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高中华东师大版第三节 信息系统与外部世界的连接优秀课件ppt
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这是一份高中华东师大版第三节 信息系统与外部世界的连接优秀课件ppt，共30页。PPT课件主要包含了课堂导入，体验思考，电子警察，智能安防系统，智能路灯系统，物联网，探究活动，初识物联网，知识延伸，物联网的应用等内容，欢迎下载使用。
对物理世界各种数据的采集,是信息系统处理信息和给出决策的重要基础。早期,外部世界的信息大多是人工采集后输入信息系统的。继计算机、互联网与移动通信网的应用之后,感测技术快速发展, 信息从早期的人工生成的单一方式转变为人工生成和自动生成相结 合的方式。以传感器和智能识别终端为代表的信息自动采集设备可 以实时准确地完成对物理世界的感知和监测。 物理世界的联网需求和信息世界的扩展需求催生出了一类新型网络：物联网。物联网的核心在于物与物之间的互联。
如今,信息技术设备已经被深植于电网、公路、桥梁、海 洋、隧道、建筑、供水系统、油气管道、货物、商品等各种各样的物理实物和基础设施中,它就像一个个触角,不断延伸和扩展到城市的各个角落,为我们的智能应用提供数据基础。
实时监控道路上的车辆行驶情况并记录违反交通规则车辆的车牌号码
可以实时监控非法闯入、火灾、煤气泄漏、紧急呼救的 发生并在出现警情时发出报警信息
能实时监控各个路灯的工作状态,并根据车流量、时间、天气状况等设 定方案提供自动调节亮度、远程照明控制、灯具线缆防盗等功能。
我们的智能系统为什么能做到“实时”监控发生在城市各个角落的事件? 每一个“实时监控”行为背后是靠什么信息技术来支撑的? 这些数据为什么能快速传送至各个不同的智能 应用系统
传感器作为连接物理世界与数字世界的重要媒介,如今,已经渗 透到人们的日常生活之中。当我们走到门口时,门会自动打开;电热 水壶会在水烧开后自动断电;空调会根据室内环境状况自动调整工作模式;智能手环能监测每天行走的步数和睡眠质量;这一切都依赖于各种各样的传感器。此外, 传感器也广泛应用于工业、农业、医疗卫生、军事国防、环境保护等领 域,大大提高了人类认识世界和改造世界的能力。
电子不停车收费系统(electrnictllcllectin, ETC)是一种用于道路、大桥和隧道的电子收费系统 。它的特点是不停车收费,,使通行收费走向自动化管理。 1. ETC通道为什 么能提供“不停车收费”的功能。 2. 为实现“不停车收费”的功能,需要采集哪些信息及如何采集。
图 1.15 ETC通道不停车收费
物联网,从字面上理解即“物物相联”。这里的“物”既可以是各种 图 1.16 ETC系统结构示意图 计算设备,也可以是我们身边一切能与网络相联的 物品和人。例如,身上的衣服、戴着的手表、家里的电器或者房屋本身,只要能与网络相联,就都是物联 网中的“物”。 在ETC系统中,“车”能够被识别、被监控,是因 为它通过某种技术被联入ETC系统。ETC系统主 要由车辆自动识别系统、中心管理系统和其他辅助 设施等组成。
图 1.16 ETC系统结构示意图
车辆识别系统中,主要采用 RFID技术在车辆和收费站点间建立连接。车载ETC装置存有车辆的识别信息,一般安装在车辆前面的挡风玻璃上,微波通信天线和阅读器安装在收费站处。
RFID是 radifrequencyidentificatin的缩写,即射频识别。RFID技术是一种无线通信技术,最基本的 RFID系统由标签、阅读器和天线三部分组成。其工作原理如下:首先,阅读器通过天线发出电磁波;标 签接收到信号后,发射内部存储的标识信息;阅读器再通过天线接收并识别标签发回的信息;最后,阅读器将识别结果发送给主机。
