物联网工程应用-基于人工智能经典案例【教案】 第4章 AI赋能的智慧生活与健康管理

1、封面《物联网工程应用》教案课程名称：物联网技术及应用总学时／周学时：48/4开课时间：第1周至第12周授课年级、班级：信息工程2025级使用教材：物联网工程应用授课教师：2、教案扉页课程要求（在培养方案中的地位、开课学期，先修、后续课程）《物联网技术及应用》是信息工程、自动化专业的专业课，在专业课程体系中占有重要地位。开课学期：先修课程/后修课程：电路原理、嵌入式系统原理与应用教学目标课程目标1：掌握物联网相关的基本知识和分析设计方法。课程目标2：掌握物联网基本协议，如：Zigbee协议。课程目标3：掌握物联网关键支撑技术：网络中间件技术和基于传感网网络的关键技术。课程目标4：能够针对物联网特定功能及技术指标需求，完成物联网相关子系统的工程设计。课程目标5：掌握一些经典的网络应用算法，了解物联网发展中的经典应用。课程目标6：能够自主设计智能算法，使其胜任智能交通、环境保护、智能家居等不同领域中的工作。课程目标7：能够对物联网系统的软、硬件、网络算法、工程软件进行设计与开发，在设计中体现创新意识。课程目标8：能够处理物联网领域的复杂工程问题，考虑不同环境的需求，综合设计解决方案。教学方法讲授、讨论+实验课程性质（创新意识、实践能力培养）本课程将物联网理论研究和工程实践相结合，按照“物体信息感知、感知信息传输、感知信息处理服务及应用”的教学路线展开，涵盖物联网领域的重要内容和最新技术。主要教学内容涉及无线传感器网络节能机制设计、物联网平台与协议架构研究、近场无线通信技术标准及应用研究、物联网定位技术、信息处理与服务管理技术、物联网智能信息处理技术、物联网的服务与管理等，引导学生在大国崛起的奋斗道路中，树立面向物联网核心理论的自主知识产权化、基于物联网电路的中国智造化及物联网中国芯设计的重要作用，实现全面感知、可靠传输、智能处理、自动控制的物联网技术研究及应用的教学目标。旨在培养具备计算机网络专业知识技能，掌握网络、射频、无线通信相关技术，从事物联网领域系统设计与科技开发方面的高等工程技术人才。参考资料1《物联网工程应用技术实践教程》、黄如、电子工业出版社、2014年2《物联网工程工程原理与应用》、黄如、电子工业出版社、2020年3《射频识别技术原理与应用》、周晓、电子工业出版社、2015年4《传感器技术》、谢双维、中国计量出版社、2015年5《物联网导论（第二版）》、刘云浩、科学出版社出版、2013年备注说明3、教案内容第4章AI赋能的智慧生活与健康管理课题名称第4章AI赋能的智慧生活与健康管理计划学时9课时内容分析在本章中，我们详细探讨了物联网在智能家居、智能安防和智能医疗等多个领域的应用。通过具体的应用实例，深入了解了物联网技术在人们生活中的运用，以及AI技术如何赋予物联网更强大的智慧能力。在智能家居领域，介绍了智能家居的系统分类和智能家居应用实例，如智能别墅解决方案、宠物智能家居等。这些实例展示了物联网技术如何为家庭生活带来便利和智能化。在智能安防领域，探讨了智能安防系统的总体结构、物联网在智能安防系统中的应用、智能安防系统的主要功能。通过看守所解决方案、儿童智能安防系统等实例，进一步了解了智能安防的实际应用。在智能医疗领域，了解了智能医疗系统的体系结构、物联网在智能医疗中的应用。同时，通过实时人体健康监测、数字化医院智能系统等实例，深入了解了智能医疗的实际应用。总体来说，本章通过丰富的实例和详细的阐述，使我们对物联网在AI赋能的智慧生活与健康管理领域的应用有了更深入的了解。AI技术的融入为人们的日常生活带来了前所未有的便利和创新。随着物联网技术的不断发展，未来物联网在各个领域的应用将更加广泛和深入，为人类社会带来更多的智慧和便利。教学目标及基本要求了解智能家居的基本概念，掌握智能家居的系统分类，并能够举例说明智能家居的应用实例。理解智能安防系统的总体结构，认识物联网在智能安防系统中的应用，掌握智能安防系统的主要功能，并能够分析智能安防应用实例。