高職高專物聯(lián)網(wǎng)智能家居實(shí)驗(yàn)室建設(shè)研究與思考

周 莉，方立剛，譚方勇，劉昭斌

（蘇州市職業(yè)大學(xué)，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(yù)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(jì)浪潮,受到各國(guó)政府、企業(yè)和學(xué)術(shù)界的重視,美國(guó)、歐盟、日本等甚至將其納入國(guó)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(luò)層、業(yè)務(wù)和應(yīng)用層三層。第一層負(fù)責(zé)采集物和物相關(guān)信息;第二層是異構(gòu)融合的泛在通信網(wǎng)絡(luò),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(luò)對(duì)采集到的物體信息進(jìn)行傳輸和處理;第三層是應(yīng)用和業(yè)務(wù),為手機(jī)、PC等各種終端設(shè)備提供感知信息的應(yīng)用服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)主要包括RFID技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)和檢測(cè)技術(shù)、WSN技術(shù)、智能技術(shù)、納米技術(shù)等。

智能家居將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)已成為勢(shì)不可擋的趨勢(shì)。這不僅僅是因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)可以提供更大的靈活性、流動(dòng)性,省去花在綜合布線上的費(fèi)用和精力,而且更因?yàn)樗霞彝ゾW(wǎng)絡(luò)的通訊特點(diǎn)。隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,必將大大促進(jìn)家庭網(wǎng)絡(luò)智能化的進(jìn)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(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，起到良好的引導(dǎo)效果；同時(shí)智能家居涵蓋多項(xiàng)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，提供多方位多視角深入學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的途徑。物聯(lián)網(wǎng)智能家居實(shí)驗(yàn)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(gè)組成部分。

二、智能家居實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)思路

針對(duì)智能家居展示和教學(xué)兩方面的考慮，整個(gè)實(shí)驗(yàn)室要求系統(tǒng)性地覆蓋傳感層、接入層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層等各個(gè)層次的主流技術(shù)，為學(xué)生提供全方位的學(xué)習(xí)視角，深入體會(huì)智能家居的實(shí)現(xiàn)方法。通過結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)方案，在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的過程中主要有以下考慮：

1.采用模塊化的設(shè)計(jì)模式，根據(jù)實(shí)際需求選配各種模塊組建實(shí)訓(xùn)環(huán)境，具有很強(qiáng)的靈活性并易于擴(kuò)展。

2.易操作，采用一體化的操作臺(tái)，集成監(jiān)控屏幕、傳感器、執(zhí)行器件、跳線、開關(guān)、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(jiǎn)便。

3.真正的“透明”教學(xué)：構(gòu)建直觀和形象的應(yīng)用場(chǎng)景，使學(xué)生可以直接體會(huì)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景；開放產(chǎn)品設(shè)計(jì)的軟硬件資源，配套詳細(xì)的教學(xué)試驗(yàn)文檔，讓學(xué)生以工程開發(fā)形式學(xué)習(xí)原理知識(shí)，融會(huì)貫通各個(gè)學(xué)科的知識(shí)，達(dá)到真正的學(xué)以致用。

三、實(shí)驗(yàn)室體系結(jié)構(gòu)

在整個(gè)智能家居實(shí)驗(yàn)室中Zigbee協(xié)調(diào)器整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的主控節(jié)點(diǎn)。Zigbee協(xié)調(diào)器帶有以太網(wǎng)接口，形成zigbee-以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，以太網(wǎng)接口可連接到移計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)器通過GPRSmodem可以連接到移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，從而支持手機(jī)、PC、筆記本電腦等遠(yuǎn)程監(jiān)控。

在智能家居的各個(gè)控制對(duì)象上布置Zigbee節(jié)點(diǎn)或者紅外感應(yīng)設(shè)備，采用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（zigbee）技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的采集，其中包括煙霧探測(cè)、紅外人體感應(yīng)、光照、可燃?xì)馓綔y(cè)等等，并實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)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(wú)線wifi攝像頭實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

