《物联网技术导论》教案

1、教案教案 2013通信专业通信专业 授课类型：课堂讲授授课类型：课堂讲授 参考书目：物联网导论参考书目：物联网导论 魏旻魏旻 人民邮电人民邮电 物联网技术导论物联网技术导论 桂小林桂小林 授课内容，教学方法，及作业其他见每小节授课内容，教学方法，及作业其他见每小节 第一节第一节 绪绪 论论 课堂讲授：课时课堂讲授：课时4 4 难点：物联网的发展难点：物联网的发展 内容如下：内容如下： 思考题：物联网的应用思考题：物联网的应用 1.1 1.1 物联网的概念物联网的概念 1.1.1 1.1.1 物联网的定义物联网的定义 定义：定义：物联网是通过使用射频识别（物联网是通过使用射频识别（Radio F

2、requency Radio Frequency IdentificationIdentification，RFIDRFID）、传感器、红外感应器、全球）、传感器、红外感应器、全球 定位系统、激光扫描器等信息采集设备，按约定的协议，定位系统、激光扫描器等信息采集设备，按约定的协议， 把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯， 以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网 络。络。 1.1 1.1 物联网的概念物联网的概念 1.1.2 1.1.2 物联网的特征物联网的特征 u全面感知全面感知

3、 u可靠传递可靠传递 u智能处理智能处理 1.1.3 1.1.3 “物物”的含义的含义 1.1 1.1 物联网的概念物联网的概念 1.1.4 1.1.4 物联网概念辨析物联网概念辨析 u EPC EPC系统系统 u 信息物理系统信息物理系统 u 传感器网络传感器网络 u M2M M2M技术技术 1.2 1.2 物联网的起源与发展物联网的起源与发展 1.2.1 1.2.1 物联网的起源物联网的起源 u 国际发展现状国际发展现状 u 国内发展现状国内发展现状 1.2.2 1.2.2 物联网的发展物联网的发展 u 物联网发展面临的问题物联网发展面临的问题 1.3 1.3 物联网的应用物联网的应用 u

4、 智能交通智能交通 u 智能物流智能物流 u 环境监测环境监测 u 智能电网智能电网 u 医疗健康医疗健康 u 智能家居智能家居 1.4 1.4 小结小结 第二节第二节 物联网体系结构物联网体系结构 课堂讲授课时：课堂讲授课时：4 4 难点：物联网的体系结构与计算难点：物联网的体系结构与计算 机网络体系结构的区别机网络体系结构的区别 内容如下：内容如下： 作业：复习计算机网络相关内容作业：复习计算机网络相关内容 2.1 2.1 物联网体系结构概述物联网体系结构概述 2.1.1 2.1.1 意义和功能意义和功能 物联网的最终目的是建立一个满足 人们生产、生活以及对资源、信息更高 需求的综合平台，

5、管理跨组织、跨管理 域的各种资源和异构设备，为上层应用 提供全面的资源共享接口，实现分布式 资源的有效集成，提供各种数据的智能 计算、信息的及时共享以及决策的辅助 分析等。 图 物联网 2.1 2.1 物联网体系结构概述物联网体系结构概述 2.1.2 2.1.2 设计原则设计原则 u 以以“用户为中心用户为中心”u 时空性时空性 u 互联互通互联互通u 开放性开放性 u 可管理性可管理性 u 安全性安全性u 鲁棒性鲁棒性 2.1 2.1 物联网体系结构物联网体系结构 2.1.1 2.1.1 组成模块组成模块 图 USN结构 2.1 2.1 物联网体系结构物联网体系结构 2.1.1 2.1.1

