这一“物品“的状态，将网络的触角从计算机延伸到了咖啡壶，完全符合物联网的定义。
其实，无论是“特洛伊咖啡壶”还是共享单车，它们都具有一些共同的特征，即通过特定的设备获取物品的状态，并通过网络传输信息，再呈现给用户。只是因为时代不同，感知的物品不同，应用的场景不同，
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新知讲解
从而导致使用的技术不同。我们把这些共同特征归纳为三个关键环节，即感知、传输和处理，如图1.1.5所示。
物品
咖啡壶
摄像头
局域网
计算机终端
自行车
二维码、导航系统等
移动网络
手机APP
呈现
感知
传输
处理
图1.1.5 “特洛伊咖啡壶“和共享单车的对比
特洛伊咖啡壶
共享单车
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新知讲解
1.感知
物联网系统一般利用传感器、射频识别（RFID）、二维码等方式对物品进行数据采集。“特洛伊咖啡壶”采用的是摄像头；而共享单车采用的是二维码和导航系统等，比如用户识别车辆时需要扫描二维码，系统感知车辆的位置时需要使用导航系统，感知车锁状态时需要使用传感器。
为了得到更全面的感知数据，往往使用以组为单位的传感器，进行多维度感知，从而实时反映目标的变化情况。某物联网环境监测云终端的页面如图1.1.6所示。
图1.1.6
某物联网环境监测云终端页面
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新知讲解
2.传输
物联网的信息传输，借助的是互联网技术。物联网的应用场景多样，为了方便部署，物联网终端设备往往会采用无线网络。比如，带物联网功能的电饭煲、电冰箱，一般都使用Wi-Fi技术；而在共享单车服务中，由于自行车遍布在城市的不同角落，所以只能采用移动网络技术。
一般来说，复杂一些的物联网系统，都会使用服务器来存储数据。但物联网系统感知的数据往往是“大量、动态实时“的，因此对服务器的性能和带宽都有较高的要求。
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新知讲解
3. 处理
对于传输到服务器的数据，还要进行分析处理才能使用。物联网系统的数据处理是非常复杂的，涉及很多方面的技术，如云计算服务、大数据技术、人工智能等。数据处理后系统会根据用户需求呈现结果或给出决策，比如查看用户周边是否有自行车，根据骑行的时间计算车费等。如图1.1.7所示的是某共享单车小程序的界面，蓝色带自行车的小图标表示周边自行车的位置。
图1.1.7 某共享单车小程序界面
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新知讲解
探索
请在网络上搜寻有关云雀气象仪的使用视频，认真观看气象仪是如何采集数据的？采集了哪些数据？又是如何处理的呢？请小组交流讨论。
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新知讲解
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新知讲解
1.气象仪通过温度传感器、湿度传感器、大气压力传感器、风速风向仪和降水量传感器和仪器采集气象数据。
2.气象仪采集的数据类型包括温度、湿度、大气压力、风速、风向、降水量等基本气象要素。
3.气象仪的数据处理过程：
数据清洗：采集到的数据可能存在噪声、异常值或缺失值。数据清洗的过程就是去除这些无效数据。
气象仪是如何采集数据的？采集了哪些数据？又是如何处理的呢？
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新知讲解
数据转换：将清洗后的数据进行格式转换，使其符合后续分析的要求。
数据分析：运用统计分析、机器学习、时间序列分析等技术对数据进行深入分析。
可视化展现：将分析结果通过图表、曲线、动画等形式进行可视化展示，以便用户更直观地理解数据背后的信息。
气象仪是如何采集数据的？采集了哪些数据？又是如何处理的呢？
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知识拓展
物联网的工作原理？
一、数据采集
1.传感器与设备：物联网系统的最前端是各种各样的传感器和智能设备。这些设备能够感知环境中的物理量或状态变化。
2.数据获取方式：传感器和设备通常采用有线（如通过 USB、以太网等接口）或无线（如 Wi - Fi、蓝牙、ZigBee、LoRa 等通信协议）的方式将数据发送给网关或直接传输到云平台。
二、数据传输
1.网络连接：网关在物联网系统中起到了承上启下的作用。它可以接收
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知识拓展
物联网的工作原理？
来自多个传感器和设备的数据，并将这些数据进行整合和初步处理。
2.传输协议和标准：物联网中有多种传输协议，如 MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）、CoAP（Constrained Application Protocol）等。
三、数据处理与分析
1.数据存储：云平台接收到物联网数据后，会将数据存储在数据库中。这些数据库可以是关系型数据库（如 MySQL），用于存储结构化的数据，也可以是非关系型数据库（如 MongoDB、Cassandra），用于存储大量
