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物联网（IoT）教学课件

目录物联网基础概念定义、发展历程与基本架构关键技术与架构传感器技术、通信技术、边缘计算与雾计算通信协议与标准协议栈、MQTT、CoAP及安全挑战硬件平台介绍开发板、传感器接口与网关设备数据分析与云服务数据特点、云平台与大数据分析典型应用案例

什么是物联网？物联网（InternetofThings，IoT）是指通过网络连接物理对象，实现智能识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网中的物涵盖各种物理设备：各类传感器（温度、湿度、光照等）智能设备（手机、智能手表等）交通工具（汽车、公交车等）建筑设施（智能家居、办公楼等）

物联网的发展历程11999年英国技术专家KevinAshton首次提出InternetofThings概念，当时他在宝洁公司工作，希望通过RFID技术改进供应链管理。22005-2008年从M2M（机器对机器）通信阶段开始发展，主要应用于工业自动化和远程监控领域，通信方式较为简单。32009-2014年随着智能手机普及和云计算发展，物联网开始向消费领域扩展，智能家居和可穿戴设备兴起。42015年至今IPv6地址扩展为物联网大规模部署提供基础，5G技术推动物联网进入全面互联时代，与人工智能深度融合。

物联网架构简述感知层包含各类传感器与执行器，负责感知物理世界并收集数据，如温度传感器、湿度传感器、摄像头等。这一层是物联网的神经末梢。网络层负责数据传输与通信，包括有线网络、无线网络和各类通信协议，确保设备间数据的可靠传输。应用层处理感知数据并提供各类服务，如智能家居控制、环境监测、智慧城市管理等应用。支撑层提供云计算与大数据处理能力，为应用层提供计算、存储和分析支持，确保物联网系统的稳定运行。

物联网架构示意图感知层传感器、RFID、摄像头等设备收集物理世界数据网络层各类有线无线通信网络，传输感知层数据应用层面向不同领域的应用系统，提供智能服务

传感器技术常见传感器类型温湿度传感器：DHT11/22、SHT系列光照传感器：光敏电阻、光电二极管压力传感器：FSR系列、BMP280加速度传感器：MPU6050、ADXL345气体传感器：MQ系列（CO、CO?、甲烷等）传感器网络特性自组织能力：自动构建网络拓扑能耗管理：低功耗运行模式容错性：节点失效时自动重组数据融合：多源数据综合处理性能指标与影响精度：测量值与真实值的接近程度响应时间：从感知到输出信号的延迟稳定性：长期工作状态下的性能保持分辨率：能够检测的最小变化量

通信技术技术类型代表技术覆盖范围功耗特点带宽能力典型应用短距离通信蓝牙BLE10-100米极低1Mbps可穿戴设备ZigBee10-100米低250Kbps智能家居Wi-Fi50-300米较高最高数Gbps家庭监控长距离通信LoRaWAN2-15公里极低0.3-50Kbps农业监测NB-IoT1-10公里低最高250Kbps水表、气表5G1-10公里高最高10Gbps自动驾驶

边缘计算与雾计算边缘计算边缘计算将数据处理功能下放到靠近数据源的网络边缘，而非完全依赖云端。显著降低数据传输延迟（毫秒级响应）减少带宽占用，降低云端成本提高数据处理实时性和系统可靠性解决隐私敏感数据的本地处理需求典型应用：工业控制系统、自动驾驶、智能监控雾计算雾计算作为云计算与边缘计算之间的中间层，提供更灵活的计算资源分配。在边缘节点与云中心之间建立计算层支持地理分布式部署和移动场景优化网络资源利用，提高系统弹性适应多变的计算需求和网络条件典型应用：智能交通系统、大型工业园区自动化

边缘计算与云计算协同架构设备层各类物联网终端设备生成原始数据边缘层实时数据处理、筛选和初步分析云端层深度数据分析、长期存储和高级应用

物联网协议栈概览应用层MQTT：轻量级发布/订阅协议，适合低带宽环境CoAP：专为资源受限设备设计的HTTP类似物HTTP/HTTPS：广泛应用于Web服务和API调用AMQP：高级消息队列协议，保证消息可靠传递传输层TCP：提供可靠的、面向连接的数据传输UDP：提供不可靠但高效的数据传输，适合实时应用DTLS：数据报传输层安全性，为UDP提供安全保障网络层IPv6：提供海量地址空间，支持物联网大规模部署6LoWPAN：IPv6在低功耗无线个人区域网中的应用RPL：低功耗有损网络的路由协议物理层与链路层IEEE802.15.4：低速率无线个人区域网标准Wi-Fi：IEEE802.11系列无线局域网标准BLE：蓝牙低功耗技术NB-IoT/LoRa：低功耗广域网技术

MQTT协议详解MQTT（消息队列遥测传输）协议特点基于发布/订阅模式，不同于客户端/服务器模式极其轻量级，固定报头仅2字节，适合低带宽环境支持三种服务质量（QoS）水平：QoS0：最多发送一次，可能丢失QoS1：至少