一種智能家居實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

龍浩

摘 要：針對傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中知識理解與綜合運(yùn)用的脫節(jié)問題，提出了一種開放性的智能家居實(shí)踐教學(xué)方案。該方案可通過各種遠(yuǎn)程終端，利用無線通信功能，結(jié)合傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和接入技術(shù)，對實(shí)驗(yàn)室中的傳感器及家電實(shí)現(xiàn)智能控制。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；實(shí)踐教學(xué)；智能家居；開放性

中圖分類號：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）12-0-02

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)已成為通信領(lǐng)域和傳感領(lǐng)域炙手可熱的研究方向，針對物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)和典型應(yīng)用的研究開發(fā)已成為各個(gè)高校和相關(guān)企業(yè)的重要工作，也成為各高校相關(guān)專業(yè)教學(xué)和科研的一個(gè)新方向。

為了能讓各高校的通信、信息、電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制和傳感技術(shù)等專業(yè)學(xué)生深A(yù)入了解物聯(lián)網(wǎng)的原理、實(shí)現(xiàn)方法及其典型應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本系統(tǒng)從物聯(lián)網(wǎng)的基本技術(shù)出發(fā)，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和射頻識別技術(shù)設(shè)計(jì)了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基本架構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)在智能家居方面的應(yīng)用案例。學(xué)生可以通過本系統(tǒng)深入學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)基本技術(shù)，并理解物聯(lián)網(wǎng)在各種典型應(yīng)用行業(yè)中的功能和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

1 系統(tǒng)總體方案

本文所設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體方案包括物聯(lián)網(wǎng)主從節(jié)點(diǎn)、RFID身份標(biāo)簽和實(shí)驗(yàn)軟件三部分，系統(tǒng)總體框架如圖1所示。物聯(lián)網(wǎng)主從節(jié)點(diǎn)共同組成網(wǎng)狀（Mesh）網(wǎng)絡(luò)以完成傳感器和RFID數(shù)據(jù)的無線傳輸。數(shù)據(jù)匯集至連接主節(jié)點(diǎn)的計(jì)算機(jī)，并由實(shí)驗(yàn)軟件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析功能。RFID標(biāo)簽分為兩類：設(shè)備身份標(biāo)簽和人員身份標(biāo)簽，設(shè)備身份標(biāo)簽在應(yīng)用案例中用來標(biāo)示物品和電器設(shè)施的身份，而人員身份標(biāo)簽則用以識別醫(yī)護(hù)類應(yīng)用案例中的病人物聯(lián)網(wǎng)主從節(jié)點(diǎn)之間的無線網(wǎng)絡(luò)，這是系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，既要求低功耗以增加節(jié)點(diǎn)在電池供電時(shí)的工作時(shí)間，又需在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)過程中確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴８鶕?jù)上述要求，我們選擇ZigBee作為主從節(jié)點(diǎn)間的無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee是一種短距離無線通信技術(shù)，其底層技術(shù)基于IEEE 802.15.4，相比于藍(lán)牙和WLAN，其具有功耗低及網(wǎng)絡(luò)容量大等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠方便地實(shí)現(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)。

智能家居案例通過傳感器采集家中各居室的溫度、光強(qiáng)度等信息，通過控制中心實(shí)現(xiàn)空調(diào)、熱水器、電燈和窗簾等室內(nèi)設(shè)備的全自動(dòng)運(yùn)行，展示了物聯(lián)網(wǎng)在家居環(huán)境中的應(yīng)用。

智能家居系統(tǒng)的PC控制交互界面如圖2所示。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

智能家居實(shí)驗(yàn)從功能上劃分，可分為數(shù)據(jù)采集、通信傳輸和控制查看三個(gè)部分，包括傳感器、傳感網(wǎng)以及傳感網(wǎng)接入等幾個(gè)方面。根據(jù)上述系統(tǒng)架構(gòu)，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為以下部分：終端設(shè)備組建、ARM網(wǎng)關(guān)開發(fā)和客戶端開發(fā)。如圖3所示。

3 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)引進(jìn)國內(nèi)外先進(jìn)科技， 集成綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、音視頻技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)和嵌入式系統(tǒng)，將家庭中的各種設(shè)備通過家庭網(wǎng)絡(luò)連接到一起，建立高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。系統(tǒng)功能如下：

3.1 便捷的生活服務(wù)

（1）智能無線遙控系統(tǒng)

自學(xué)習(xí)式智能遙控器可實(shí)現(xiàn)對所有電器、燈光、窗簾和部分環(huán)境設(shè)備的遙控，以及一鍵式場景控制。

（2）環(huán)境監(jiān)測與采集系統(tǒng)

環(huán)境監(jiān)測與家電控制子網(wǎng)關(guān)，可隨時(shí)獲取和上傳家庭的光照、溫度、濕度、噪音、煙霧、有害氣體等信息；同時(shí)還能代為控制智能遙控器。

（3）抄表系統(tǒng)