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知识拓展
物联网的工作原理？
的非结构化或半结构化数据。
2.数据处理：在存储数据后，云平台会对数据进行处理。这包括数据清洗，去除噪声数据、重复数据和错误数据。数据转换也是一个重要环节，将不同格式的数据转换为统一的格式，方便后续的分析。数据分析可以采用多种技术以提取有价值的信息。
四、应用与控制
1.应用开发：基于处理后的物联网数据，可以开发各种应用程序。
2.反馈与控制：物联网系统还可以实现反馈控制。
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新知讲解
三、物联网的应用
物联网的发展速度超出了很多人的想象。在物联网概念提出后的短短十几年里，物联网便已经在各行各业得到了广泛应用，在生活中随处可见。
从本质来看，物联网是在互联网的基础上增加了对“物”的感知。原来静止的“物”一旦可以被感知，似乎就拥有了“生命”，因而很多结合了物联网应用的信息系统都会加上“智慧”“智能”等词语，如智慧停车场、智慧农场、智能家居等。目前物联网技术的应用涉及交通、物流、安防、能源、建筑、家居和农业等领域。表1.1.1对物联网技术主要应用的领域进行了说明。
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新知讲解
表1.1.1 物联网的主要应用领域
应用领域 应用说明 典型应用
交通 体现为人、车、路的紧密结合，使交通环境得到改善，交通安全更有保障，资源利用率在一定程度上也得到了提高 智能公交车、共享单车车联网、智慧充电桩、智能红绿灯、智慧停车场等
物流 可以监测货物的温湿度和运输车辆的位置状态、油耗、速度等，提高了物流行业的运输效率和智能化水平，如图1.1.8所示 智慧仓储、运输监测、智能快递柜等
客户下单
订单处理
任务分配
物品定位
智能抓取
智能运输
客户
快递投递
图表1.1.8 智慧物流
打包出库
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新知讲解
表1.1.1 物联网的主要应用领域
应用领域 应用说明 典型应用
安防 传统的安防依赖人力，而智能安防可以利用设备，减少对人员的依赖 智能门禁、网络监控等
能源 将水能、电能、燃气以及路灯、井盖、垃圾桶这类环保装置联网，可以提高利用率减少损耗 智慧井盖、智能水表、智能电表等
建筑 体现在节能和管理方面，可以节约能源同时减少运维的人员成本 智慧照明、消防监测、智慧电梯、楼宇监测等
家居 监测家居产品的位置、状态，并远程控制，结合应用场景，实现个性化服务，如图1.1.9所示 智能锁、智能音箱、扫地机器人、智慧空调等
农业 利用传感器、摄像头、卫星来促进农业种植和机械装备的数字化联系，准确感知周围环境的温度和湿度情况，实现智能灌溉等 智慧农业种植、现代畜牧养殖
图表1.1.9
智能家居
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知识拓展
物联网的应用的好处。
一、提高生产效率
1.工业制造领域：在工厂的生产线上，通过物联网技术可以实现设备之间的互联互通。同时，物联网还可以优化生产流程。
2.农业领域：物联网在精准农业中的应用也大大提高了农业生产效率。
二、提升生活质量
1.智能家居方面：物联网让家居生活变得更加便捷和舒适。
2.智能健康领域：可穿戴设备是物联网在健康领域应用的典型代表。有助于人们养成良好的健康习惯，提升生活质量。
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知识拓展
物联网的应用的好处。
三、优化资源管理
1.能源管理方面：在能源领域，物联网技术可用于能源的生产、传输和消费的全过程优化。
2.城市资源管理领域：对于城市的水资源管理，物联网可以发挥重要作用。
四、促进经济发展
1.新兴产业的诞生与成长：物联网的广泛应用催生了许多新兴产业。
2.传统产业的转型升级：对于传统产业，物联网提供了转型升级的契机。
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课堂练习
物联网技术正以惊人的速度渗透到我们生活的各个方面，从交通到家居，从农业到能源管理，它正在改变我们与周围世界的互动方式，现在，请想象一下，如果要你设计一个物联网应用，你希望它服务于哪个领域？实现哪些功能？请小组交流讨论，并围绕物联网技术应用的三个关键环节（感知、传输和处理），分析你的物联网应用将如何工作，填写表1.1.2。
挑战
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课堂练习
挑战
表 1.1.2 物联网应用设想
物联网应用名称 智能医疗手环
服务领域 医疗领域
实现功能 实时健康监测、疾病预警、远程医疗诊断、药品管理、医疗设备管理
工作流程 感知环节：采用高精度的生命体征传感器，使用可穿戴设备可以通过与皮肤接触或佩戴在身体特定部位，持续采集生命体征数据。采用数据校验和滤波算法，去除噪声和异常数据。同时，对传感器进行定期校准和维护，确保其性能稳定
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课堂练习
挑战
表 1.1.2 物联网应用设想