6、组成模块组成模块 图 物联网体系结构 2.2 2.2 物联网体系结构物联网体系结构 2.2.1 2.2.1 组成模块组成模块 u 感知控制层感知控制层 u 数据传输层数据传输层 u 数据的动态组织与管理层数据的动态组织与管理层 u 应用决策层应用决策层 数据的实时采集数据的实时采集 信息的有效传递信息的有效传递 信息的智能化处理信息的智能化处理 2.2 2.2 物联网体系结构物联网体系结构 2.2.2 2.2.2 感知控制层感知控制层 u 传感技术传感技术 传感器是将能感受到的及规定的被测量按照一定的规律转换成可用输出信号 的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。 u 标识技术标识技术 标

7、识技术是通过RFID、条形码等设备所感知到的目标外在特征信息 来证实和 判断目标本质的技术来。 u 定位技术定位技术 定位技术是测量目标的位置参数、时间参数、运动参数等时空信息的技术，它 利用信息化手段来得知某一用户或者物体的具体位置。 2.2 2.2 物联网体系结构物联网体系结构 2.2.2 2.2.2 感知控制层感知控制层 图 定位技术 2.2 2.2 物联网体系结构物联网体系结构 2.2.3 2.2.3 数据传输层数据传输层 图 数据传输技术 u 短距离通信技术短距离通信技术 u 广域网通信技术广域网通信技术 2.2 2.2 物联网体系结构物联网体系结构 2.2.3 2.2.3 数据的动

8、态组织与管理数据的动态组织与管理 图 云计算架构 2.2 2.2 物联网体系结构物联网体系结构 2.2.4 2.2.4 数据的动态组织与管理数据的动态组织与管理 u 智能计算技术智能计算技术 u 海量数据的存储海量数据的存储 u 服务计算服务计算 2.2 2.2 物联网体系结构物联网体系结构 2.2.5 2.2.5 应用决策应用决策 u 监控型应用监控型应用 图 基于RFID的物流跟踪 2.2 2.2 物联网体系结构物联网体系结构 2.2.5 2.2.5 应用决策应用决策 u 控制型应用控制型应用 图 智能交通 2.2 2.2 物联网体系结构物联网体系结构 2.2.5 2.2.5 应用决策应用

9、决策 u 扫描型应用扫描型应用 图 手机钱包 2.3 2.3 物联网关键技术物联网关键技术 图 物联网关键技术 2.4 2.4 已有架构已有架构 2.4.1 2.4.1 无线传感网无线传感网 图 WSN 2.4 2.4 已有架构已有架构 2.4.1 2.4.1 无线传感网无线传感网 图 WSN体系结构 2.4 2.4 已有架构已有架构 2.4.2 EPC/UID 2.4.2 EPC/UID 图 EPC的组成 2.4 2.4 已有架构已有架构 2.4.2 EPC/UID 2.4.2 EPC/UID 图 EPC 2.4 2.4 已有架构已有架构 2.4.3 CPS 2.4.3 CPS 图 CPS

10、2.4 2.4 已有架构已有架构 2.4.4 M2M 2.4.4 M2M 图 M2M 2.5 2.5 物联网的反馈与控制物联网的反馈与控制 2.5.12.5.1自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式 u 自动控制的概念及应用自动控制的概念及应用 u 反馈控制原理反馈控制原理 u反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成 u自动控制系统的基本控制方式自动控制系统的基本控制方式 物联网中的“感、 智、控”分别构 成了物联网控制 系统的测量、比 较、执行等三大 部件，这三大部 件又在“联”这 种网络平台上得 以相互作用，形 成了“控制系 统”，最终实现 了“控”的目的。联联 鲁棒性鲁棒性

11、 保安性保安性 可信性可信性 时延性时延性 物联网的控制系统一定是一个计算机参与的 离散控制系统，将离散控制理论的分析方法 引入物联网系统的分析、研究和设计过程中， 能够使这一过程更加科学、合理，对系统的 各种性能将有一个更准确的判断，同时也便 于进行仿真分析。 第三、四章第三、四章 传感器及传感器及RFIDRFID 技术技术 课堂讲授：课时课堂讲授：课时8 8 重点难点：该章为本书重点之一，重点难点：该章为本书重点之一， 主要涉及二维码，主要涉及二维码，RFIDRFID等传感技等传感技 术术 具体如下：具体如下： 思考题：思考题：RFIDRFID系统组成，生物识系统组成，生物识 别技术与物联

