模塊3通過智慧農業認識物聯網感知技術人民郵電出版社目錄CONTENTS1智慧農業2傳感器33S技術4視頻監控技術5嵌入式系統技術01PARTONE智慧農業思維導圖學習目標了解傳感器的分類和工作原理掌握常用傳感器的作用和基本構成掌握無線傳感器網絡系統的組成和各組成部分的作用了解無線傳感器網絡的關鍵技術了解3S技術含義與應用掌握嵌入式微處理器結構組成知識目標能夠依據不同的工作任務的特點選取常用傳感器能夠識讀傳感器電路原理圖和技術手冊能根據嵌入式微處理器的分類，結合需要對微處理器進行選型能根據視頻監控的組成部分，結合實際需求對視頻監控設備進行安裝掌握STM32開發環境的搭建和開發環境調試方法技能目標掌握基于嵌入式技術和傳感器技術的物聯網系統的軟硬件調試和開發能力，洞察物聯網技術發展方向具備在物聯網系統及其應用方面進行綜合研究、規劃和集成的能力；具備常用傳感器應用、管理與維護的能力，具有安全素質、實踐能力、創新創業精神素質目標情景導入智能灌溉、環境監測氣象監測、大數據平臺……“未來的農業”什么是智慧農業？1.1智慧農業概述智慧農業是將物聯網技術運用到傳統農業中去，充分應用現代信息技術成果，以信息和知識為生產要素，通過互聯網、物聯網、云計算、大數據、智能裝備等現代信息技術與農業深度跨界融合，實現農業生產全過程的信息感知、定量決策、智能控制、精準投入和工廠化生產的全新農業生產方式與農業可視化遠程診斷、遠程控制、災害預警等智能管理，是農業信息化發展從數字化到網絡化再到智能化的高級階段。

智慧農業是農業生產的高級階段，是集新興的互聯網、移動互聯網、云計算和物聯網技術為一體，依托部署在農業生產現場的各種傳感節點和無線通信網絡實現農業生產環境的智能感知、智能預警、智能決策；智慧農業能夠有效改善農業生態環境，將農田、畜牧養殖場、水產養殖基地等生產單位和周邊的生態環境視為整體，并通過對其物質交換和能量循環關系進行系統、精密運算，保障農業生產的生態環境在可承受范圍內；智慧農業能夠顯著提高農業生產經營效率；智慧農業能夠徹底轉變農業生產者、消費者觀念和組織體系結構。1.1智慧農業概述1.2智慧農業主要內容精準農業：一種基于信息和知識管理的現代農業生產系統。精準農業采用高新技術與現代農業技術結合，對農業生產環境進行精準監測分析，對農資、農作實施精確定時、定位、定量控制，可最大限度地提高農業生產力，是實現優質、高產、低耗和環保的可持續發展農業的有效途徑，其包括：括智慧設施農業、智慧大田種植、智慧畜禽養殖、智慧水產養殖等應用；智能農機裝備：指裝備有中央處理器（CPU）和各種傳感器或無線通信系統的現代化農機裝備，其特點是加裝在農業機械或農業裝備上的微型計算機對傳感器傳回的各種信號進行邏輯運算、傳導、傳遞，進而在動態作業環境下發出適宜指令驅動農業機械完成正確的動作，由此實現農業生產和管理的智能化，智能農機裝備又可分為3個類型：智能化動力機械、智能化作業機械和農機智能化管理。1.2智慧農業主要內容智能病蟲害防治：智能病蟲害防治運用先進的物聯網、大數據、人工智能等高新技術，可以實現對病蟲害發生情況的實時在線監測，實現對病蟲害的在線識別和遠程診斷，實現對病蟲害發生趨勢的提前預測報警，實現對病蟲害災后狀況的智能評估分析；農產品智慧物流：農產品因為在運輸過程中需要保鮮、冷凍、冷藏等方式存儲，因此智能冷鏈物流是解決農產品高效流通的重要環節。通過將物聯網感知層、網絡層、智能層的關鍵技術，與農產品冷鏈物流的供應鏈全過程結合，實現冷鏈全過程的智能化監控、透明化操作，從而保障農產品的質量安全，避免冷鏈的斷鏈、出現問題責任劃分不清等狀況，實現全程冷鏈，使得農產品冷鏈可以做到智能獲取信息、智能傳遞信息、智能處理信息。智能冷鏈物流按照農產品的生產、流通、銷售的過程又可分為5個環節。1.3智慧農業案例——智慧種植：廣東江門市新會陳皮產業園

