高校智能家居物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室建設(shè)研究

李林林+孫良旭+吳建勝+王剛+劉國(guó)莉

摘 要： 智能家居是與人們?nèi)粘Ｉ铌P(guān)系最密切的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，也是非常好的大學(xué)生創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目。但很多高?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有足夠的軟硬件環(huán)境支持，嚴(yán)重影響了學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的學(xué)習(xí)和實(shí)踐。本文根據(jù)智能家居需求，設(shè)計(jì)了以智能家居為背景的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案，描述了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、軟硬件開(kāi)發(fā)環(huán)境、通信協(xié)議、硬件模塊，并進(jìn)行了部署測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)智能家居的一般需求。通過(guò)開(kāi)放軟硬件平臺(tái)，可以滿足教師進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)和學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)的需要。

關(guān)鍵詞： 高校； 智能家居； 物聯(lián)網(wǎng)； 實(shí)驗(yàn)室

中圖分類號(hào)：TP391.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2017）11-23-03

Research on the construction of smart home IoT application laboratory in universities

Li Linlin1， Sun Liangxu1， Wu Jiansheng1， Wang Gang1， Liu Guoli2

（1. School of Software， University of Science and Technology Liaoning， Anshan， Liaoning 114051， China；

2. School of Science， University of Science and Technology Liaoning）

Abstract： Smart home is an IoT（Internet of Things）application most closed to people's daily life， and is also a very good innovation and entrepreneurship project for students. However， many colleges and universities do not have enough support to software and hardware environment， which has seriously affected the student in the learning and practice of IoT technology. According to the requirements of smart home， this paper designs a laboratory construction scheme of IoT technology for smart home application， describes the system network topology， development environment of software and hardware， hardware modules etc.， and completes the deployment test. It is proved that the system can satisfy the normal requirements of smart home. The open platform of software and hardware can meet the IoT teaching and studying requirements of teachers and students.

Key words： university； smart home； IoT； laboratory

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things， IoT）實(shí)現(xiàn)了物理設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、智能設(shè)備、建筑物和嵌入式設(shè)備之間的互聯(lián)。通過(guò)嵌入設(shè)備中的電子器件、軟件、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)采集和交換。2013年物聯(lián)網(wǎng)全局標(biāo)準(zhǔn)倡議組（IoT-GSI）定義物聯(lián)網(wǎng)為信息社會(huì)的基礎(chǔ)設(shè)施。很多學(xué)者將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和設(shè)計(jì)相結(jié)合進(jìn)行了研究[1-3]。智能家居是對(duì)智能建筑里與居住需求有關(guān)的擴(kuò)展，包括光照、溫度、通風(fēng)、空調(diào)和安全控制，還包括通過(guò)Wi-Fi進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的家電。系統(tǒng)一般包括交換機(jī)和傳感器，有時(shí)候連接到網(wǎng)關(guān)。通過(guò)網(wǎng)關(guān)提供的用戶接口，通過(guò)網(wǎng)關(guān)應(yīng)用、移動(dòng)手機(jī)APP，PC網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制。很多學(xué)者針對(duì)智能家居物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用也進(jìn)行了研究[4-6]。除了智能家居之外，其他物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用也成為研究熱點(diǎn)，例如智慧農(nóng)業(yè)[7]。

國(guó)務(wù)院出臺(tái)了大力推進(jìn)大眾創(chuàng)業(yè)萬(wàn)眾創(chuàng)新若干政策措施的意見(jiàn)，各個(gè)高校積極響應(yīng)，面對(duì)本科生和研究生，大力開(kāi)展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動(dòng)。創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動(dòng)會(huì)遇到一些問(wèn)題。

⑴ 遇到的問(wèn)題

① 研究課題的相關(guān)技術(shù)缺乏先進(jìn)性，不能與當(dāng)下最新的研究熱點(diǎn)和流行技術(shù)，甚至未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)相結(jié)合。

② 研究課題的內(nèi)容缺乏具體應(yīng)用背景，不能將理論研究應(yīng)用到工程實(shí)踐中，解決生產(chǎn)生活實(shí)際問(wèn)題。