四、主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

（一）內(nèi)容模塊的劃分

1.Zigbee組網(wǎng)。智能家居實(shí)驗(yàn)室采用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)zigbee實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸通信。具體的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括zigbee協(xié)調(diào)器、zigbee路由器、zigbee采集節(jié)點(diǎn)等。Zigbee組網(wǎng)類型包括星型網(wǎng)、樹狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)，實(shí)際的智能家居應(yīng)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(shí)訓(xùn)的角度出發(fā)，實(shí)驗(yàn)室提供三種類型的組網(wǎng)，以幫助學(xué)生充分學(xué)習(xí)了解zigbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

2.環(huán)境監(jiān)控。室內(nèi)溫濕度監(jiān)測(cè)及控制室內(nèi)光亮度監(jiān)測(cè)及控制等。可實(shí)現(xiàn)與家電設(shè)備等關(guān)聯(lián)監(jiān)測(cè)與控制，如當(dāng)監(jiān)測(cè)到室內(nèi)溫度高于30度時(shí)自動(dòng)打開空調(diào)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到室內(nèi)光照低于某一設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)打開燈光或窗簾等。

3.燈光、窗簾控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光的自動(dòng)化控制，并可創(chuàng)造任意的環(huán)境氛圍和燈光場(chǎng)景，如家庭影院的放映燈光、晚宴燈光、聚會(huì)燈光、讀報(bào)燈光，根據(jù)外界光線自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)燈光，根據(jù)不同時(shí)間段自動(dòng)調(diào)節(jié)燈光。對(duì)窗簾進(jìn)行智能控制和管理，可以用遙控、定時(shí)等多種智能控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)窗簾的開關(guān)、停止等控制，以及一鍵式場(chǎng)景效果的實(shí)現(xiàn)。

4.家電控制系統(tǒng)。把所有能控制的電器組成一個(gè)管理系統(tǒng)，除了可以實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的控制之外，還通過遙控、場(chǎng)景、定時(shí)、電話以及互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程等多種控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)電器的智能管理與控制。實(shí)現(xiàn)電視機(jī)、空調(diào)、冰箱、排風(fēng)扇等家電設(shè)備的自動(dòng)控制，能根據(jù)環(huán)境參數(shù)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)家電設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。

5.智能沙發(fā)。采用壓力傳感器，對(duì)沙發(fā)進(jìn)行改裝，安裝在沙發(fā)坐墊之下，當(dāng)有人坐到沙發(fā)上時(shí)，能自動(dòng)監(jiān)測(cè)并發(fā)送信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到該信號(hào)時(shí)，可設(shè)置自動(dòng)打開客廳燈光，打開電視機(jī)等功能。

6.智能安防。對(duì)人身安全、財(cái)產(chǎn)安全等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，發(fā)生入室盜竊、火災(zāi)、煤氣泄漏和緊急求助等情況時(shí)自動(dòng)撥打用戶設(shè)定的電話，及時(shí)播報(bào)險(xiǎn)情。數(shù)字智能網(wǎng)關(guān)能夠外接各種安防探測(cè)器（如紅外、門磁），如果發(fā)生警情，報(bào)警信息通過小區(qū)局域網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送給小區(qū)管理中心監(jiān)控主機(jī)，同時(shí)電話報(bào)警系統(tǒng)會(huì)將報(bào)警信息發(fā)送給業(yè)主或相關(guān)責(zé)任人；用戶可通過設(shè)定報(bào)警自動(dòng)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(bào)警時(shí)智能網(wǎng)關(guān)將通過文字和聲音提示用戶哪里發(fā)生報(bào)警；外出時(shí)，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(yuǎn)程視頻監(jiān)控。遠(yuǎn)程監(jiān)控整個(gè)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(jī)、PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控

8.寵物花鳥管家系統(tǒng)。采用zigbee傳感控制節(jié)點(diǎn)連接電磁閥，通過zigbee網(wǎng)絡(luò)可控制電磁閥放水、放食物等自動(dòng)控制。用戶可以遠(yuǎn)程通過Internet，按照自己預(yù)定的時(shí)間進(jìn)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(dòng)控制。保留所有燈及電器的原有手動(dòng)開關(guān)，不會(huì)因?yàn)榫植恐悄茉O(shè)備的故障，導(dǎo)致不能實(shí)現(xiàn)控制。