新會陳皮國家級現代農業產業園創建于2017年9月，區域面積達430km2，其中規劃種植基地16km2，加工園區2.7km2。自創建伊始，產業園深挖新會陳皮文化、健康價值，以新會陳皮產業為主導產業，科學規劃“一軸、兩帶、三基地、四中心、五園區”的發展布局，不斷加快陳皮第一、二、三產業融合發展，努力創建“大基地+大加工+大科技+大融合+大服務”發展的特色農業產業園。1.3智慧農業案例——智慧養殖：廣東清遠雞養殖基地

雞場在集約化、規模化、精細化、科學化養殖的同時，需要建立智慧養殖的技術體系。清遠雞智慧養殖（見圖3-2）運用無線射頻識別、傳感器、4G、Wi-Fi無線通信、遠程視頻監控等物聯網技術，對雞場養殖環境進行自動監測與調控，對肉雞個體進行標識與監控；應用Web技術、網絡技術，對養殖過程進行精細管理，實現精細飼養、疾病防治、飼料和藥品采購檢測等養殖環節的統一管理，降低勞動強度、節省人力物力、減少疾病損失、提升產品質量。智慧養殖可以構建標準化的物聯網雞場，改進集約化養雞生產流程，顯著提升生產管理效率，讓各級管理人員及時獲得準確信息以及智能化管理，實現生產集約化、養殖過程規范化、生產管理數字化。1.4拓展知識——未來農業的八大“黑科技”1、農業機器人2、垂直農業3、太空農業4、太空育種5、激光除草、除蟲技術6、超智能農業生產系統7、液氮冷藏技術8、3D打印農業1.4拓展知識——未來農業的八大“黑科技”02PARTTWO傳感器技術情景導入2020年紅外測溫機器人在廣州黃埔首次使用傳感器1.紅外測溫的工作原理？2.日常生活中有哪些傳感器技術？智慧農業中各種信息的采集使用各種傳感器。傳感器同時也應用于人們日常生活各個方面，電子爐灶、自動電飯鍋、吸塵器、空調器、電子熱水器、熱風取暖器、風干器、報警器、電風扇、游戲機、電子驅蚊器、洗衣機、洗碗機、照像機、電冰箱、電視機、手機等、醫用方面得到了廣泛的應用，例如：紅外測溫儀、壓強傳感器（血壓）和電學傳感器（心電圖）等。傳感器是將物理量（如溫度、壓力、光）轉化為可測量的電信號的設備。它就像人類的五官，能感知外界環境變化。

2.1傳感器概述

汽車——是傳感器俱樂部：溫度、空氣流量、壓力、轉速、位移、水位、曲軸、防抱死制動系統（ABS）、爆震、里程表等多種傳感器。里程表傳感器機油壓力傳感器倒車雷達傳感器你還能舉出汽車上的哪些傳感器？

2.1傳感器概述——以汽車為例

能夠感受規定的被測量并按一定規律和精度轉換成可用輸出信號的器件或裝置。

它是一種以一定的精確度把被測量轉換為與之有確定對應關系的、便于應用的某種物理量的測量裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。