掌握智能医疗系统的体系结构，了解物联网在智能医疗系统中的应用，并能够通过实例理解智能医疗的实际应用。分析人工智能技术如何赋能智慧生活和健康管理，提高学生对AI技术在日常生活中应用的认识。培养学生对于智慧生活与健康管理领域的发展趋势的敏感性，激发学生对智能科技改善生活质量的兴趣。通过本章的学习，使学生能够将理论知识与实际案例相结合，提升解决实际问题的能力，为未来在智慧生活与健康管理领域的工作和研究打下基础。教学重点了解智能家居的基本概念。理解智能安防系统的总体结构。掌握智能医疗系统的体系结构。教学难点教学方式讲授、讨论+实验教学过程第1-3课时（智能家居）一、创设情境，引出本节内容随着科技的飞速发展，人工智能已经渗透到我们生活的方方面面，为传统领域注入了新的活力。在这个万物互联的时代，AI赋能的智慧生活与健康管理正成为人们追求高质量生活的重要途径。本章将基于案例深入介绍AI如何在安防、医疗和家居领域发挥其独特优势，实现资源的优化配置，提升生活品质，以及如何通过智能化的手段，为我们的健康管理提供更加精准和个性化的服务。让我们一起走进这个充满创新与变革的世界，感受AI带来的无限可能。进入重点知识的讲解（1）智能家居简介智能家居指的是使用不同的方法和设备来提高人们的生活能力，使家庭变得更舒适、安全。物联网应用于智能家居领域，能够对家居类产品的位置、状态、变化进行监测，分析其变化特征，同时根据人的需要在一定程度上进行反馈。智能家居行业的发展主要分为三个阶段：单品连接、物物联动和平台集成。其发展的方向是：首先是连接智能家居单品，然后走向不同单品之间的联动，最后向智能家居系统平台发展。当前，各个智能家居类企业都在从单品连接向物物联动的阶段过渡。智能家居能给人们的生活带来很大的方便，但可以很明显地感受到，智能家居的普及效果并不好，即使国家大力普及智能家居，智能家居的普及进度也依然很慢，主要有以下几个原因。1．行业内没有统一的技术协议科学技术能否应用于社会不仅取决于该技术是否成熟，还需要与掌握技术的厂商进行协调，只有在两者达成一致的情况下，该技术才能得到应用。现阶段，国内的智能家居行业并没有统一的智能家居系统支持协议，在一些技术与厂商的协调过程中始终存在矛盾，最终使这些技术难以得到支持，不能普及，导致智能家居的一些功能难以实现。2．智能家居技术未成熟虽然智能家居概念已经提出了很久，但其发展进度并不快，至今为止，智能家居系统中只有安全报警技术及智能控制技术较为成熟，而如信息处理、环境调节等功能则还有待完善。致使智能家居发展缓慢的原因是智能家居系统的功能研发具有很大的风险，在未研制成功时的投入过大，一旦研究失败，就会对企业造成重大的经济损失。3．市场接受程度低由于智能家居技术未成熟，且现阶段的智能家居系统的布置价格昂贵，因此，大部分人对该技术仅仅停留在听说过的阶段，对其功能并不了解，也没有亲身体验的机会，这使得智能家居的普及更加困难。（2）智能家居的系统分类智能家居系统一般由智能家居控制系统、安防系统、媒体娱乐系统、环境监测系统构成。智能家居控制系统如同人的大脑，集中控制整个家居的各个系统，包含对居室内的机电设备、灯光、窗帘、背景音乐、智能门锁、家电、安防防盗系统、可视对讲系统等的集成和控制。按布线方式划分，智能家居系统主要分为有线智能家居系统及无线智能家居系统。机电设备（如空调）、灯光、窗帘、家电等通过专门设置的控制器，结合区域场景设置采取相应的动作，以实现满足需求的控制。安防系统通过智能家居控制系统在不同区域设置的控制终端（无线/有线触摸屏、操控面板等）进行设置，主要包括布防、撤防、应答呼叫等操作，大大方便了用户的操作。媒体娱乐系统主要配合媒体娱乐设备，实现在餐厅、客厅的媒体娱乐功能，通过该系统可以自由选择媒体娱乐，进行家庭K歌、家庭影院、视频聊天等活动。环境监测系统主要进行各类环境的监测，如温湿度监测、空气质量监测、风速监测、光照监测等。