12、网的联系。别技术与物联网的联系。 3.1 3.1 传感器概述传感器概述 3.1.1 3.1.1 传感器的功能传感器的功能 u 物理世界的物理世界的“感觉器官感觉器官” u 从狭义角度来看，传感器是一种将测量信号转换从狭义角度来看，传感器是一种将测量信号转换 成电信号的变换器成电信号的变换器 u 从广义角度来看，传感器是指在电子检测控制设从广义角度来看，传感器是指在电子检测控制设 备输入部分中起检测信号作用的器件备输入部分中起检测信号作用的器件 3.1 3.1 传感器概述传感器概述 3.1.3 3.1.3 传感器的发展趋势传感器的发展趋势 u 微型化微型化u 智能化智能化u 多样化多样化 u 网

13、络化网络化u 集成化集成化u 新型材料新型材料 u 高精度、高可靠高精度、高可靠 3.1 3.1 传感器概述传感器概述 3.1.3 3.1.3 传感器的应用领域传感器的应用领域 u 工业检测和自动化控制系统工业检测和自动化控制系统 u 智能家居智能家居u 环境保护环境保护 u 医疗医疗u 航空航天航空航天 u 智能机器人智能机器人 3.2 3.2 传感器的分类传感器的分类 3.2.1 3.2.1 根据测试对象根据测试对象 u 温度传感器温度传感器 u 湿度传感器湿度传感器 u 压力传感器压力传感器 u 位移传感器位移传感器 u 加速度传感器加速度传感器 3.2 3.2 传感器的分类传感器的分类

14、 3.2.2 3.2.2 根据原理根据原理 u 电学式传感器电学式传感器u 磁性式传感器磁性式传感器 u 电势型传感器电势型传感器u 光电式传感器光电式传感器 u 电荷传感器电荷传感器u 半导体传感器半导体传感器 u 谐振式传感器谐振式传感器u 电化学式传感器电化学式传感器 3.2 3.2 传感器的分类传感器的分类 3.2.3 3.2.3 根据输出信号根据输出信号 u 模拟式传感器模拟式传感器 u 数字式式传感器数字式式传感器 3.2 3.2 传感器的分类传感器的分类 3.2.4 3.2.4 根据能量根据能量 u 有源传感器有源传感器 u 无源传感器无源传感器 3.2 3.2 传感器的分类传感

15、器的分类 传感器分类 转换原理传感器名称典型应用 转换形式中间参量 电 参 数 电 阻 移动电位器角点改变电 阻 电位器传感器位移 改变电阻丝或片尺寸 电阻丝应变传感器、半导 体应变传感器 微应变、力、负荷 利用电阻的温度效应 热丝传感器气流速度、液体流量 电阻温度传感器温度、辐射热 热敏电阻传感器温度 电 容 改变电容的几何尺寸 电容传感器 力、压力、负荷、位移 改变电容的介电常数液位、厚度、含水量 电 感 改变磁路几何尺寸、导磁 体位置 电感传感器位移 涡流去磁效应涡流传感器位移、厚度、含水量 利用压磁效应压磁传感器力、压力 改变互感 差动变压器 位移自整角机 旋转变压器 频 率 改变谐振

16、回路中的固有参 数 振弦式传感器压力、力 振筒式传感器气压 石英谐振传感器力、温度等 计 数 利用莫尔条纹光栅 大角位移、大直线位移改变互感感应同步器 利用拾磁信号磁栅 数字利用数字编号角度编码器大角位移 电 能 量 电 动 势 温差电动势热电偶温度、电流 霍尔效应霍尔传感器磁通、电流 电磁感应磁电传感器速度、加速度 光电效应光电池光照度 电 荷 辐射电离电离室离子计数、放射性强度 压电效应压电传感器动态力、加速度 3.3 3.3 传感器的技术原理传感器的技术原理 3.3.1 3.3.1 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 3.3 3.3 传感器的技术原理传感器的技术原理 3.3.1 3.3.1