輸入量是物理量、化學量和生物量。

輸出量主要是電量。（電量最便于傳輸、轉換、處理及顯示）

輸入輸出的轉換規律（關系）已知，轉換精度要滿足測控系統的應用要求。2.2傳感器定義2.3傳感器發展趨勢向高精度方向發展向高可靠性、寬溫度范圍發展向微型化發展向模糊識別方向發展向智能型傳感器發展2.4傳感器分類2.5傳感器的基本特征傳感器的基本特性是指傳感器的輸入-輸出關系特性，是傳感器的內部結構參數作用關系的外部特性表現。傳感器所測量的物理量基本上有兩種形式：靜態（穩態或準靜態）和動態（周期變化或瞬態）。前者的信號不隨時間變化（或變化很緩慢）；后者的信號是隨時間變化而變化的。傳感器所表現出來的輸入-輸出特性存在靜態特性和動態特性。靜態物理量：溫度、壓力、質量動態物理量：振動、聲音、流速傳感器的靜態特性：①測量范圍：傳感器所能測量到的最小輸入量與最大輸入量之間的范圍稱之為傳感器的測量范圍。②量程：傳感器測量范圍的上限值與下限值之間的代數差稱為量程。③精度：指測量結果的可靠程度，是測量中各種誤差的綜合反映。工程技術中為簡化傳感器精度表示方法，引入精度等級概念。④線性度：指傳感器的輸出量與輸入量的關系曲線偏離理想直線的程度。⑤靈敏度：傳感器在穩態下輸出量變化與輸入量變化的比值。⑥分辨率（Resolution）：指傳感器能夠感知或檢測到的最小輸入信號增量，反映傳感器能夠分辨被測量微小變化的能力。2.6傳感器的基本特征傳感器的靜態特性(二)：⑦遲滯（Hysteresis）：也叫回程誤差，是指在相同測量條件下，對應于同一大小的輸入信號，傳感器正（輸入量由小增大）、反（輸入量由大減小）行程的輸出信號大小不相等的現象。遲滯特性表明傳感器正、反行程期間輸入-輸出特性曲線不重合的程度。⑧重復性（Repeatability）：表示傳感器在輸入量按同一方向做全量程多次測試時所得輸入輸出特性曲線一致的程度。⑨漂移：指傳感器在輸入量不變的情況下，輸出量隨時間變化的現象。產生漂移的原因主要有兩個：一是傳感器自身結構參數發生變化，如零點漂移（簡稱零漂）；二是在測試過程中周圍環境（如溫度、濕度、壓力等）發生變化，最常見的是溫度漂移（簡稱溫漂）。2.6傳感器的基本特征傳感器的動態特性：傳感器的動態特性是指傳感器對動態激勵（輸入）的響應（輸出）特性，即其輸出對隨時間變化的輸入量的響應特性。①在采用階躍輸入研究傳感器的時域動態特性時，常用延遲時間、上升時間、響應時間、超調量等來表征傳感器的動態特性。②在采用正弦輸入研究傳感器的頻域動態特性時，常用幅頻特性和相頻特性來描述傳感器的動態特性。2.6傳感器的基本特征2.7傳感器工作原理（1）應變電阻式傳感器：應變是物體在外部壓力或拉力作用下發生形變的現象。應變電阻式傳感器的基本工作原理：當被測物理量作用在彈性元件上，彈性元件在力、力矩等的作用下發生形變，產生相應的應變或位移，然后傳遞給與之相連的電阻應變片，引起應變敏感元件的電阻值發生變化，通過測量電路變成電壓輸出。輸出的電壓大小反映了被測物理量的大小。常用的電阻應變片有兩種：金屬電阻應變片和半導體電阻應變片。2.8

光電傳感器光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件3部分組成。（1）光電效應：光電傳感器進行非電量檢測的理論基礎是光電效應，即物體吸收到光子能量后產生的電效應。光電效應分為外光電效應、內光電效應和光生伏特效應三大類。①外光電效應：指在光的照射下，材料中的電子逸出表面的現象，又稱為光電子發射效應。光電管及光電倍增管均屬這一類。②內光電效應：指在光的照射下，材料的電阻率發生改變的現象，又稱為光電導效應。光敏電阻即屬此類。③光生伏特效應：利用光勢壘效應，光勢壘效應指在光的照射下，物體內部產生一定方向的電動勢的現象，又稱為阻擋層光電效應。光電池和光電晶體管均屬于這一類。2.8

光電傳感器分類光電傳感器是通過把光強度的變化轉換成電信號的變化來實現控制的。根據傳感器的傳輸過程一般由3部分構成：發送器、接收器和檢測電路。根據光電傳感器的外形可以分為槽型光電傳感器和對射型光電傳感器。槽型光電傳感器是把一個光發射器（又稱發光器）和一個光接收器（又稱收光器）面對面地裝在一個槽的兩側，如圖3-6所示。光發射器能發出紅外光或可見光，在無阻情況下光接收器能接收到光。但當被檢測物體從槽中通過時，光被遮擋，光電開關便動作，輸出一個開關控制信號，切斷或接通負載電流，從而完成一次控制動作。槽型開關的檢測距離因為受傳感器整體結構的限制一般只有幾厘米。2.8光電傳感器工作方式2.9

超聲波傳感器超聲波傳感器是將超聲波信號轉換成其他能量信號（通常是電信號）的傳感器。超聲波是振動頻率高于20kHz的機械波。它具有頻率高、波長短、繞射現象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透能力很大，尤其是在不透明的固體中。2.10