该系统能让用户了解家居范围内的环境状况，并根据不同的环境进行调整。在实际应用中，若要实现智能家居的所有功能，则对建筑形式有一定要求，一般安装在酒店、高档办公楼、别墅等大规模的建筑中较为合理。但这些场所终究只是少数，若要普及智能家居，则必须研制出适合普通住宅的系统。因此，现在的智能家居根据功能的多少和要求的高低，分为单点解决方案与整体解决方案，信息传输采用有线网络与无线网络结合的方式。（3）智能家居应用实例1．智能别墅解决方案2．宠物智能家居3．基于STM32的老人跌倒检测4．基于Wi-Fi控制的智能开关设计5．基于物联网的新型智能能源盗窃检测系统6．基于物联网的智能摇篮婴儿监护系统设计三、归纳总结，随堂练习，布置作业（1）对课堂上讲解的知识点进行总结，使用学习通的练习题巩固本节课的知识点。第4-6课时（智能安防）一、回顾上节课内容，引出本节内容（1）对上节课留的作业进行答疑（2）回顾上节课内容，引出本节课主题在前面的课中已经介绍了智能家居的概念以及其应用，本节课将继续讲解智能安防。安防是物联网的一大应用市场，因为安全永远都是人们的基本需求。传统安防对人员的依赖性比较高，非常耗费人力，而智能安防通过物联网技术与机器学习、深度学习技术的结合，实现了利用设备进行智能判断。目前，智能安防最核心的部分是智能安防系统，该系统对拍摄的图像进行传输与存储，并对其进行分析与处理。一个完整的智能安防系统主要包括三大部分：门禁、报警和监控，行业中主要以监控为主。二、进行重点知识的讲解（1）智能安防系统的总体结构智能安防系统主要由环境感知系统、多态通信系统、智能分析系统和云平台组成。环境感知系统包括各种传感器，主要负责安防区域内环境信息和系统运行信息数据的采集。通过该系统可以实现对安防区域内环境的全面感知，包括人员和动物的非法入侵、安防区域内的温湿度变化及设备的运行状况。多态通信系统主要用于实现信息的可靠传输，该系统融合了有线通信和无线通信等通信模式，建立了全覆盖的多态通信系统，确保了信息的可靠、快速传输。该系统还包括以Wi-Fi、3G、4G等移动通信技术为支撑的远程报警系统。智能分析系统主要通过建立各种模型，如感知数据模型、智能分析数据模型、智能决策模型等，对安防区域内的环境感知数据和系统运行数据进行智能分析。当智能分析系统认为系统状况和环境数据异常时，会触发报警系统。云平台主要用于处理安防区域内所收集的数据，对格式化数据和非格式化数据进行处理，开展规范化、规格化清洗，剔除垃圾数据。（2）物联网在智能安防系统中的应用1．在视频监控中的应用视频监控是智能安防系统中最重要的一环，传统的视频监控技术只具有拍摄功能，且难以做到全方位监控。智能安防系统中的视频监控系统通过物联网中的智能识别技术，在对关键区域进行监测时，会对目标人物或物体进行智能分析来确定该人或物是否违反规定，若违反规定，则触发报警系统，大大提高了视频监控系统的可靠性。2．拓宽了智能安防系统的监测手段传统的安防系统的监测手段单一，功能有限，智能安防系统融入了物联网的传感技术，克服了传统安防系统的这一缺点，通过物联网中的各类传感器，如红外传感器、超声波传感器、温湿度传感器等，大大提高了安防区域的安全性。3．提供了定位功能对于安防系统而言，预防入侵很重要，而被入侵后能第一时间做出反应也很重要。物联网为智能安防系统提供了实时定位功能，确保在非法行为（如火灾、非法入侵等事件）发生时可以立刻查询非法行为发生的位置，最大程度地减小非法行为所带来的损失。（3）智能安防系统的主要功能1．智能视频监控传统的视频监控只能单纯地进行视频的录制，而没有处理能力，这使得在恶劣天气及复杂环境中，视频监控很难达到预期的目标，这对于安防系统来说是致命的缺陷。随着人工智能技术的发展，传统的视频监控渐渐被智能化的监控所代替。相较于传统视频监控，智能视频监控利用智能分析技术开展视频流智能化处理，通过定义要素、制定规则和建立智能模型，实现对视频流的析出、分解和评估，对整个安防区域环境进行实时监控。