③ 研究課題的軟硬件環(huán)境支持有限，尤其是硬件，嚴(yán)重影響了課題開(kāi)展的可行性和可操作性，部分研究?jī)?nèi)容無(wú)法有效開(kāi)展。

④ 研究課題的研究方法更多采用理論推導(dǎo)結(jié)合模擬仿真的方式，研究成果是否適合實(shí)際問(wèn)題難以確定，實(shí)際應(yīng)用可能出現(xiàn)的問(wèn)題，并沒(méi)有得到研究和解決。

本文提出高校智能家居物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室建設(shè)研究課題，為有效地解決上述問(wèn)題提供了解決方案。

⑵ 解決問(wèn)題的思路

① 智能家居是以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是當(dāng)下最流行的技術(shù)，無(wú)論學(xué)術(shù)界還是工業(yè)界都已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)，是未來(lái)發(fā)展的基礎(chǔ)支撐技術(shù)。

② 智能家居是典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，涉及目前主流多種IT技術(shù)，同時(shí)與人們生活密切相關(guān)，在實(shí)際使用中存在大量問(wèn)題，可以作為非常好的研究背景。endprint

③ 智能家居實(shí)驗(yàn)室可以提供豐富的軟硬件資源，為智能家居及其他物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研發(fā)提供有力支持。

④ 智能家居實(shí)驗(yàn)室可以提供功能完整的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)箱和開(kāi)發(fā)板、各種類型的傳感器和其他監(jiān)控設(shè)備，同時(shí)提供有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)支持。所有的研發(fā)直接在物理設(shè)備上進(jìn)行，直接解決實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題，研究成果可以直接應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目中。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要包括智能控制單元、環(huán)境安防單元、家電遙控單元、電動(dòng)窗簾單元、門禁單元、燈光報(bào)警單元。

智能控制單元提供應(yīng)用程序，使用ZigBee、GSM/GPRS、視頻和RS485不同類型的協(xié)議和信號(hào)，實(shí)現(xiàn)門窗控制、環(huán)境監(jiān)控、家電控制、智能燈光、視頻監(jiān)控和短信控制，同時(shí)還可以進(jìn)行系統(tǒng)信息配置，主要包括電話設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、模式設(shè)置、燈光學(xué)習(xí)、萬(wàn)能遙控、報(bào)警圖片、報(bào)警記錄和GPRS 記錄。除了能夠進(jìn)行本地控制之外，單元還提供通過(guò)PC終端Web和Android手機(jī)APP，采用Wi-Fi、3G、4G通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)上述功能的遠(yuǎn)程控制。

環(huán)境安防單元包括溫濕度、光照檢測(cè)、水浸檢測(cè)、震動(dòng)檢測(cè)、紅外柵欄、人體感應(yīng)、煙霧檢測(cè)和可燃?xì)怏w檢測(cè)不同類型的傳感器。通過(guò)ZigBee協(xié)議與智能控制單元進(jìn)行通信，上傳傳感器數(shù)據(jù)到智能控制單元。除此之外，還包括云臺(tái)攝像機(jī)，通過(guò)RS485協(xié)議與智能控制單元進(jìn)行視頻信號(hào)通信，實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控。

家電遙控單元包括紅外轉(zhuǎn)發(fā)器。通過(guò)ZigBee協(xié)議與智能控制單元進(jìn)行通信。當(dāng)智能控制單元執(zhí)行家電遙控指令時(shí)，根據(jù)預(yù)先學(xué)習(xí)的家電遙控指令與紅外數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，下載家電遙控紅外數(shù)據(jù)到家電遙控單元，通過(guò)紅外轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)到家電設(shè)備，實(shí)現(xiàn)家電遙控。

電動(dòng)窗簾單元包括窗簾控制器。其控制方式與家電遙控單元類似，預(yù)先學(xué)習(xí)電動(dòng)窗簾遙控指令與紅外數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，由紅外轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)紅外數(shù)據(jù)到窗簾控制器，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)窗簾控制。

門禁單元包括門磁、電磁鎖、門禁機(jī)和出門按鈕。其中門磁和電磁鎖支持通過(guò)ZigBee協(xié)議與智能控制單元進(jìn)行通信，上傳門磁狀態(tài)和下載電磁鎖命令。