半導體傳感器半導體傳感器（SemiconductorTransducer）是指利用半導體材料的各種物理、化學和生物學特性制成的傳感器。所采用的半導體材料多數是硅以及Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族元素化合物。半導體傳感器種類繁多，它利用近百種物理效應和材料的特性，具有類似于人的眼、耳、鼻、舌、皮膚等多種感官功能。半導體傳感器是利用半導體易受外界條件影響這一特性制成的傳感器。根據檢測對象，半導體傳感器可分為物理傳感器（檢測對象為光、溫度、磁、壓力、濕度等）、化學傳感器（檢測對象為氣體分子、離子、有機分子等）、生物傳感器（檢測對象為生物活性物質）。半導體傳感器是一種新型半導體器件，它能夠實現電、光、溫度、聲、位移、壓力等物理量的相互轉換，并且易于實現集成化、多功能化，更滿足計算機的要求，所以被廣泛應用于自動化檢測系統中。由于實際的被測量大多數是非電量，因而傳感器的主要工作就是將非電信號轉換成電信號。半導體傳感器的優點是靈敏度高、響應速度快、體積小、質量輕，便于集成化、智能化，能使檢測、轉換一體化。2.10

半導體傳感器工作原理2.10

半導體傳感器的分類常用的半導體傳感器有氣敏傳感器、磁敏傳感器、熱敏二極管、熱敏三極管和各種半導體集成傳感器。①氣敏傳感器：用半導體氣敏元件組成的傳感器為氣敏傳感器，主要用于天然氣、煤氣、石油化工等工業領域的易燃、易爆、有毒、有害氣體的監測、預報和自動控制。②磁敏傳感器：它是利用半導體材料中的自由電子或空穴隨磁場改變其運動方向這一特性而制成的傳感器，一般被用來檢測磁場的存在、變化、方向，磁場的強弱以及可引起的磁場變化的物理量。③溫敏傳感器：它利用某些材料或元件的物理特性與溫度有關的這一性質，將溫度的變化轉化為電量的變化。常見的有熱電偶、熱敏電阻、熱敏二極管和熱敏晶體管等，常用來紅外線測溫等。④集成傳感器：常見的集成傳感器有開關型集成霍爾傳感器、集成溫度傳感器、集成濕度傳感器、集成壓力傳感器和集成加速度傳感器。2.11

生物傳感器生物傳感器（Biosensor）是利用生物活性物質與電化學或其他傳感器結合而形成的新型探測器件。生物傳感器中最關鍵的部件是生物活性物質，它可以是生物酸、抗體、生物膜或者活細胞等。生物傳感器由分子識別部分（敏感元件）和轉換部分（換能器）構成：以分子識別部分去識別被測目標，是可以引起某種物理變化或化學變化的主要功能元件。分子識別部分是生物傳感器選擇性測定的基礎。轉換部分是把生物活性表達的信號轉變為電信號的物理或化學換能器（傳感器）。生物傳感器原理生物傳感器的結構一般是在基礎傳感器（如電化學裝置）上再耦合一個生物敏感膜（稱為感受器或敏感元件）。生物敏感膜緊貼在探頭表面上，再用一種半滲透膜與被測溶液隔開。當被測溶液中的成分透過半透膜有選擇地附著于敏感物質上時，形成復合體，隨之進行生化和電化學反應，產生普通電化學裝置能感知的O2、H2、+4NH、CO2等或光、聲等信號，并通過信號轉換元件轉換為電信號。2.11

生物傳感器特點①操作簡單，需用樣品少，能短時間內完成測定。一般不需進行樣品的預處理，它利用本身具備的優異選擇性把樣品中被測組分的分離和檢測統一為一體，測定時常不需另加其他試劑，使測定過程簡便迅速，容易實現自動分析。②可進入生物體內，進行活體分析。③對被檢測物質具有極好的選擇性，噪聲低。④經固定化處理后，可保持長期生物活性，傳感器可反復使用。⑤傳感器連同測定儀的成本遠低于大型的分析儀，因而便于推廣普及。2.12.1

無線傳感器網絡——連接傳感器與世界的橋梁無線傳感器網絡（WirelessSensorNetwork，WSN）是一種由大量低成本、低功耗的傳感器節點組成的分布式網絡系統，這些節點通過無線通信方式形成自組織的多跳網絡，用于感知、采集和處理環境中的物理或環境信息，并將數據傳輸到匯聚節點或用戶。2.12.2

無線傳感器網絡的起源與發展1早期概念(1970s-1980s)起源于軍事應用，主要用于戰場監控和分布式傳感。美國國防高級研究計劃局(DARPA)是關鍵推動者。2技術成熟(1990s)微機電系統、無線通信技術和嵌入式處理器取得突破。學術界開始深入研究。3應用擴展(2000s)拓展至環境監測、智能家居和工業控制。IEEE802.15.4成為標準協議。4物聯網時代(2010s至今)成為物聯網核心技術，融合云計算、邊緣計算和人工智能。廣泛應用于智慧城市和精準農業。無線傳感器網絡從軍事需求起源，逐步發展成為現代物聯網的支柱技術。2.12.3