工作流程 传输环节：可以选择低功耗广域网（LPWAN）技术，确保数据能够远距离传输且功耗较低。同时采用先进的加密技术，对传输中的数据进行加密处理，建立安全的通信协议，确保数据在传输过程中不被窃取或篡改。最后采用冗余传输和数据备份技术，确保数据在传输过程中不会丢失
处理环节：将采集到的医疗数据存储在安全可靠的云服务器或本地数据库中。采用分布式存储技术，确保数据的高可用性和可扩展性。同时，对数据进行分类存储，方便查询和分析。利用大数据分析和机器学习算法，对医疗数据进行深入分析。同时，还可以对医疗设备的运行数据进行分析，优化设备的使用和维护策略
06
拓展延伸
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拓展延伸
物联网可以分为哪些部分呢？
一、感知层：
1.传感器：负责采集物理世界中的各种信息。
2.智能设备：具有一定的计算和通信能力，能够与其他设备进行交互和通信。
3.射频识别技术（RFID）：通过无线射频信号实现对目标物体的识别和跟踪。
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拓展延伸
物联网可以分为哪些部分呢？
二、网络层：
1.通信网络：负责将感知层采集到的信息传输到应用层，以及将应用层的指令传输到感知层。
2.物联网网关：起到连接感知层和网络层的桥梁作用。
三、应用层：
1.数据处理平台：对从网络层传输过来的数据进行存储、分析和处理。
2.应用系统：根据不同的应用场景和需求开发各种物联网应用系统。
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拓展延伸
物联网与互联网的对比。
连接对象 数据类型和用途 网络架构和通信协议 安全性要求 应用场景和领域
互联网 具有计算和通信能力的设备 数据类型主要是人类产生的信息，用于人类之间的沟通交流、知识传播、娱乐等 采用客户端 - 服务器（C/S）或浏览器 - 服务器（B/S）架构，通信协议主要包括传输控制协议 / 互联网协议（TCP/IP） 主要关注用户的隐私保护、账号安全、信息的真实性和完整性等 广泛应用于信息服务、电子商务、社交网络、在线教育、数字娱乐等领域
物联网 各种物理设备和物体 数据主要是由各种传感器和设备采集的物理世界的数据，用于对物体的状态监测、控制、优化和管理等 架构更为复杂，包括感知层、网络层和应用层，物联网使用多种通信协议，专门用于物联网的协议 MQTT、CoAP 除了上述安全问题外，还需要考虑设备的物理安全、数据的安全性和隐私性以及网络的安全性 应用场景主要集中在智能家居、智能交通、智能工业、智能农业、智能医疗等领域
名称
方面
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拓展延伸
物联网产生后的影响？
一、经济领域：
1.企业生产与管理：企业能够实现对生产线上各个环节的实时监控和精准控制，及时发现生产过程中的问题并进行调整，减少生产错误和次品率，从而提高生产效率。还可以实时跟踪原材料、零部件和产品的运输和存储情况，优化供应链流程，提高库存管理的准确性和及时性，降低库存成本。
2.新的商业模式和产业发展：物联网技术使得共享经济模式更加便捷和高效。带动了相关产业的兴起。这些新兴产业为经济发展提供了新的增长点，创造了大量的就业机会。
06
拓展延伸
物联网产生后的影响？
二、社会生活领域：
1.智能家居：智能家居系统可以实现家庭设备的远程控制和自动化管理，提高家庭生活的便利性和舒适度。
2.智能交通：通过物联网技术，交通管理部门可以实时监测交通流量、路况等信息，实现交通信号的智能控制和交通疏导，提高交通效率。
3.车辆智能化：物联网技术使车辆具备了智能驾驶、远程诊断等功能，提高了车辆的安全性和可靠性。
4.智能医疗：患者可以通过物联网设备在家中进行健康监测，医生可以远程查看患者的健康数据，及时提供诊断和治疗建议。
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拓展延伸
物联网产生后的影响？
三、城市管理领域：物联网技术可以将城市中的各种设施和设备连接到互联网上，实现对城市运行的实时监控和管理，提高城市的管理效率和服务水平。可以应用于城市的公共安全领域。通过物联网设备的联动和数据分析，可以提高公共安全事件的预警和处理能力，保障城市居民的生命财产安全。
四、环境与能源领域：物联网技术可以用于环境监测。通过安装在不同地点的传感器，可以实时收集环境数据，为环境保护部门提供决策依据。可以实现对能源的精细化管理和智能控制，提高能源利用效率，降低能源消耗。
07
课堂总结
1
引入新知内容
物联网原理和数据采集--从互联网到物联网
2
物联网的定义与来源
3
物联网背后的技术
5
物联网的应用
1
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3
4
5
进行相关知识拓展
4
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板书设计
物联网原理和数据采集--从互联网到物联网
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
09
课后作业
01
学完本节课，请用自己的语言简述一下你对物联网的认识？
09
课后作业
02
请同学们回到家中，对家中的智能设备进行分析，分析其是否使用了物联网的技术？
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