以车辆驶出高速公路为例,当车辆进入收费站的ETC车道时,安装在车辆上的车载ETC装置和安装在收费站的阅读器之间通过天线进行无线通信和信息交换,并将结果发送到 中心管理系统中。中心管理系统获取车辆识别信息(如车牌号、车型等)数据后,和数据库中存储的数据进行比较,并根据 比较结果给予不同的处理:如果当前车辆的车牌号和装置内 信息不一致,则不能放行通过;如果一致,则系统读取插在车 载装置读卡口内的ETC卡(专用的储值卡)中的数据(如图1.17所示), 并从中扣除此次应交的过路费。若是ETC卡余额不足,也不能放行;若是扣款成功,则系统发出让自动道闸“抬杆”的命令,最终实现无须停车 即可自动收取道路通行费用的功能。
图 1.19 物联网中的“物”
2005年11月,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》,正式提出了物联网的概 念。 无处不在的“物联网”通信时代即将到来,世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾,都可以通过互联网主动进行数据交换。该报告对物联网改变社会运转方式和人类生活远景进行了展望。根据ITU 的描述,在物联网时代,通过在各种各样的日常用品上嵌入一种短距离的移动收发器,人类在数字世界 里将获得一个新的沟通维度,从任何时间、任何地点的人与人之间的 沟通连接,扩展到人与物、物与物之间的沟通连接。
物联网定义是:通过 RFID、红外感应 器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任 何物品与互联网连接起来,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。 通俗地说,通过装在物体上的传感器、电子标签和全球定位等设备,既可以实现人与物体的沟通和实现物体与物体之间的沟通与对话。
3. 物联网的基本架构
从技术实现上来看,物联网可以分为三层:感知层、网络层和应用层
图 1.20 物联网的基本架构
温度传感器应用于森林防火
: 如何从传感器连续不断的、枯燥乏味的温度测量值中发现潜在的火灾危险呢? 我们可以测量温度大于某个值是发生火灾的标志,从而设定一个温度的预警值,这是最简单的算法;再进一步,我们可以利用多个传感器协同感知,避免单个传感器 故障造成的失误,提高火灾检测的可靠性;更进一步,我们可以利用烟 雾传感器、湿度传感器、风速风向传感器和温度传感器协同感知,利用 多维感知的数据判断森林火灾发生的条件,获得火灾预警信息,从而 减少灾害的发生;如果能从长期的温度数据中挖掘模型,从湿度、风向、风速等看似不相关的气象事件中挖掘规律,这将是智能更好的体现。
物联网为我们展示了生活中任何物体都可能变得“有生命”的智能图景:当司机出现操作失误时,汽车会自动报警;公文包会“提醒” 主人忘了带什么东西;衣服会“告诉”洗衣机是否容易褪色和对水温的要求,等等。 到了物联网时代,每一个物体均可寻址,每一个物体均可通信,每一个物体均可控制,从而实现万物互联互通的目标。 在我国, 发展物联网已经成为国家发展战略,并且初步明确了未来的发展方向和重点领域。
车辆入场时,可以自动识别车牌号码;车辆出场时, 可以通过扫码付费。 1. 请找到一个实现车辆出入自动化管理的场所,观察并记录 在出入口处有哪些设备,推测它们在系统中的作用。 2. 观察车辆进出时,道闸的抬杆什么时候升起来、什么时候落下去,请推测系统是如何实现对抬杆的自动控制的。
图 1.21 小区车辆出入口
1. 物联网应用案例分析
（1）小区出入口处的设备及作用
入场区域的物理装置有:2个地感线圈、1个自动道闸和1台摄像机;出场区域的物理装置和进场区域的完全一致。其中地感线圈和摄像机属于信息采集设备。