無線傳感器網絡體系結構無線傳感器網絡系統通常包括傳感器節點（SensorNode）、匯聚節點（SinkNode）和管理節點，無線傳感器網絡系統架構如圖3-12所示。傳感器節點：采集環境信息（溫度、濕度等）。匯聚節點：收集并處理節點數據。管理節點（用戶終端）：展示和分析數據的設備。2.12.4

無線傳感器網絡的特點與工作流程特點大規模分布：覆蓋范圍廣泛，節點密集布置低功耗設計：有效延長設備使用壽命自組織能力：自動建立網絡，無需人工干預動態拓撲結構：節點變化不影響整體網絡運行工作流程感知階段傳感器節點實時采集環境數據信息數據傳輸階段通過無線方式將數據傳送至匯聚節點處理與分析階段匯聚節點處理數據并上傳至用戶終端2.12.5

無線傳感器網絡的應用智慧農業：土壤濕度監測、病蟲害預警。環境監測：空氣質量、氣象監測。智能城市：交通流量監控、垃圾處理管理。醫療健康：可穿戴設備、病房環境監控。2.13拓展知識——元宇宙需要什么傳感器？元宇宙（Metaverse）是利用科技手段進行鏈接與創造的，與現實世界映射、交互的虛擬世界，具備新型社會體系的數字生活空間。元宇宙本質上是對現實世界的虛擬化、數字化過程，需要對內容生產、經濟系統、用戶體驗以及實體世界內容等進行大量改造。柔性傳感器是實現觸覺、制造“電子皮膚”的基石。柔性傳感器是指采用柔性材料制成的傳感器，具有良好的柔韌性、延展性，甚至可自由彎曲、折疊，而且結構形式靈活多樣，可根據測量條件的要求任意布置，能夠非常方便地對復雜被測量進行檢測。按照用途分類，柔性傳感器包括柔性壓力傳感器、柔性氣體傳感器、柔性濕度傳感器、柔性溫度傳感器、柔性應變傳感器、柔性磁阻抗傳感器和柔性熱流量傳感器等。課堂實訓1.通過國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺（）體驗以下實驗：物聯網智慧養殖管控系統虛擬仿真實驗/details/page?id=6783&isView=true

2.通過開放類數據平臺，體驗環境數據訪問中國環境監測總站(/)，了解實時環境數據訪問國家氣象科學數據中心（/），了解實時氣象數據

課堂實訓——物聯網智慧養殖管控系統03PARTTHREE3S技術3.13S技術及其應用

“3S”技術是遙感（RemoteSensing，RS）、全球定位系統（GlobalPositioningSystem，GPS）、地理信息系統（GeographicalInformationSystem，GIS）這3種技術名詞中最后一個單詞字母的統稱。3S以計算機技術為主要技術支撐，用于采集、量測、分析、存儲、管理、顯示、傳播和應用與地理空間分布有關的數據的一門綜合的、集成的信息科學的重要組成部分，構成數字地球的基礎。3S技術的集成GPS獲取的位置信息遙感影像GIS系統完整的衛星對地觀測系統特點：遙感（RS）：獲取大范圍、多時相的地球表面信息。地理信息系統（GIS）：分析和管理地理空間數據。全球定位系統（GPS）：精確定位目標的地理坐標。相互關系：GPS提供位置信息，RS獲取地表信息，GIS對數據進行存儲、分析與可視化。3S技術集成形成強大的地理信息處理體系。應用場景：災害監測、環境保護、資源管理等。

利用現代儀器設備由遠處感知、獲取被測物體的信息，從而對物體進行探測和識別。廣義遙感：利用儀器設備從遠處獲得被測物體的電磁波輻射特征（光，熱），力場特征（重力、磁力）和機械波特征（聲，地震），據此識別物體。狹義遙感：主要指從遠距離、高空以至外層空間的平臺上，利用可見光、紅外、微波等探測器，通過攝影或掃描、信息感應、傳輸和處理，從而識別地面物質的性質和運動狀態的現代化技術系統。3.2遙感（RemoteSensing）技術01遙感的特點（1）探測范圍廣、采集數據快（2）能動態反映地面事物的變化（3）獲取的數據具有綜合性航天遙感軌道衛星載人飛船（<500km)航天飛機

