3.1 信息系统与外部世界的连接方式 学案

信息系统与外部世界的连接方式
学习目标
1.知道信息系统与外部世界的连接方式；
2.了解常见的传感与控制机制。
学习内容
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。
信息系统与物联网
1.信息系统与外部世界连接方式的演变
计算机技术的发展大约经历了三个阶段：第一阶段，人们解决的主要问题是“让人和 计算机对话”，即操作计算机的人输入指令，计算机按照人的意图执行指令，完成任务。 第二阶段，在计算机大规模普及之后，人们开始考虑“让计算机与计算机对话”，即让处 在不同空间的计算机可以数据传递、资源共享，计算机网络则应运而生。互联网的飞速发 展实现了世界范围内人与人之间、计算机与计算机之间的互联互通，构建了一个以人和计 算机为基础的虚拟数字世界。第三阶段，人们主要考虑的是将联网的终端从计算机扩展到 “物”——物体和环境。连接之后，整个物理世界就可以在数字世界中得到反映，这种需 求带来的是物联网的产生。可以这么理解，物联网是将物理世界数字化并形成数字世界 的一个途径，在第三阶段中，人们开始努力在传感技术、定位技术的帮助下与物理世界 对话。
2.物联网
物联网与我们熟悉的互联网，虽然只 有一字之差，但是其内涵却大不一样，其 示意图如图3-5所示。物联网概念最早于 1999年由麻省理工学院的Kevin Ash-ton教 授提出。早期的物联网是指依托射频识别
(Radio Frequency Identification , RFID ) 技术和设备，按约定的通信协议与互联网 相结合，使物品信息实现智能化识别和管 理，实现物品信息互联而形成的网络。随 着技术和应用的发展，物联网内涵不断扩 展。现代意义的物联网可以实现对物的感 知识别控制、网络化互联和智能处理有机 统一，从而形成高智能决策。
物联网是通信网和互联网的拓展应用和网络延伸，它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。
我国政府高度重视物联网的研究和发展。2009年8月，国务院提出“感知中国”的战 略构想，表示中国要抓住机遇，大力发展物联网技术。2012年，我国工业和信息化部、科 学技术部、住房和城乡建设部再次加大了支持物联网和智慧城市方面发展的力度。我国政 府的一系列报告以及相关政策和措施表明，大力发展物联网产业将成为今后一项具有国家 战略意义的重要决策。
物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮，物联网具有三 个方面的技术特征。
(1)全面感知。
全面感知，是指利用无线射频识别、传感器、定位器和二维码等手段，随时随地对物 体进行信息采集和获取。它解决了人和物理世界的数据获取问题，用传感技术延展了人的 感知能力。借助当前先进的传感技术，可以将各种传感器采集到的信息进行综合分析、 科学判定，得出全面、科学的结论，用来指导实践。
条码技术是在计算机应用和实践中产生并发展起来的一种自动识别技术，广泛应用于 商业、邮政、图书管理、仓储、工业生产过程控制、交通等领域。条形码是将宽度不等 的多个黑条和白条，按照一定的编码规则排成平行线图案，用以表达一组数字或字母符 号信息的图形标识符。反射率相差很大的黑条（简称条）和白条（简称空）被特定的设 备识读，转换成与计算机兼容的二进制信息（如黑色的条和白色的空分别对应二进制数 的“1”和“0”）。对于每一种物品，它的编码是唯一的。当条形码的数据传到计算机上 时，由应用程序在计算机系统的数据库中提取相应的信息，从而建立起条形码与物品信息 的对应关系。条形码可以标出物品的生产国、制造厂家、商品名称、生产日期、邮件起止 地点、类别、日期等信息，具有输入速度快、准确度高、成本低、可靠性强等优点，在当 今的自动识别技术中占有重要地位。
20世纪80年代后期，随着条码技术应用领域的扩大，一种能够在更小面积上表示更多 信息的新条码技术产生了，这就是二维条码（即二维码）技术。由于二维条码在平面的横 向和纵向上都能表示信息，所以与一维条码比较，所携带的信息量和信息密度都提高了， 二维码可以表示图像、文字，甚至声音。与一维条码必须依靠预先建立的数据库、从中识 别出物品的信息不同，二维码依靠其庞大的信息携带量，能够把物品信息直接包含在条形 码中，并且还有错误修正技术及防伪功能，增加了数据的安全性。因此，二维码的出现， 使条码技术从简单地标识物品转化为描述物品，它的功能发生了质的变化，其应用领域也 就扩大了。
（2）可靠传递。
可靠传递，是指通过各种网络，对接收到的物体信息进行实时且准确的远程传送，实 现信息的交互和共享，并进行各种有效的处理。物联网是互联网的一个延伸，在信息的传 递过程中，通常要使用现有的通信网络，包括有线网络和无线网络等。传感器网络是一个 局部的无线网络，在物联网中发挥着极其重要的作用。
（3 ）智能处理。
智能处理是指利用数据管理、数据计算、云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对 接收到的海量数据和信息进行分析处理，提升对外部世界各种活动和变化的洞察力，实现 智能化的控制和决策。
智能处理相当于物联网的大脑和神经中枢。国际电信联盟在关于物联网的发展报告中 曾描绘未来“物联网”时代的图景：当司机出现操作失误时汽车会自动报警；公文包会提 醒主人忘带了什么东西；衣服会“告诉”洗衣机对颜色和水温的要求……也许不久的将 来，这些场景就会来到我们身边。
物联网中的传感与控制机制
1.物联网的结构