燈光報(bào)警單元包括緊急按鈕、調(diào)色燈和報(bào)警燈。調(diào)色燈控制方式與家電遙控單元類似，預(yù)先學(xué)習(xí)調(diào)色燈遙控指令與紅外數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，由紅外轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)紅外數(shù)據(jù)到調(diào)色燈，實(shí)現(xiàn)調(diào)色燈控制。緊急按鈕和報(bào)警燈控制方式與門禁單元的門磁和電磁鎖類似，通過(guò)ZigBee協(xié)議與智能控制單元進(jìn)行通信，上傳緊急按鈕狀態(tài)和下載報(bào)警燈命令。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 智能控制單元

智能控制單元使用Cortex-A8開(kāi)發(fā)板，預(yù)裝嵌入式Linux操作系統(tǒng)，內(nèi)核版本2.6.35.7。在Windows下安裝Qt Creator、MinGW和Qt-Opensource-Windows配置應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)環(huán)境。軟件開(kāi)發(fā)采用客戶端/服務(wù)器模式，客戶端與服務(wù)器之間通信遵循Linux Socket協(xié)議。數(shù)據(jù)包格式如表1所示。

SOF：值為0xFC，標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)開(kāi)始。

CMD：命令。

LEN：DATA域?qū)嶋H長(zhǎng)度。

FCS：校驗(yàn)和，從CMD域到DATA域進(jìn)行異或校驗(yàn)計(jì)算。

系統(tǒng)設(shè)備分為傳感器設(shè)備和執(zhí)行器設(shè)備，均支持ZigBee控制。為了描述設(shè)備，定義設(shè)備節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)體如下：

typedef struct {

unsigned char NwkAddr[2]； //設(shè)備網(wǎng)絡(luò)地址

unsigned char DeviceType； //設(shè)備類型

unsigned char DeviceIndex； //設(shè)備編號(hào)

unsigned char DevicePosition； //設(shè)備位置

unsigned int DeviceValue； //設(shè)備數(shù)據(jù)

unsigned char Res； //預(yù)留

} DeviceDesp，*pDeviceDesp；

客戶端連接服務(wù)器后，服務(wù)器會(huì)自動(dòng)按照此條協(xié)議上報(bào)在線設(shè)備節(jié)點(diǎn)、離線設(shè)備節(jié)點(diǎn)、狀態(tài)變化設(shè)備節(jié)點(diǎn)給客戶端。數(shù)據(jù)包各域分別為：

0xFC、0x01、0x0a、在線設(shè)備DeviceDesp結(jié)構(gòu)體、校驗(yàn)和FCS

0xFC、0x02、0x0a、離線設(shè)備DeviceDesp結(jié)構(gòu)體、校驗(yàn)和FCS

0xFC、0x03、0x0a、狀態(tài)改變?cè)O(shè)備DeviceDesp結(jié)構(gòu)體、校驗(yàn)和FCS

客戶端連接服務(wù)器后，可以發(fā)送設(shè)備節(jié)點(diǎn)控制命令。數(shù)據(jù)包各域?yàn)椋?/p>

0xFC、0x04、0x0a、控制設(shè)備DeviceDesp結(jié)構(gòu)體、校驗(yàn)和FCS

2.2 傳感器感知類型單元

環(huán)境安防單元為傳感器感知類型單元。每個(gè)傳感器單元使用STM8S103FS的開(kāi)發(fā)板完成對(duì)傳感器環(huán)境數(shù)據(jù)的讀取和控制指令的寫入。同時(shí)在開(kāi)發(fā)板設(shè)計(jì)CC2530通訊模塊，實(shí)現(xiàn)與智能控制單元的ZigBee通信，完成數(shù)據(jù)和指令的傳遞，如圖2所示。

2.3 繼電器控制類型單元

家電遙控單元、電動(dòng)窗簾單元、門禁單元、燈光報(bào)警單元為繼電器控制類型單元。其設(shè)計(jì)與傳感器感知類型單元類似，只是將STM8S103FS引腳PD4作為IO繼電器控制引腳，取消引腳PD3接線。將控制設(shè)備與開(kāi)發(fā)板的繼電器控制端口P3進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)繼電器控制。