（<300km)探空火箭（100-650km)地球同步衛星太陽同步衛星長壽命(500-1000km)（3600km）短壽命(150-500km)3.2.1遙感的分類按高度分類地面遙感高塔（<300m)車船（<30m)觀測架（幾米）航空遙感飛機氣球飄浮氣球（<50km）系留氣球（<5km）高空飛機（>15km）中空飛機（9-15km）低空飛機（<9km）按高度分類3.2.1遙感的分類被動方式掃描(圖像方式)非掃描非圖像方式微波輻射計地磁測量儀重力測量儀傅立葉光譜儀其他圖像方式(照相機)黑白天然彩色紅外彩色紅外其他像面掃描電視攝像機固體掃描儀(CCD)物面掃描光機掃描儀固體掃描儀按傳感器分類

3.2.1遙感的分類主動方式

掃描(圖像方式)非掃描(非圖像方式)微波散射計微波高度計激光光譜儀激光高度計像面掃描（被動型相控陣雷達）物面掃描激光水深計激光測距儀微波輻射計真實孔徑雷達合成孔徑雷達按傳感器分類

3.2.1遙感的分類遙感

按應用空間尺度按研究對象資源遙感全球遙感環境遙感區域遙感城市遙感其它分類

3.2.1遙感的分類GPS（GlobalPositioningSystem）全球定位系統：1973年12月起，美國歷經20余年，投資300億美元，建立起來的服務于全球的衛星導航與定位系統。其從根本上解決了人類在地球及其周圍空間的導航及定位問題。3.3

全球定位系統GPS空間部分地面控制部分用戶設備部分3.3.1

全球定位系統GPS組成組成3.地面接收機2.地面部分：一個主控站，三個注入站，五個監測站空間部分：衛星①全天候；②全球覆蓋；③三維定速、定時、高精度；④快速、省時、高效率；⑤應用廣泛、多功能。3.3.2

全球定位系統GPS主要特點3.3.3

GPS技術應用衛星技術的應用主要是為船舶、汽車、飛機等運動物體進行定位導航，如：（1）衛星定位系統在道路工程中的應用（2）汽車導航和交通管理中的應用3.4地理信息系統GIS

地理信息系統（GIS）是對地理空間實體和地理現象的特征要素進行獲取、處理、表達、管理、分析、顯示和應用的計算機空間或時空信息系統。

GIS是由計算機硬件、軟件和不同方法組成的系統，該系統設計用來支持空間數據采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復雜的規劃和管理問題。完整的地理信息系統主要由5個部分組成，即硬件系統、軟件系統、數據、空間分析和人員等。3.4.1地理信息系統GIS的組成（1）GIS主要應用于農業和林業領域（2）城市規劃和管理是GIS的一個重要應用領域（3）應急響應（4）地學研究與應用分析（5）商業與市場（6）房地產開發和銷售過程中也可以利用GIS功能進行決策和分析（7）網絡分析（8）可視化應用3.4.2地理信息系統應用集成模式：RS提供地表影像數據。GPS采集精準位置信息。GIS進行數據管理、分析和展示。集成優勢：數據更加全面。分析結果更精準。提高工作效率和決策水平。3.5

3S技術的集成應用典型應用場景：災害監測與預警：RS檢測災害區域，GIS分析受災范圍，GPS定位災害點。環境保護：RS監測污染范圍，GIS繪制污染圖，GPS記錄樣本采集位置。資源開發：RS探測礦產分布，GIS規劃開采方案，GPS標定礦區坐標。大國重器——北斗衛星導航定義：中國自行研制的全球衛星導航系統，為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務。?意義：是國家重要空間基礎設施，提升國家綜合實力，保障國家安全，推動經濟社會發展。發展歷程?北斗一號（試驗系統）?時間：2000年建成?特點：區域性有源導航系統，主要為中國用戶提供服務。?北斗二號（區域導航系統）?時間：2012年建成?特點：覆蓋亞太地區，無源導航，服務性能提升。?北斗三號（全球導航系統）?時間：2020年全面建成?特點：全球覆蓋，高精度、高可靠、多功能，性能指標世界一流。?課堂實訓大國重器——北斗衛星導航技術特點與優勢高精度?定位精度：水平精度優于2.5米，高程精度優于5米（全球范圍）；在亞太地區，定位精度更高。?授時精度：優于20納秒。?短報文通信?獨特功能：可實現用戶與用戶、用戶與地面控制中心之間的雙向報文通信。?應用場景：在海洋漁業、應急救援等領域發揮重要作用。?兼容性好?與其他全球衛星導航系統（如GPS、GLONASS、Galileo）兼容互操作。?提高定位可靠性和精度，方便用戶使用。?課堂實訓大國重器——北斗衛星導航1.北斗衛星導航定位虛擬仿真實驗/details/page?id=7015&isView=true2.北斗與多傳感器融合導航虛擬仿真實驗/details/page?id=12064&isView=true3.訪問開放GIS平臺，如地圖慧（）,體驗GIS功能。如：創建新地圖，選擇“基礎地圖”為“高德衛星地圖”。添加“標記圖層”，標注學校周邊的3個場所（如公園、廣場），填寫名稱等信息。導出地圖為圖片或生成分享鏈接（提交成果）地圖慧。課堂實訓04PARTFOUR視頻監控技術視頻監控系統也叫閉路電視（ClosedCircuitTelevision，CCTV）監控系統，是通過遙控攝像機及其輔助設備（光源等）直接查看被監視的場地情況，使被監控場地的情況一目了然，便于及時發現、記錄和處理異常情況的一種電子系統或網絡系統。視頻監控系統是安全技術防范系統的重要組成部分，其利用視頻探測技術，監視設防區域并實時顯示、記錄現場圖像。4.1視頻監控概述視頻監控系統集成了預防、監視、控制取證和管理等功能從邏輯上可分為前端、傳輸、記錄、顯示、控制與管理5個部分，如圖所示。654.2視頻監控系統組成4.3

