高職高專物聯(lián)網(wǎng)智能家居實驗室建設研究與思考

周 莉，方立剛，譚方勇，劉昭斌

（蘇州市職業(yè)大學，江蘇 蘇州 215104）

一、物聯(lián)網(wǎng)智能家居

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IoT)被預言為繼互聯(lián)網(wǎng)之后全球信息產(chǎn)業(yè)的又一次科技與經(jīng)濟浪潮,受到各國政府、企業(yè)和學術界的重視,美國、歐盟、日本等甚至將其納入國家和區(qū)域信息化戰(zhàn)略。

物聯(lián)網(wǎng)包含感知延伸層、網(wǎng)絡層、業(yè)務和應用層三層。第一層負責采集物和物相關信息;第二層是異構融合的泛在通信網(wǎng)絡,包括現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)、廣電網(wǎng)以及各種接入網(wǎng)和專用網(wǎng),通信網(wǎng)絡對采集到的物體信息進行傳輸和處理;第三層是應用和業(yè)務,為手機、PC等各種終端設備提供感知信息的應用服務。物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術主要包括RFID技術、傳感器網(wǎng)絡和檢測技術、WSN技術、智能技術、納米技術等。

智能家居將物聯(lián)網(wǎng)技術應用于家庭網(wǎng)絡已成為勢不可擋的趨勢。這不僅僅是因為物聯(lián)網(wǎng)可以提供更大的靈活性、流動性,省去花在綜合布線上的費用和精力,而且更因為它符合家庭網(wǎng)絡的通訊特點。隨著無線網(wǎng)絡技術的進一步發(fā)展,必將大大促進家庭網(wǎng)絡智能化的進程。智能家居貼近生活，提供最直觀的物聯(lián)網(wǎng)展示和感受，可大大激發(fā)學生的學習興趣，起到良好的引導效果；同時智能家居涵蓋多項物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術，提供多方位多視角深入學習物聯(lián)網(wǎng)技術的途徑。物聯(lián)網(wǎng)智能家居實驗室是高職高專開展物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教育必不可少的一個組成部分。

二、智能家居實驗室設計思路

針對智能家居展示和教學兩方面的考慮，整個實驗室要求系統(tǒng)性地覆蓋傳感層、接入層、網(wǎng)絡層、應用層等各個層次的主流技術，為學生提供全方位的學習視角，深入體會智能家居的實現(xiàn)方法。通過結合物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗實訓方案，在實驗室設計的過程中主要有以下考慮：

1.采用模塊化的設計模式，根據(jù)實際需求選配各種模塊組建實訓環(huán)境，具有很強的靈活性并易于擴展。

2.易操作，采用一體化的操作臺，集成監(jiān)控屏幕、傳感器、執(zhí)行器件、跳線、開關、監(jiān)控儀表、串口插槽等，并采用可視化的監(jiān)控軟件，界面友好，操作簡便。

3.真正的“透明”教學：構建直觀和形象的應用場景，使學生可以直接體會物聯(lián)網(wǎng)的應用場景；開放產(chǎn)品設計的軟硬件資源，配套詳細的教學試驗文檔，讓學生以工程開發(fā)形式學習原理知識，融會貫通各個學科的知識，達到真正的學以致用。

三、實驗室體系結構

在整個智能家居實驗室中Zigbee協(xié)調(diào)器整個網(wǎng)絡的主控節(jié)點。Zigbee協(xié)調(diào)器帶有以太網(wǎng)接口，形成zigbee-以太網(wǎng)網(wǎng)關，以太網(wǎng)接口可連接到移計算機網(wǎng)絡，服務器通過GPRSmodem可以連接到移動通信網(wǎng)絡，從而支持手機、PC、筆記本電腦等遠程監(jiān)控。

在智能家居的各個控制對象上布置Zigbee節(jié)點或者紅外感應設備，采用無線傳感網(wǎng)絡（zigbee）技術實現(xiàn)對傳感器節(jié)點的采集，其中包括煙霧探測、紅外人體感應、光照、可燃氣探測等等，并實現(xiàn)對電動窗簾系統(tǒng)、燈光、彩電、家庭影院、空調(diào)、熱水器、冰箱等的控制。此外，采用無線wifi攝像頭實現(xiàn)遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