地感线圈是一种埋在地面下、可以感应振荡频率变化的装置,肉眼并不可见。它是地感线圈车辆检测器的组成部分,需要和车辆检测器协同工作才能完成对车辆的检测。当有大的金属物(如车辆 等)通过或停在地感线圈的感应区域时,地感线圈的振荡频率会发 生变化,车辆检测器检测到这一变化并发出“有车”的信号,同样当 车辆离开时地感线圈车辆检测器也会发出“无车”的信号。
地感线圈随时可以接收感应区域内的变化信息,而摄像机和道闸本身不具备信息感应能力。摄像机是一直 工作的,当有车来时,会接收到相关指令,将抓拍的图像送到控制 中心进行自动识别;道闸在接收到“抬杆”或“落杆”的指令时才会工作。
（2） 车辆出入的工作流程及控制机制
图 1.23 小区车辆入场管理的硬件结构示意图
2. 物联网的应用领域
图 1.26 物联网应用于自动灌溉系统示意图
物联网的大棚自动灌溉系统。在感知层,通过在棚内设置土壤温度传感器、土壤水分传感器、空气温湿度传感器、 叶面湿度传感器等来获取棚内环境的温湿度数据信息;在网络层,利用互联网、移动通信网、局域网等来实现对感知层采集数据信息的传输,把数据安全稳定地传输至应用层;在应用层,主要是实现监测作物生长、给出决策指令等功能。
（1） 物联网应用于农业
（2） 物联网应用于医疗
物联网在药品监管方面的应用主要有追溯药品生产信息与流通信息、预防假药和避免错误用药等,通过将 RFID标签附在药品 包装上,可以实现对药品的监管防伪和全方面追踪。 物联网应用于电子病例的建设和使用上。电子病例包括采集、存储、处理和智能化服务等功能。可以将患者的身份信 息、在各医院的门诊和住院治疗信息、各种检测信息(如心电图、超声波、 CT等)收集起来,存储在个人电子病例卡中。就诊时,只需带一张卡就 可以让医生了解患者的所有病史,从而快速完成诊断并给出治疗方案。
图 1.27 空气质量监测系统
（3） 物联网应用于环境监测
物联网信息系统是通过哪个层与外部连接的,它有哪些代表设备? 2. 在图 1.22中,小区出入口处各有两个地感线圈,它们分别起什么作用? 地感线圈车辆检测器能否用来检测车辆的行驶速度? 如果能,请列出计 算方法。 3. 通过实地调查和查阅资料,了解无人便利店的购物过程。请分析这 个无人便利店是否算物联网系统。为什么?
对物理世界各种数据的采集,是信息系统处理信息和给出决策的重要基础。早期,外部世界的信息大多是人工采集后输入信息系统的。继计算机、互联网与移动通信网的应用之后,感测技术快速发展, 信息从早期的人工生成的单一方式转变为人工生成和自动生成相结 合的方式。以传感器和智能识别终端为代表的信息自动采集设备可 以实时准确地完成对物理世界的感知和监测。 物理世界的联网需求和信息世界的扩展需求催生出了一类新型网络：物联网。物联网的核心在于物与物之间的互联。
如今,信息技术设备已经被深植于电网、公路、桥梁、海 洋、隧道、建筑、供水系统、油气管道、货物、商品等各种各样的物理实物和基础设施中,它就像一个个触角,不断延伸和扩展到城市的各个角落,为我们的智能应用提供数据基础。
实时监控道路上的车辆行驶情况并记录违反交通规则车辆的车牌号码
可以实时监控非法闯入、火灾、煤气泄漏、紧急呼救的 发生并在出现警情时发出报警信息
能实时监控各个路灯的工作状态,并根据车流量、时间、天气状况等设 定方案提供自动调节亮度、远程照明控制、灯具线缆防盗等功能。
我们的智能系统为什么能做到“实时”监控发生在城市各个角落的事件? 每一个“实时监控”行为背后是靠什么信息技术来支撑的? 这些数据为什么能快速传送至各个不同的智能 应用系统
传感器作为连接物理世界与数字世界的重要媒介,如今,已经渗 透到人们的日常生活之中。当我们走到门口时,门会自动打开;电热 水壶会在水烧开后自动断电;空调会根据室内环境状况自动调整工作模式;智能手环能监测每天行走的步数和睡眠质量;这一切都依赖于各种各样的传感器。此外, 传感器也广泛应用于工业、农业、医疗卫生、军事国防、环境保护等领 域,大大提高了人类认识世界和改造世界的能力。