物聯網與視頻監控1．視頻監控在物聯網智慧農業的應用2．視頻監控在物聯網交通監控系統中的應用674.4.1視頻監控的主要設備——前端部分

前端設備由攝像機、鏡頭、防護罩、安裝支架、云臺、解碼器等組成，主要用于對設防區域進行攝像。攝像機又分為球機、槍機、半球機、筒機，配件可包括防護罩、支架、云臺等。球機槍機半球機筒機攝像機防護罩攝像機支架攝像機云臺68高質量的圖像傳輸是視頻監控系統應用的關鍵，它決定監控系統應用的領域、方式。

目前，在監控系統中用來傳輸圖象信號的介質主要有同軸電纜、雙絞線和光纖，對應的傳輸設備分別是同軸視頻放大器、雙絞線視頻傳輸設備和光端機。要組建一個高質量的監控網絡，就必須搞清楚這三種主要傳輸方式的特點和使用環境，以便針對實際工程需要采取合適的傳輸介質和設備。4.4.2

視頻監控傳輸設備69同軸電纜是使用最廣泛的視頻傳輸介質，一般用于中短距離的視頻信號的傳輸。同軸電纜的電氣特征使得它非常適合傳送攝像機到監視器的全視頻信號（cctv視頻信號是由分布很廣的低頻信號和高頻信號組成的）。

優點：（1）結構簡單、施工方便（2）不需要增加其他設備直接傳輸（3）連接至設備端方便4.4.2

視頻監控傳輸設備——同軸電纜

一般來說，傳輸距離越長則信號的衰減越大，頻率越高則信號的衰減也越大。當長距離傳輸時，由于視頻信號的高頻成分被過多地衰減而使圖像變模糊。而當視頻信號被衰減得不足以被監視器等視頻設備捕捉到時，圖像便不能穩定地顯示了。4.4.3

視頻監控中心控制設備視頻監控系統的終端設備一般都集中在控制室，一般包括視音頻放大分配器、視頻矩陣切換器、多畫面分割器、硬盤錄像機、控制鍵盤和顯示器等。視音頻信號從前端傳輸過來一般先經視音頻放大分配器，信號在視音頻放大分配器中獲得補償放大并分成兩路或多路信號給視頻矩陣切換器、錄像機及相關設備，最后在監視器上還原成聲音與圖像信號。視頻監控還可以和報警聯動，和視頻安防監控系統聯動。4.5拓展知識——人工智能助力視頻監控的發展智能監控的特點：（1）實時監測并分析視頻內容。（2）檢測異常活動，輔助人類判斷，優化監控流程。智能監控的核心技術：（1）人臉識別：目標人員定位與核查。（2）車牌識別：交通管理與違法追蹤。（3）語音識別：人機交互場景廣泛應用。（4）表情識別：情緒分析助力個性化推薦。（5）年齡識別：精準營銷與用戶畫像構建。潛在優勢與挑戰：（1）優勢：安全性提升、效率優化、商業化加速。（2）挑戰：隱私問題與技術風險的平衡。05PARTFIVE嵌入式系統情景導入智能手環、智能手表智能眼鏡、VR頭顯