3 系統(tǒng)部署測(cè)試

3.1 智能控制單元控制程序下載

用串口線連接PC機(jī)與智能控制單元串口，以便在智能控制單元Linux系統(tǒng)啟動(dòng)后，對(duì)Linux系統(tǒng)進(jìn)行操作。將網(wǎng)線連接PC機(jī)與智能控制單元網(wǎng)口，以便通過(guò)TFTP協(xié)議將智能控制單元控制程序從PC機(jī)下載到智能控制單元。endprint

在Windows7系統(tǒng)中，打開(kāi)X-SHELL軟件，新建串口終端，選擇Serial方式，配置串口為COM1，波特率為115200。按下智能控制單元電源，系統(tǒng)上電，啟動(dòng)到Linux系統(tǒng)下。在PC機(jī)打開(kāi)TFTP32軟件啟動(dòng)TFTP服務(wù)器，將智能控制單元控制程序文件放入TFTP服務(wù)器根目錄下。在智能控制單元Linux系統(tǒng)下，使用tftp -g -r file ip命令下載控制程序文件，其中file為控制程序文件名，ip為PC機(jī)網(wǎng)口IP地址。如果控制程序文件為tar格式，需要進(jìn)行解壓，然后啟動(dòng)運(yùn)行控制程序。

3.2 智能控制單元控制程序測(cè)試

控制程序啟動(dòng)后，自動(dòng)通過(guò)ZigBee協(xié)議與環(huán)境安防單元、家電遙控單元、電動(dòng)窗簾單元、門禁單元和燈光報(bào)警單元進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)通信?？刂瞥绦蜻\(yùn)行界面如圖3所示，通過(guò)切換門窗、環(huán)境、家電、燈光、視頻和系統(tǒng)按鈕，完成環(huán)境信息的采集、家居設(shè)備的控制和系統(tǒng)參數(shù)配置。

4 結(jié)束語(yǔ)

高校學(xué)生在物聯(lián)網(wǎng)智能家居實(shí)驗(yàn)室中，在基礎(chǔ)軟件和硬件支持下，了解和熟悉了物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)理論和開(kāi)發(fā)技術(shù)，按照實(shí)際工程項(xiàng)目要求，首先收集整理智能家居業(yè)務(wù)需求，然后進(jìn)行軟件和硬件的設(shè)計(jì)，最后在實(shí)驗(yàn)室中真實(shí)模擬家居生活場(chǎng)景，進(jìn)行系統(tǒng)部署和測(cè)試，解決遇到的實(shí)際問(wèn)題。通過(guò)這樣類型的實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生既可以學(xué)習(xí)到理論知識(shí)和開(kāi)發(fā)技術(shù)，又能夠積累某種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景開(kāi)發(fā)和實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，解決高校學(xué)生開(kāi)展科研遇到的軟硬件環(huán)境、研究課題背景和技術(shù)先進(jìn)性等問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方案也可以為其他計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)課程提供軟硬件支持，提供一個(gè)開(kāi)放平臺(tái)，支持跨專業(yè)學(xué)習(xí)和研究。硬件的高損耗和低利用率是日后實(shí)驗(yàn)室建設(shè)有待解決的問(wèn)題，充分利用虛擬化等最新軟件技術(shù)和科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容組織，可以是解決該問(wèn)題的一種方法。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 曲娜，盛桂珍，楊海波. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室管

理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015.12：140-142

[2] 韓方珍，俞守華，方永美，徐東風(fēng)，肖媚燕.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的

實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015.12：238-240，259

[3] 吳蓬勃，李學(xué)海，楊斐，張金燕.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能實(shí)驗(yàn)室研究

與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015.3：78-85

[4] 胡軍，趙國(guó)軍.基于ZigBee的智能家居體驗(yàn)中心系統(tǒng)組網(wǎng)方

案[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016.5：130-133，235

[5] 楊璐，劉寶棟，王銀濤.基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)門窗

聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013.8：297-300，306

[6] 高同輝，劉東曉.智能家居實(shí)訓(xùn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)

與管理，2015.7：167-171

[7] 張偉，江瑩旭，阮艷鳳，季大夫.面向智慧農(nóng)業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與

實(shí)訓(xùn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015.5：161-164endprint