物联网的形式复杂多样，涉及的硬件种类繁多。根据信息生成、传输、处理和应用的 原则，可以把物联网分为三层：感知层、网络层和应用层。
(1 )感知层。
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，并通过通信模块 将物理实体连接到网络层和应用层。
(2)网络层。
网络层主要实现信息的传递、路由和控制，包括延伸网、接入网和核心网，网络层可 依托公众电信网和互联网，也可以依托行业专用通信网络。
(3)应用层。
应用层包括应用基础设施/中间件和各种物联网应用。应用基础设施/中间件为物联网 应用提供信息处理、计算等通用基础服务设施、能力及资源调用接口，以此为基础实现物 联网在众多领域的各种应用。
2.物联网技术
物联网涉及感知、控制、网络通信、微电子、计算机、软件、嵌入式系统、微机电等 技术领域，其技术体系可划分为感知关键技术、网络通信关键技术、应用关键技术、共性 技术和支撑技术，每种技术体系下又涵盖非常多的关键技术。其中，?传感和识别技术是物联网感知物理世界获取信息和实现物体控制的首要环节；射频识别技 术既是一种无线通信技术，同时又是一种自动识别技术，在越来越多的行业中被应用与推 广，加速了物联网的发展；而嵌入式系统技术则使得物联网具有智能处理的能力，能够对 物体实施智能控制。
(1 )传感技术。
在人类历史发展的很长一段时间内，人是通过视觉、听觉、嗅觉等方式感知周围环境 的，这是人类认识世界的基本途径。然而，依靠人类对物理世界的本能感知已远远不能满 足信息时代的发展要求。例如，人类不能感知上千度的温度，也不能辨别诸如海拔高度、 PM2.5等数据。
传感器作为连接物理世界与电子世界的重要媒介，在信息化的过程中发挥着关键作 用。事实上，传感器已经渗透到人们的日常生活中。只要细心观察，就可以发现日常生活 中的各类传感器，如热水器中的温控器、电视机的遥控器、空调中的温湿度传感器等。此 外，传感器也广泛应用于工农业、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。
我国国家标准《传感器通用术语》(GB/T 7665—2005 )对传感器的定义为“能够感受规定的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”。传感器一般由敏感元件、 转换元件和基本电路组成。敏感元件是指传感器 中能直接感受被测(物理)量的 部分，转换元件将敏感元件的输 出转换成电路参量(如电压、电 感等)，基本电路将电路参数转 换成电量输出。
人们常将传感器的功能与人类五大感觉器官相比拟：光敏传感器，相当于视觉，包括 红外线传感器、紫外线传感器、色彩传感器等；声敏传感器，相当于听觉，用于检测在气 体、液体或固体中传播的机械振动；气敏传感器，相当于嗅觉，用于检测气体浓度和成 分；化学传感器，相当于味觉，用于检测各种化学物质及其浓度；压敏、温敏、湿敏等传 感器，相当于触觉，能感受压力和环境温度、湿度等。
无线传感器网络是当前信息领域的研究热点之一，可实现信号的采集、处理和发送， 已得到越来越广泛的应用。如在大棚种植中对室内及土壤的温度、湿度、光照进行监测， 对植物生长规律的数据进行测量与分析，又如在病人、老人等身上安装心率和血压监测等 设备来监测人体的各种生理数据，都需要使用传感器。
(2 )射频识别技术(RFID )
射频识别技术是一种无线通信技术，可以通过无线电信号识别特定目标并读写相关数 据，而且识别系统与特定目标之间无须建立机械或者光学接触。它的出现改变了条形码依 靠“有形”的一维或二维几何图案来提供信息的方式，而可以通过芯片来提供存储在其中 的数量庞大的“无形”信息。
RFID系统由五个组件构成，包括传送器、接收器、微处理器、天线和标签。传送 器、接收器和微处理器通常都被封装在一起，统称为阅读器，因此通常将RFID系统分为阅 读器、天线和标签三大组件。
RFID电子标签的阅读器通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识 别码和内存数据的读出或写入操作。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标 签，操作快捷方便。射频识别系统最重要的优点是非接触识别，它能穿透雪、雾、冰、涂 料、尘垢，在条形码无法使用的恶劣环境中阅读标签，并且阅读速度极快，大多数情况下 不到100毫秒。RFID的应用领域非常广泛，在公交卡、门禁卡、二代身份证上都有其身影。
(3 )嵌入式系统技术。
所谓的嵌入式系统，是指以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪，适 应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。经过几十年 的演变，以嵌入式系统为特征的智能终端产品随处可见，小到身边的MP3,大到航天航空 的卫星系统。嵌入式系统技术能使设备具有智能，使它们具备学习与记忆的能力，能够按 照使用者的喜好及所处的环境做出回答。如果把物联网用人体做一个简单比喻，传感器相 当于人的眼睛、鼻子、皮肤等感知器官，网络就是用来传递信息的神经系统，嵌入式系统 则是人的大脑，在接收到信息后要进行分类处理。
嵌入式系统技术的应用几乎无处不在，移动电话、家用电器、汽车等都有它的踪影。 嵌入式控制器因其体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等优点，应用已深入到工业、农 业、教育、国防以及日常生活等各个领域，在诸多产品更新换代、加速自动化进程、提高 生产率等方面起到了重要的推动作用。