电子不停车收费系统(electrnictllcllectin, ETC)是一种用于道路、大桥和隧道的电子收费系统 。它的特点是不停车收费,,使通行收费走向自动化管理。 1. ETC通道为什 么能提供“不停车收费”的功能。 2. 为实现“不停车收费”的功能,需要采集哪些信息及如何采集。
图 1.15 ETC通道不停车收费
物联网,从字面上理解即“物物相联”。这里的“物”既可以是各种 图 1.16 ETC系统结构示意图 计算设备,也可以是我们身边一切能与网络相联的 物品和人。例如,身上的衣服、戴着的手表、家里的电器或者房屋本身,只要能与网络相联,就都是物联 网中的“物”。 在ETC系统中,“车”能够被识别、被监控,是因 为它通过某种技术被联入ETC系统。ETC系统主 要由车辆自动识别系统、中心管理系统和其他辅助 设施等组成。
图 1.16 ETC系统结构示意图
车辆识别系统中,主要采用 RFID技术在车辆和收费站点间建立连接。车载ETC装置存有车辆的识别信息,一般安装在车辆前面的挡风玻璃上,微波通信天线和阅读器安装在收费站处。
RFID是 radifrequencyidentificatin的缩写,即射频识别。RFID技术是一种无线通信技术,最基本的 RFID系统由标签、阅读器和天线三部分组成。其工作原理如下:首先,阅读器通过天线发出电磁波;标 签接收到信号后,发射内部存储的标识信息;阅读器再通过天线接收并识别标签发回的信息;最后,阅读器将识别结果发送给主机。
以车辆驶出高速公路为例,当车辆进入收费站的ETC车道时,安装在车辆上的车载ETC装置和安装在收费站的阅读器之间通过天线进行无线通信和信息交换,并将结果发送到 中心管理系统中。中心管理系统获取车辆识别信息(如车牌号、车型等)数据后,和数据库中存储的数据进行比较,并根据 比较结果给予不同的处理:如果当前车辆的车牌号和装置内 信息不一致,则不能放行通过;如果一致,则系统读取插在车 载装置读卡口内的ETC卡(专用的储值卡)中的数据(如图1.17所示), 并从中扣除此次应交的过路费。若是ETC卡余额不足,也不能放行;若是扣款成功,则系统发出让自动道闸“抬杆”的命令,最终实现无须停车 即可自动收取道路通行费用的功能。
图 1.19 物联网中的“物”
2005年11月,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》,正式提出了物联网的概 念。 无处不在的“物联网”通信时代即将到来,世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾,都可以通过互联网主动进行数据交换。该报告对物联网改变社会运转方式和人类生活远景进行了展望。根据ITU 的描述,在物联网时代,通过在各种各样的日常用品上嵌入一种短距离的移动收发器,人类在数字世界 里将获得一个新的沟通维度,从任何时间、任何地点的人与人之间的 沟通连接,扩展到人与物、物与物之间的沟通连接。
物联网定义是:通过 RFID、红外感应 器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任 何物品与互联网连接起来,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。 通俗地说,通过装在物体上的传感器、电子标签和全球定位等设备,既可以实现人与物体的沟通和实现物体与物体之间的沟通与对话。
3. 物联网的基本架构
从技术实现上来看,物联网可以分为三层:感知层、网络层和应用层
图 1.20 物联网的基本架构
温度传感器应用于森林防火