……智能設備層出不窮（1）嵌入式系統是什么？（2）嵌入式系統由什么組成？5.1

嵌入式系統——常見的Linux開發板

5.1

嵌入式系統——智能手表

5.2

嵌入式系統概述——定義

關于嵌入式系統的定義有很多，較通俗的定義是指嵌入對象體系中的專用計算機系統。電氣與電子工程師協會（IEEE）對嵌入式系統的定義是：“嵌入式系統是控制、監視或者輔助設備、機器和工廠運行的裝置”。該定義是從應用的角度出發，強調嵌入式系統是一種完成特定功能的裝置，該裝置能夠在沒有人工干預的情況下獨立地進行實時監測和控制。我國對嵌入式系統定義為：嵌入式系統是以應用為中心，以現代計算機技術為基礎，能夠根據用戶需求（功能、可靠性、成本、體積、功耗、環境等）靈活裁剪軟硬件模塊的專用計算機系統。

專用性強：為特定用戶群設計，面向特定應用場景。小型化：高度集成，易于嵌入目標系統。實時性好：對生產控制、通信等實時響應要求高。可裁剪性好：硬件和軟件靈活可裁剪，性能優化。可靠性高：適應惡劣環境，任務涉及安全與機密。功耗低：滿足便攜設備低功耗需求。依賴開發平臺：需借助通用計算機進行開發。軟硬件協同設計：優化資源利用，提升性能與效率。5.3嵌入式系統——特點工業控制應用于工業自動化設備、數控機床、電力系統、石油化工等領域，提高生產效率和產品質量。交通管理GPS導航、流量控制、信息監測等。廣泛應用于運輸行業和車輛定位。信息家電智能化冰箱、空調等家電，實現遠程控制，引領智能家居生活。家庭智能管理智能水表、電表、防火防盜系統等，實現自動化與更高效的安全管理。公交通信與購物系統無接觸智能卡、電話卡、自動售貨機等智能終端，提升便捷支付體驗。環境與自然監測水文監測、防洪、水土監測、堤壩安全等無人監測系統。機器人微型化、高智能化機器人在工業和服務領域的廣泛應用。5.4嵌入式系統——在物聯網中的應用嵌入式系統由軟件系統和硬件系統兩部分組成，組成結構如圖所示。5.5嵌入式系統的組成5.5嵌入式系統的組成軟件部分對于使用操作系統的嵌入式系統來說，嵌入式系統軟件結構一般包含3個層面：應用層、OS層、驅動層。對于功能簡單僅包括應用程序的嵌入式系統一般不使用操作系統，僅有應用程序和設備驅動程序。硬件部分嵌入式系統基本硬件架構主要包括處理器、外圍電路及接口和外部設備三大部分。其中外圍電路一般包括時鐘、復位電路、程序存儲器、數據存儲器和電源模塊等部件。外部設備一般應配有USB、顯示器、鍵盤和其他設備等及接口電路。硬件架構的核心部件是微處理器，在一片嵌入式微處理器基礎上增加電源電路、時鐘電路和存儲器電路（ROM和RAM等），就構成了一個嵌入式核心控制模塊。5.6嵌入式系統的分類嵌入式普通微處理器功能類似普通微處理器，具有小體積、低功耗、低成本、高可靠性。主要型號：ARM、PowerPC、Motorola68000系列等。嵌入式微控制器集成計算機主要硬件于一塊芯片，含ROM、RAM、總線、計時器、I/O接口等。嵌入式數字信號處理器（DSP）專用于信號處理，支持數據/程序分離、硬件乘法器、流水線操作及DSP指令。嵌入式片上系統（SoC）集成多個功能模塊，適合大規模生產，成本遠低于傳統電路板系統。按字長分類微處理器按字長分為：4位、8位、16位、32位、64位。5.7嵌入式系統的典型代表——ARM處理器ARM處理器因其低功耗、高性能、廣泛適配性等特點，成為嵌入式系統的典型代表1.低功耗設計ARM處理器以低功耗著稱，非常適合嵌入式設備的移動和便攜要求，如智能手機、可穿戴設備等。2.高性能與低成本ARM架構在提供高性能的同時保持較低的成本，滿足嵌入式系統對性價比的需求。3.靈活性和擴展性ARM采用模塊化設計，支持定制化，方便開發者按不同需求選擇功能模塊，從而優化性能和功耗。4.廣泛的生態系統支持ARM架構在全球得到了廣泛的支持，擁有豐富的軟件、工具鏈以及第三方支持，開發效率高。5.應用廣泛消費電子：智能手機、平板電腦、智能電視。工業控制：傳感器、工業