一旦有事件违反了设定规则，系统就会建立智能模型进行判断，并及时发出告警。一般而言，智能视频监控系统主要监测的有运动物体、火苗、烟雾、温湿度等各种因素，在达到触发条件时，智能视频监控系统会自动报警。2．周界安防传统的周界安防系统存在红外围栏误报率高、电子围栏无法提前对入侵进行预警且定位精度差、视频监控信息密度过低等问题。随着无线传感器网络、红外和超声波技术及深度学习技术的发展，周界安防系统的各方面性能都大大提升。首先，系统将电子围栏技术和深度卷积神经网络的目标检测与识别技术相结合，达到一定的智能化目的；然后，利用卷积神经网络强大的识别能力及计算机的计算能力，提高了系统的检测场景适用性，提高了整体检测精度，提高了检测速度且保证了实时性；最后，新技术的融入还提高了对入侵技术的检测和防御能力，降低了漏报率和误报率。3．联动报警入侵报警系统（IntruderAlarmSystem，IAS）的主要功能是通过传感器技术、通信技术、计算技术等评估进入安防区域内的行为的性质，对违反规定的行为进行识别与告警。传统的报警系统的图像监控、声光报警等安防技术相对独立，防火、防盗检测手段较为单一，功能不足且缺乏智能决策报警机制。在智能安防系统中，除传统的传感器感知外，还加入了红外、超声波、数据分析等技术，确保非法行为（如火灾、非法入侵等）能在第一时间被告警。智能安防系统的报警方式也不再如传统入侵报警系统一般只有单一的报警方式，而是呈现多样化的，主要包括手机应用报警、短信报警、警铃报警等方式。除检测技术与报警方式外，智能安防系统还加入了定位功能，确保行为发生时能准确定位发生的位置。4．门禁系统门禁系统，顾名思义就是对出入口通道进行管制的系统。门禁系统由传统门锁发展而来，传统门锁无论多么坚固，都有打开的方法。为此，人们设计了密码锁与电子磁卡锁，这就是早期的门禁系统，但这两种锁依旧存在很大的缺陷。而后随着科技的发展，门禁系统得到了飞跃式的发展，进入了成熟期，最主流的门禁系统包括感应卡式门禁系统、指纹门禁系统、虹膜门禁系统、面部识别门禁系统等。在智能安防系统中，该系统主要实现实时监控、防盗报警、远程控制及状态记录等功能。三、归纳总结，随堂练习，布置作业（1）对课堂上讲解的知识点进行总结，使用学习通中的随堂练习题巩固本节课的知识点。第7-9课时（智能医疗）一、回顾上节课内容，引出本节内容（1）对上节课留的作业进行答疑（2）回顾上节课内容，引出本节课主题在前面的课程中已经介绍了AI赋能的智能家居和智能安防技术，下面将继续介绍智能医疗。在智能医疗领域，新技术的应用必须以人为中心。而应用物联网技术是数据获取的主要途径，能有效地帮助医院实现对人的智能化管理和对物的智能化管理。对人的智能化管理指的是使用传感器对人的生理状态（如心跳频率、体力消耗、血压等）进行监测，主要指的是医疗可穿戴设备将获取的数据记录在电子健康文件中，方便个人或医生查阅。除此之外，通过RFID技术还能对医疗设备、物品进行监控与管理，实现医疗设备、物品可视化，主要表现为数字化医院。二、进行重点知识的讲解（1）智能医疗系统的体系结构与智能交通系统的体系结构相似，智能医疗系统的体系结构包括感知层、网络层及应用层。感知层指的是为医疗监测提供的专用传感器终端，不同于传统的感知层的各类传感器，如温湿度传感器、压力传感器等，该层的传感器主要包括心电监测传感器、呼吸传感器、血压传感器、血糖传感器等医疗专用传感器。除传感器外，该层还包括定位模块和视频监控模块。网络层与智能交通系统的网络层一样，包含各类通信方式，用于信息传输。应用层主要包括7个系统：业务管理系统、电子病历系统、临床应用系统、慢性疾病管理系统、区域医疗信息交换系统、临床支持决策系统及公共健康卫生系统。（2）物联网在智能医疗系统中的应用1．在人员管理中的应用通过物联网的定位与视频监控技术，可以实时、准确地得到医生、护士及需要监护的患者的位置，以及各个重要区域的人员出入情况，在出现紧急情况或有非法人员闯入时可以更快速地进行合理的人员调动。