使用RS 485/WiFi來實(shí)現(xiàn)電表氣表的讀取。

（4）電力線系統(tǒng)

使用繼電器與電力線載波控制器能夠通過電力線傳播控制信號，從而免去了布線之苦。

3.2 安心的環(huán)境監(jiān)測

（1）環(huán)境感知

有害氣體、煙霧、煤氣傳感器可通過子網(wǎng)關(guān)控制器采集。

（2）安防門禁

a.可采用RFID卡系統(tǒng)確認(rèn)來客身份；

b.可運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)提供局域網(wǎng)視頻訪問和廣域網(wǎng)圖片訪問；

c.文件服務(wù)器用于存儲(chǔ)視頻監(jiān)控錄像。

3.3 和諧的人機(jī)交互

（1）大屏幕交互

智能電視和投影儀可以接受服務(wù)器調(diào)用，及時(shí)向住戶推送消息。

（2）語音交互

a.通過手機(jī)或麥克風(fēng)，可向服務(wù)中心請求簡單的命令；

b.音響系統(tǒng)能夠以語音方式告知控制結(jié)果，或是主動(dòng)提醒用戶。

（3）機(jī)器人

機(jī)器人具有自主移動(dòng)功能，內(nèi)置攝像頭，能夠監(jiān)控移動(dòng)視頻信息，也能夠和住戶進(jìn)行語音交互，并控制家電等。

3.4 體貼的健康服務(wù)

（1）健康設(shè)備的開發(fā)與接入

設(shè)備能采集心電圖、血壓、血糖等信息，并上傳到服務(wù)器。

（2）健身監(jiān)查設(shè)備

該設(shè)備可以記錄住戶一天的運(yùn)動(dòng)量，上傳到服務(wù)器。

（3）健康信息提醒

可將提醒信息推送到手機(jī)。

（4）健康交互中心

使用創(chuàng)維電視作為健康設(shè)備的控制與信息采集中心。

3.5 自發(fā)的智能服務(wù)

（1）基礎(chǔ)

服務(wù)基礎(chǔ)是以狀態(tài)參量為基礎(chǔ)的聯(lián)動(dòng)和服務(wù)計(jì)算。

（2）服務(wù)發(fā)布網(wǎng)關(guān)

a.可將家庭服務(wù)發(fā)布到Internet，以供手機(jī)、PC等訪問；

b.可提供語音、圖像等高級服務(wù)；

c.可為服務(wù)計(jì)算服務(wù)器組提供狀態(tài)數(shù)據(jù)。

（3）服務(wù)計(jì)算服務(wù)器組

a.收集信息到數(shù)據(jù)庫，并不斷提取服務(wù)信息進(jìn)行計(jì)算，修正服務(wù)中的異常行為。用于安防、節(jié)電、關(guān)戶等。例如，來客登記數(shù)和ID卡數(shù)量不符，有人時(shí)家里光照過暗，無人時(shí)卻有家電工作，環(huán)境參量、人體參數(shù)、住戶運(yùn)動(dòng)量異常等；

b.視頻幀處理服務(wù)器可檢查生物入侵，監(jiān)控貴重物品位置等；

c.提醒推送服務(wù)器可自定義規(guī)則庫，可定時(shí)提醒或規(guī)則觸發(fā)提醒。

3.6 RFID感知服務(wù)

（1）信息感知系統(tǒng)

給家中的每個(gè)設(shè)備貼上標(biāo)簽，系統(tǒng)能夠感知到家庭設(shè)備的上下文信息。

（2）定位系統(tǒng)

三個(gè)固定的RFID節(jié)點(diǎn)利用三角形法和指紋位置方法得出未知RFID信源坐標(biāo)。

4 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)和智能家居技術(shù)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，本文結(jié)合二者為物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)開發(fā)實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)。本教學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了短信、軟件、手動(dòng)三種方式控制家電。系統(tǒng)具有自動(dòng)搜索下位機(jī)設(shè)備、自動(dòng)組網(wǎng)的特點(diǎn)。系統(tǒng)啟動(dòng)播報(bào)歡迎語音，軟件界面形象生動(dòng)，并且可進(jìn)行多種全面的實(shí)驗(yàn)，滿足物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的教學(xué)和科研需求，通過本系統(tǒng)教學(xué)，學(xué)生可以掌握設(shè)備綜合布線技術(shù)（網(wǎng)絡(luò)知識），家電控制技術(shù)（嵌入式），環(huán)境信息采集技術(shù)（傳感器網(wǎng)絡(luò)），網(wǎng)關(guān)綜合技術(shù)，遠(yuǎn)程控制技術(shù)（網(wǎng)站），異構(gòu)組網(wǎng)技術(shù)（WiFi，BT，ZigBee，RF，PLC，串口），安防監(jiān)控系統(tǒng)（圖像，視頻），RFID應(yīng)用，人機(jī)交互技術(shù)等（平板，手機(jī)，M2M）。

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