四、主要實驗內(nèi)容

（一）內(nèi)容模塊的劃分

1.Zigbee組網(wǎng)。智能家居實驗室采用無線傳感網(wǎng)絡技術zigbee實現(xiàn)組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸通信。具體的網(wǎng)絡設備包括zigbee協(xié)調(diào)器、zigbee路由器、zigbee采集節(jié)點等。Zigbee組網(wǎng)類型包括星型網(wǎng)、樹狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)，實際的智能家居應用中，往往星型網(wǎng)就可以勝任系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸，但從物聯(lián)網(wǎng)實訓的角度出發(fā)，實驗室提供三種類型的組網(wǎng)，以幫助學生充分學習了解zigbee網(wǎng)絡技術。

2.環(huán)境監(jiān)控。室內(nèi)溫濕度監(jiān)測及控制室內(nèi)光亮度監(jiān)測及控制等?？蓪崿F(xiàn)與家電設備等關聯(lián)監(jiān)測與控制，如當監(jiān)測到室內(nèi)溫度高于30度時自動打開空調(diào)，當監(jiān)測到室內(nèi)光照低于某一設定值時，自動打開燈光或窗簾等。

3.燈光、窗簾控制系統(tǒng)。實現(xiàn)對燈光的自動化控制，并可創(chuàng)造任意的環(huán)境氛圍和燈光場景，如家庭影院的放映燈光、晚宴燈光、聚會燈光、讀報燈光，根據(jù)外界光線自動調(diào)節(jié)室內(nèi)燈光，根據(jù)不同時間段自動調(diào)節(jié)燈光。對窗簾進行智能控制和管理，可以用遙控、定時等多種智能控制方式實現(xiàn)對窗簾的開關、停止等控制，以及一鍵式場景效果的實現(xiàn)。

4.家電控制系統(tǒng)。把所有能控制的電器組成一個管理系統(tǒng)，除了可以實現(xiàn)對家電的控制之外，還通過遙控、場景、定時、電話以及互聯(lián)網(wǎng)遠程等多種控制方式實現(xiàn)對電器的智能管理與控制。實現(xiàn)電視機、空調(diào)、冰箱、排風扇等家電設備的自動控制，能根據(jù)環(huán)境參數(shù)，自動實現(xiàn)家電設備進行聯(lián)動控制。

5.智能沙發(fā)。采用壓力傳感器，對沙發(fā)進行改裝，安裝在沙發(fā)坐墊之下，當有人坐到沙發(fā)上時，能自動監(jiān)測并發(fā)送信號，當系統(tǒng)監(jiān)測到該信號時，可設置自動打開客廳燈光，打開電視機等功能。

6.智能安防。對人身安全、財產(chǎn)安全等進行實時監(jiān)控，發(fā)生入室盜竊、火災、煤氣泄漏和緊急求助等情況時自動撥打用戶設定的電話，及時播報險情。數(shù)字智能網(wǎng)關能夠外接各種安防探測器（如紅外、門磁），如果發(fā)生警情，報警信息通過小區(qū)局域網(wǎng)絡，發(fā)送給小區(qū)管理中心監(jiān)控主機，同時電話報警系統(tǒng)會將報警信息發(fā)送給業(yè)主或相關責任人；用戶可通過設定報警自動抓拍功能，抓拍的照片通過電子郵件發(fā)送給用戶；在發(fā)生報警時智能網(wǎng)關將通過文字和聲音提示用戶哪里發(fā)生報警；外出時，家中如有訪客，可通過留影留言功能讓您了解訪客的情況。

7.遠程視頻監(jiān)控。遠程監(jiān)控整個控制區(qū)域，旋轉(zhuǎn)攝像頭兼容Wi-Fi協(xié)議，不需要網(wǎng)線連接，可以在手機、PC機上實現(xiàn)遠程監(jiān)控