17、 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 u 应变片电阻值应变片电阻值u 绝缘电阻绝缘电阻 u 应变片的灵敏系数应变片的灵敏系数 u 机械滞后机械滞后 u 零漂和蠕变零漂和蠕变 u 极限极限 u 横向效应横向效应 3.4 3.4 常见传感器常见传感器 3.4.1 3.4.1 温度传感器温度传感器 u 按材料分类按材料分类 图 热电偶传感器 图 热电阻传感器 3.4 3.4 常见传感器常见传感器 3.4.7 3.4.7 智能传感器智能传感器 l 自校准功能 l 自补偿功能 l 自诊断功能 l 数据处理功能 l 双向通信功能 l 信息存储和记忆功能 l 数字信号输出功能 4.1 4.1 条形码技术条形码

18、技术 4.1.1 4.1.1 一维条形码技术一维条形码技术 条形码 (bar code，简称条码)技术是集条码理论、光电技术、计算机技 术、通信技术、条码印制技术于一体的一种自动识别技术。 条形码也叫条码。它是一种以光电扫描识读的信息图形标识符。 u 条码条码 图 条码的组成 4.1 4.1 条形码技术条形码技术 4.1.2 4.1.2 二维条形码技术二维条形码技术 图 二维码的分类 4.1 4.1 条形码技术条形码技术 4.1.2 4.1.2 二维条形码技术二维条形码技术 u 信息容量大信息容量大u 编码范围广编码范围广 u 纠错能力强纠错能力强u 可加密可加密 u 寿命长、易打印、成本低寿

19、命长、易打印、成本低u 识读方便识读方便 4.2 RFID4.2 RFID技术技术 u 快速扫描快速扫描u 体积小、多样化体积小、多样化 u 抗污染、耐久性好抗污染、耐久性好u 可重复使用可重复使用 u 可穿透可穿透 u 容量大容量大 u 安全性高安全性高 4.2 RFID4.2 RFID技术技术 4.2.1 RFID 4.2.1 RFID的概念及分类的概念及分类 RFID技术是无线电广播技术和雷达技术的结合。无线电广播技术是一种 使用无线电波发射、传播和接收语音、图像、数字、符号的技术，而雷达技 术是一种应用无线电波的反射理论的技术。 图 RFID 4.2 RFID4.2 RFID技术技术

20、4.2.1 RFID 4.2.1 RFID的概念及分类的概念及分类 RFID系统包含射频标签(Tag)、读写器(Reader)和数据管理系统组成 图 RFID的组成 u RFID的组成的组成 4.2 RFID4.2 RFID技术技术 4.2.1 RFID 4.2.1 RFID的概念及分类的概念及分类 ISO/IEC、EPC global、Ubiquitous ID Center、AIM global和IP-X u RFID的分类的分类 u RFID的标准的标准 工作频率 标签 读写方式 藕合原理 4.2 RFID4.2 RFID技术技术 4.2.1 RFID 4.2.1 RFID的概念及分类的

21、概念及分类 u RFID的关键问题的关键问题 标准 成本 技术 安全 4.2 RFID4.2 RFID技术技术 4.2.2 RFID 4.2.2 RFID的核心技术的核心技术 u RFID标签标签 图 低频标签 图 高频标签 4.2 RFID4.2 RFID技术技术 4.2.2 RFID 4.2.2 RFID的核心技术的核心技术 u RFID标签标签 图 标签分类 工作频率协议读写距离受方向影 响 芯片价格数据传输 率 普及率 125kHz ISO 11784/11785 ISO18000-2 无一般慢大量使用 13.56MHz ISO/IEC14443无一般较慢大量使用 ISO/IEC156

