3.1 信息系统与外部世界的连接方式
📌 学习目标
- 理解信息系统与外部世界连接方式的演变
- 掌握物联网的概念和三层架构
- 了解物联网中的传感与控制机制
网络深刻地改变着人们的生产和生活方式，从电子邮件到即时通信，从超文本标记语言（HTML）到万维网（WWW）技术引发的信息爆炸，再到今天移动互联网的普及，互联网已经不仅仅是一项通信技术，它成就了人类史上最庞大的信息世界。
21世纪以来，随着传感技术的快速发展，信息的传递、转换跨出了数字世界，逐步与现实世界相互交织，以传感器和识别终端为代表的信息自动生成设备可以实时准确地开展对物理世界的感知、测量和监控。物理世界的联网需求和信息世界的扩展需求催生出万物互联的物联网（Internet of Things）。同时，它也让人工智能更好地普及至千家万户。
一、连接方式的演变
📎 相关探究：体验_物联网应用体验
计算机技术的发展经历了三个阶段：
| 阶段 | 核心问题 | 特征 |
|---|---|---|
| 第一阶段 | 让人和计算机对话 | 人机交互，指令执行 |
| 第二阶段 | 让计算机与计算机对话 | 数据传递，资源共享，互联网诞生 |
| 第三阶段 | 让计算机与“物”对话 | 物理世界数字化，物联网产生 |
物联网是将物理世界数字化并形成数字世界的一个途径。
二、物联网概述
定义
物联网（Internet of Things，IoT） 是利用感知技术与智能装备对物理世界进行感知识别，通过网络传输互联，进行计算、处理和知识挖掘，实现人与物、物与物的信息交互和无缝链接，达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策的目的。
三大技术特征
| 特征 | 说明 | 关键技术 |
|---|---|---|
| 全面感知 | 随时随地对物体进行信息采集和获取 | [[RFID]、传感器、定位器、二维码 |
| 可靠传递 | 实时准确远程传送信息，实现交互共享 | 有线网络、无线网络、传感器网络 |
| 智能处理 | 对海量数据进行分析处理，实现智能决策 | 数据管理、云计算、模糊识别 |
物联网示意图
物理世界 ←→ 传感器/RFID/二维码 ←→ 网络传输 ←→ 云计算/大数据 ←→ 智能决策
📍 探究活动：讨论（p74）
根据以下物联网在生活中应用的常见场景，与小组中的同学分享经历，并根据问题进一步分析这些场景所应用的物联网。
场景一：使用智能手机拨打电话，当听筒靠近耳朵时，屏幕变暗、被锁定，确保通话时不会误操作。
场景二：人们使用公交卡乘坐公交车，只需上车刷卡，就能自动缴费。在便利店、超市等也可以进行类似刷卡消费。有近距离无线通信（NFC）功能的手机，只要安装特定的手机程序，也可以实现公交卡的功能。
场景三：现代汽车行业大力研发的无人驾驶技术，可以实现通过物联网智能读取车辆信息、分析道路情况，配合各种传感器，实现汽车的无人智能驾驶。
讨论问题：
（1）物联网实现了普通物体之间的互联互通，以上场景中的物联网包含了哪些物体？
（2）物体需要具备怎样的条件，才能纳入物联网的范围？
（3）以上场景分别体现了物联网哪方面的技术特征？
三、物联网的三层架构
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 应用层 │
│ 应用基础设施/中间件 | 物联网应用（智能家居、智慧城市等） │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 网络层 │
│ 延伸网 | 接入网 | 核心网（公众电信网、行业专用通信网） │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 感知层 │
│ 智能感知识别 | 信息采集处理 | 自动控制 │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
感知层
- 实现对物理世界的智能感知识别
- 信息采集处理和自动控制
- 通过通信模块连接到网络层
网络层
- 实现信息的传递、路由和控制
- 可依托公众电信网和互联网
- 也可依托行业专用通信网络
应用层
- 应用基础设施/中间件
- 为物联网应用提供信息处理、计算等基础服务
- 实现物联网在各领域的应用
四、物联网关键技术
1. 传感技术
传感器定义：能够感受被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。
传感器组成：
敏感元件 → 转换元件 → 基本电路 → 电量输出
传感器与人类感官的对应：
| 传感器类型 | 对应感官 | 应用 |
|---|---|---|
| 光敏传感器 | 视觉 | 红外线、紫外线、色彩检测 |
| 声敏传感器 | 听觉 | 检测机械振动 |
| 气敏传感器 | 嗅觉 | 检测气体浓度和成分 |
| 化学传感器 | 味觉 | 检测化学物质 |
| 压敏、温敏、湿敏 | 触觉 | 感受压力、温度、湿度 |
传感器是连接现实世界与虚拟世界的桥梁，与计算机技术、通信技术并称信息技术三大支柱。
2. 射频识别技术（RFID）
RFID定义：一种无线通信技术，通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，无须建立机械或光学接触。
RFID系统组成：
RFID系统
├── 阅读器（传送器、接收器、微处理器）
├── 天线
└── 标签（电子标签）
工作原理：
阅读器 → 发射射频信号 → 标签被激活 → 标签返回信息 → 阅读器读取
特点：
- 非接触识别
- 可识别高速运动物体
- 可同时识别多个标签
- 穿透性强（雪、雾、冰、涂料）
- 阅读速度快（<100毫秒）
应用：公交卡、门禁卡、二代身份证
3. 嵌入式系统技术
定义：以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪，适应系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。
比喻：
- 传感器 = 人的感觉器官
- 网络 = 人的神经系统
- 嵌入式系统 = 人的大脑
应用：移动电话、家用电器、汽车、航天航空
📎 相关探究：实验_智能插座体验实验
五、探究活动
体验：共享单车与二维码
共享单车是典型的依托二维码的物联网信息系统。
操作流程：
手机APP扫描二维码 → 云端验证 → 开锁骑行 → 自动计费
思考问题：
- 共享单车上的二维码在整个信息系统中起到了什么作用？
- 与传统公共单车租用相比，共享单车有什么优势？
讨论：物联网应用场景
场景 （1）使用智能手机拨打电话，当听筒靠近耳朵时，屏幕变暗、被锁定，确保通话 时不会误操作。 （2）人们使用公交卡乘坐公交车，只需上车刷卡，就能自动缴费。在便利店、超市 等也可以进行类似刷卡消费。有近距离无线通信（NFC）功能的手机，只要安装特定的手 机程序，也可以实现公交卡的功能。 （3）现代汽车行业大力研发的无人驾驶技术，可以实现通过物联网智能读取车辆信 息、分析道路情况，配合各种传感器，实现汽车的无人智能驾驶。
问题：
- 物联网实现了普通物体之间的互联互通，以上场景中的物联网包含了哪些物体？
- 物体需要具备怎样的条件，才能纳入物联网的范围？
- 以上场景分别体现了物联网哪方面的技术特征？
| 场景 | 涉及的物联网技术 |
|---|---|
| 智能手机听筒靠近耳朵时屏幕变暗 | 距离传感器 |
| 公交卡刷卡缴费 | RFID/NFC |
| 无人驾驶汽车 | 多种传感器、物联网通信 |
📝 本节小结
| 知识点 | 核心内容 |
|---|---|
| 物联网定义 | 通过感知技术连接物理世界与数字世界 |
| 三大特征 | 全面感知、可靠传递、智能处理 |
| 三层架构 | 感知层、网络层、应用层 |
| 三大技术 | 传感技术、RFID、嵌入式系统 |