8.寵物花鳥管家系統(tǒng)。采用zigbee傳感控制節(jié)點連接電磁閥，通過zigbee網(wǎng)絡可控制電磁閥放水、放食物等自動控制。用戶可以遠程通過Internet，按照自己預定的時間進行寵物喂養(yǎng)、給植物噴水等操作，而不用回到家中。

（二）控制模式的選擇

1.手動控制。保留所有燈及電器的原有手動開關，不會因為局部智能設備的故障，導致不能實現(xiàn)控制。

2.智能無線遙控。通過遙控器對所有的燈光、電器及安防的設備進行智能遙控和一鍵式場景控制，實現(xiàn)全宅燈光及電器的開關、臨時定時等遙控，各種編址操作，4路一鍵式情景模式，配合數(shù)字網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)器，實現(xiàn)本地及異地萬能遙控。

3.一鍵情景控制。一鍵實現(xiàn)各種情景燈光及電器組合效果，可以用遙控器、智能開關、電腦等實現(xiàn)“外出、在家、就餐、影院”等多種模式。

4.手機遠程控制。通過GPRS信號實現(xiàn)用手機遠程控制整個智能住宅系統(tǒng)功能，發(fā)送短信實現(xiàn)對住宅內(nèi)所有燈及各種電器的遠程控制，離家時，忘記關燈或電器，發(fā)送短信就可實現(xiàn)全關，回家前，發(fā)個短信可以先把熱水器啟動，空調(diào)打開；若配置了安防系統(tǒng)，則當家里發(fā)生入室盜竊等各種險情，安防系統(tǒng)自動發(fā)送報警信號。

5.Internet遠程監(jiān)控。通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠程監(jiān)控、操作、維護，即通過INTERNET網(wǎng)都可隨時了解家里燈及電器的開關狀態(tài)，根據(jù)需求，可進行更改系統(tǒng)配置、定時管理事件等。

6.事件定時控制。個性化定義各種燈及電器的定時開關事件，通過一個事件管理模塊可設置多個事件，將每天、每月、甚至一年的各種事件設置進去，充分滿足用戶的實際需求。如設置早上定時起床模式，晚上自動關窗簾模式，還有出差模式等。

五、實踐環(huán)節(jié)的展開

實踐教學有四個環(huán)節(jié)：認知性環(huán)節(jié)、基本實踐環(huán)節(jié)、結合實踐環(huán)節(jié)及設計性環(huán)節(jié)。

1.認知性環(huán)節(jié)。通過實踐中的感性認識，即參觀、講座、讓學生從感性上了解專業(yè)的現(xiàn)狀及未來的發(fā)展，從而增加對本專業(yè)的認識和了解。

2.基本實踐環(huán)節(jié)。通過基本實驗手段如使用智能家居，讓學生體會和應用物聯(lián)網(wǎng)各項設備之間通信，深入智能家居的各個環(huán)節(jié)。

3.結合實踐環(huán)節(jié)。將本專業(yè)的核心課程與實驗相結合，深入分析智能家居中無線傳感、智能處理、紅外通信、環(huán)境測試等多個部件的工作原理，開展基礎的調(diào)試與配置。

4.設計性環(huán)節(jié)。實踐環(huán)節(jié)的最高階段，是學科領域綜合，目的是為了鍛煉學生的主動學習能力，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新力、綜合力。如，可以將智能家居實驗室作為平臺，鼓勵學生開發(fā)智能家居小模塊將其添加至智能家居中，并能夠?qū)崿F(xiàn)與其他組件的通信和互動。

六、結束語

物聯(lián)網(wǎng)概念是龐大和豐富的，其中涵蓋了大量現(xiàn)有的專業(yè)門類和技術體系，物聯(lián)網(wǎng)技術和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將引發(fā)新一輪信息技術革命和產(chǎn)業(yè)革命，是信息產(chǎn)業(yè)領域未來競爭的制高點和產(chǎn)業(yè)升級的核心驅(qū)動力。智能家居作為物聯(lián)網(wǎng)應用的一大亮點，有著廣闊的應用前景。

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