: 如何从传感器连续不断的、枯燥乏味的温度测量值中发现潜在的火灾危险呢? 我们可以测量温度大于某个值是发生火灾的标志,从而设定一个温度的预警值,这是最简单的算法;再进一步,我们可以利用多个传感器协同感知,避免单个传感器 故障造成的失误,提高火灾检测的可靠性;更进一步,我们可以利用烟 雾传感器、湿度传感器、风速风向传感器和温度传感器协同感知,利用 多维感知的数据判断森林火灾发生的条件,获得火灾预警信息,从而 减少灾害的发生;如果能从长期的温度数据中挖掘模型,从湿度、风向、风速等看似不相关的气象事件中挖掘规律,这将是智能更好的体现。
物联网为我们展示了生活中任何物体都可能变得“有生命”的智能图景:当司机出现操作失误时,汽车会自动报警;公文包会“提醒” 主人忘了带什么东西;衣服会“告诉”洗衣机是否容易褪色和对水温的要求,等等。 到了物联网时代,每一个物体均可寻址,每一个物体均可通信,每一个物体均可控制,从而实现万物互联互通的目标。 在我国, 发展物联网已经成为国家发展战略,并且初步明确了未来的发展方向和重点领域。
车辆入场时,可以自动识别车牌号码;车辆出场时, 可以通过扫码付费。 1. 请找到一个实现车辆出入自动化管理的场所,观察并记录 在出入口处有哪些设备,推测它们在系统中的作用。 2. 观察车辆进出时,道闸的抬杆什么时候升起来、什么时候落下去,请推测系统是如何实现对抬杆的自动控制的。
图 1.21 小区车辆出入口
1. 物联网应用案例分析
（1）小区出入口处的设备及作用
入场区域的物理装置有:2个地感线圈、1个自动道闸和1台摄像机;出场区域的物理装置和进场区域的完全一致。其中地感线圈和摄像机属于信息采集设备。
地感线圈是一种埋在地面下、可以感应振荡频率变化的装置,肉眼并不可见。它是地感线圈车辆检测器的组成部分,需要和车辆检测器协同工作才能完成对车辆的检测。当有大的金属物(如车辆 等)通过或停在地感线圈的感应区域时,地感线圈的振荡频率会发 生变化,车辆检测器检测到这一变化并发出“有车”的信号,同样当 车辆离开时地感线圈车辆检测器也会发出“无车”的信号。
地感线圈随时可以接收感应区域内的变化信息,而摄像机和道闸本身不具备信息感应能力。摄像机是一直 工作的,当有车来时,会接收到相关指令,将抓拍的图像送到控制 中心进行自动识别;道闸在接收到“抬杆”或“落杆”的指令时才会工作。
（2） 车辆出入的工作流程及控制机制
图 1.23 小区车辆入场管理的硬件结构示意图
2. 物联网的应用领域
图 1.26 物联网应用于自动灌溉系统示意图
物联网的大棚自动灌溉系统。在感知层,通过在棚内设置土壤温度传感器、土壤水分传感器、空气温湿度传感器、 叶面湿度传感器等来获取棚内环境的温湿度数据信息;在网络层,利用互联网、移动通信网、局域网等来实现对感知层采集数据信息的传输,把数据安全稳定地传输至应用层;在应用层,主要是实现监测作物生长、给出决策指令等功能。
（1） 物联网应用于农业
（2） 物联网应用于医疗
物联网在药品监管方面的应用主要有追溯药品生产信息与流通信息、预防假药和避免错误用药等,通过将 RFID标签附在药品 包装上,可以实现对药品的监管防伪和全方面追踪。 物联网应用于电子病例的建设和使用上。电子病例包括采集、存储、处理和智能化服务等功能。可以将患者的身份信 息、在各医院的门诊和住院治疗信息、各种检测信息(如心电图、超声波、 CT等)收集起来,存储在个人电子病例卡中。就诊时,只需带一张卡就 可以让医生了解患者的所有病史,从而快速完成诊断并给出治疗方案。
图 1.27 空气质量监测系统
（3） 物联网应用于环境监测
物联网信息系统是通过哪个层与外部连接的,它有哪些代表设备? 2. 在图 1.22中,小区出入口处各有两个地感线圈,它们分别起什么作用? 地感线圈车辆检测器能否用来检测车辆的行驶速度? 如果能,请列出计 算方法。 3. 通过实地调查和查阅资料,了解无人便利店的购物过程。请分析这 个无人便利店是否算物联网系统。为什么?
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