22、93 单向 全向 无低较快大量使用 860930MHz ISO/IEC18000- 6 一般一般读快写慢大量使用 2.45GHz ISO/IEC18001- 3 一般较高较快使用较少 5.8GHz ISO/IEC18001- 5 以上一般较高较快使用一般 4.2 RFID4.2 RFID技术技术 4.2.2 RFID 4.2.2 RFID的核心技术的核心技术 u RFID阅读器阅读器 图 RFID阅读器 4.2 RFID4.2 RFID技术技术 4.2.2 RFID 4.2.2 RFID的核心技术的核心技术 u RFID阅读器阅读器 图 RFID模拟部分的发送与接受 4.3 4.3 定位技术定

23、位技术 4.3.1 4.3.1 卫星定位技术卫星定位技术 u GPS GPS定位原理定位原理 图图4-29 GPS4-29 GPS定位原理示意图定位原理示意图 4.3 4.3 定位技术定位技术 4.3.1 4.3.1 卫星定位技术卫星定位技术 u GPS GPS的应用的应用 1 1 定位导航定位导航 2 2 勘察测绘勘察测绘 3 3 应急救援应急救援 4 4 精确制导精确制导 第五，六章第五，六章 无线传感网络无线传感网络 及通信技术及通信技术 课堂讲授：课时课堂讲授：课时6 6 重点难点：该章为本书重点之一，重点难点：该章为本书重点之一， 主要涉及主要涉及zigbeezigbee技术技术技术

24、技术 具体如下：具体如下： 思考题：思考题：zigbeezigbee技术的特点。无技术的特点。无 线传感网络及通信技术的特征。线传感网络及通信技术的特征。 现代通信技术现代通信技术 5.1 5.1 近距离无线通信技术近距离无线通信技术 5.1.1 5.1.1 Wi-FiWi-Fi技术技术 5.1.2 5.1.2 蓝牙技术蓝牙技术 5.1.3 ZigBee 5.1.3 ZigBee技术技术 5.1.1 5.1.1 Wi-FiWi-Fi技术技术 Wi-Fi Wi-Fi采用的协议标准采用的协议标准 u IEEE 802.11b IEEE 802.11b标准标准 u IEEE 802.11a IEEE

25、 802.11a标准标准 u IEEE 802.11g IEEE 802.11g标准标准 u IEEE 802.11n IEEE 802.11n标准标准 5.1.1 5.1.1 Wi-FiWi-Fi技术技术 Wi-Fi Wi-Fi特点特点 u 覆盖范围广覆盖范围广 u 传输速度快传输速度快 u 建网成本低，使用便捷建网成本低，使用便捷 u 更健康、更安全更健康、更安全 5.1.1 5.1.1 Wi-FiWi-Fi技术技术 Wi-Fi Wi-Fi组网技术组网技术 Wi-FiWi-Fi应用前景应用前景 u Ad-hoc Ad-hoc模式模式 u 接入点模式接入点模式 图图5-2 基于接入点模式的基

26、于接入点模式的Wi-Fi组网示意图组网示意图 5.1.2 5.1.2 蓝牙技术蓝牙技术 蓝牙协议栈蓝牙协议栈 图图5-4 基于基于802.15版本的蓝牙协议栈结构示意图版本的蓝牙协议栈结构示意图 5.1.2 5.1.2 蓝牙技术蓝牙技术 蓝牙组网技术蓝牙组网技术 图图5-5 蓝牙组网示意图蓝牙组网示意图 5.1.2 5.1.2 蓝牙技术蓝牙技术 蓝牙应用服务蓝牙应用服务 蓝牙技术应用环境蓝牙技术应用环境 应用名说明 一般访问（GenericAccess）针对链路管理的应用 服务发现（ServiceDiscovery）用于发现所提供的服务 串行端口（SerialPort）用于代替串行端口电缆 一般的对象交换（GenericObjectExchange）为对象移动过程定义客户服务器关系 LAN访问