2.智能無(wú)線遙控。通過遙控器對(duì)所有的燈光、電器及安防的設(shè)備進(jìn)行智能遙控和一鍵式場(chǎng)景控制，實(shí)現(xiàn)全宅燈光及電器的開關(guān)、臨時(shí)定時(shí)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(luò)轉(zhuǎn)發(fā)器，實(shí)現(xiàn)本地及異地萬(wàn)能遙控。

3.一鍵情景控制。一鍵實(shí)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(guān)、電腦等實(shí)現(xiàn)“外出、在家、就餐、影院”等多種模式。

4.手機(jī)遠(yuǎn)程控制。通過GPRS信號(hào)實(shí)現(xiàn)用手機(jī)遠(yuǎn)程控制整個(gè)智能住宅系統(tǒng)功能，發(fā)送短信實(shí)現(xiàn)對(duì)住宅內(nèi)所有燈及各種電器的遠(yuǎn)程控制，離家時(shí)，忘記關(guān)燈或電器，發(fā)送短信就可實(shí)現(xiàn)全關(guān)，回家前，發(fā)個(gè)短信可以先把熱水器啟動(dòng)，空調(diào)打開；若配置了安防系統(tǒng)，則當(dāng)家里發(fā)生入室盜竊等各種險(xiǎn)情，安防系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)送報(bào)警信號(hào)。

5.Internet遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、操作、維護(hù)，即通過INTERNET網(wǎng)都可隨時(shí)了解家里燈及電器的開關(guān)狀態(tài)，根據(jù)需求，可進(jìn)行更改系統(tǒng)配置、定時(shí)管理事件等。

6.事件定時(shí)控制。個(gè)性化定義各種燈及電器的定時(shí)開關(guān)事件，通過一個(gè)事件管理模塊可設(shè)置多個(gè)事件，將每天、每月、甚至一年的各種事件設(shè)置進(jìn)去，充分滿足用戶的實(shí)際需求。如設(shè)置早上定時(shí)起床模式，晚上自動(dòng)關(guān)窗簾模式，還有出差模式等。

五、實(shí)踐環(huán)節(jié)的展開

實(shí)踐教學(xué)有四個(gè)環(huán)節(jié)：認(rèn)知性環(huán)節(jié)、基本實(shí)踐環(huán)節(jié)、結(jié)合實(shí)踐環(huán)節(jié)及設(shè)計(jì)性環(huán)節(jié)。

1.認(rèn)知性環(huán)節(jié)。通過實(shí)踐中的感性認(rèn)識(shí)，即參觀、講座、讓學(xué)生從感性上了解專業(yè)的現(xiàn)狀及未來(lái)的發(fā)展，從而增加對(duì)本專業(yè)的認(rèn)識(shí)和了解。

2.基本實(shí)踐環(huán)節(jié)。通過基本實(shí)驗(yàn)手段如使用智能家居，讓學(xué)生體會(huì)和應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)各項(xiàng)設(shè)備之間通信，深入智能家居的各個(gè)環(huán)節(jié)。

3.結(jié)合實(shí)踐環(huán)節(jié)。將本專業(yè)的核心課程與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，深入分析智能家居中無(wú)線傳感、智能處理、紅外通信、環(huán)境測(cè)試等多個(gè)部件的工作原理，開展基礎(chǔ)的調(diào)試與配置。

4.設(shè)計(jì)性環(huán)節(jié)。實(shí)踐環(huán)節(jié)的最高階段，是學(xué)科領(lǐng)域綜合，目的是為了鍛煉學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新力、綜合力。如，可以將智能家居實(shí)驗(yàn)室作為平臺(tái)，鼓勵(lì)學(xué)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(dòng)。

六、結(jié)束語(yǔ)

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(shù)體系，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將引發(fā)新一輪信息技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)革命，是信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的核心驅(qū)動(dòng)力。智能家居作為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一大亮點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用前景。

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