物聯網智能家居實訓系統的設計與實現

江進　王浩存

摘 要 隨著計算機技術、網絡技術和信息技術的不斷發展，智能家居已成為人們關注的話題。文章提出了一套基于物聯網的智能家居實訓系統的設計方案，闡述了系統的組成、功能以及特色。實訓系統支持智能家居設計、安裝、調試以及應用編程等多種方式來鍛煉師生的技術水平，是一套既能展示物聯網智能家居應用，又能掌握相應技能和知識的實訓系統。

【關鍵詞】物聯網 智能家居 設計與實現法

智能家居就是以住宅為平臺，兼備建筑、網絡通信、信息家電、設備自動化，集系統、結構、服務、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環保的居住環境。智能家居系統可以為您提供家電控制、照明控制、窗簾控制、電話遠程控制、室內外遙控、防盜報警、以及可編程定時控制等多種功能和手段，使您的生活更加舒適、便利和安全。筆者所在的課題組利用當前智能家居技術的新理念與技術，開發技術先進、性能卓越、實用性強的物聯網智能家居實現系統，并指導學生掌握其管理與維護技術。

1 物聯網智能家居實訓系統組成和內涵

物聯網智能家居實訓系統由智能照明、智能安防、人臉識別門禁、智能音響、智能冰箱、能耗監測、環境監測、智能窗簾等子系統，及物聯網應用上位機管理軟件組成，各子系統通過連接電纜進線連接，采用 ZigBee、wifi、3G 多種網絡技術傳輸傳感及控制信息。系統支持智能家居設計、安裝、調試以及應用編程等多種方式來鍛煉師生的技術水平，是一套既能展示物聯網智能家居應用，又能掌握相應技能和知識的實訓系統。

本開發平臺實現對物聯網三層（感知層，網絡層，應用層）的全方位技術運用，比較全面的兼顧了物聯網所涉及的各類技術，包括無線傳感器硬件、嵌入式軟件系統、Wifi、Internet 端應用軟件開發教學，設計提供了智能家居多個子系統的應用實訓，該系統所涉及到的技術主要包括：電子電路、2.4GHz 高頻通訊、ZigBee 無線網絡、無線傳感器、無線 SoC、嵌入式 ARM、UHF RFID 射頻識別、3G、Ethernet、服務端軟件開發。

開發平臺提供了功能強大的以 ARM 處理器為內核的網關硬件和自主研發的網關核心軟件，不僅能完成多種無線網絡管理，傳感器和射頻識別信息處理，而且可以通過不同無線和有線網絡路徑，將數據傳輸到上位機管理平臺，并存入數據庫，支持遠程訪問，并運用虛擬技術仿真智能家居場景及設備解決場地及設備制約因素。

2 系統功能

針對職院學生，主要鍛煉的是學生的動手能力和實際操作的技能。學生可以根據自己的設計想法改變模擬房間內環境，也可以通過一體式計算機通過因特網訪問房間內自動化服務器，對智能設備、視頻監控等遠程控制、訪問。該裝置能進行智能家居系統設計、線路的設計與連接、調試、故障排除、系統配置等實驗和實訓。

在打分環節考慮到人為因素對比賽結果的影響，在系統中，特別設計了自動評分功能，對各個系統網絡連通性、電源接線、軟件配置進行自動化檢測，為實訓成績提供客觀的依據。

2.1 智能照明

包括智能照明管理軟件模塊、燈控模塊/調光模塊、通信模塊、燈具，通過和網關通信，支持本地控制和管理軟件遠程控制，本地可以設置感應開/關閉，并和光敏檢測模塊聯動，實現自動化。

2.2 智能安防

包括智能安防管理軟件模塊、窗磁、煙霧感應器、主動紅外入侵探測器、攝像機、雙鑒探測器對非法入侵、火情、煙塵等監測，針對突發事件做出緊急處理，與 GSM/GPRS 短息貓聯動，當發現有異常時攝像機自動截取畫面并發送消息至指定手機或報警。

2.3 人臉識別門禁

人臉識別門禁系統由主人臉識別門禁機、門禁控制器和電鎖組成（聯網時外加電腦和網絡通訊設備），使用方式屬非接觸方式，出入人只要在人臉識別門禁機附近（30-80 厘米）晃動一次，人臉識別門禁機就能將識別結果發送到門禁控制器上，然后由門禁控制器進行檢查核對合法性，決定是否進行開門動作。整個過程只要在有效的使用范圍內均可實現門禁管理功能。人臉識別門禁機安裝門邊墻內外，而不影響其工作。

人臉作為每個人身體的一部分、不能復制、安全可靠。并通過網絡與電腦進行實時監控（可由電腦發指令開/關所有門，并可實時查看所有門的狀態）、數據處理、查詢、報表輸出等。

2.4 智能音響

包括智能音響管理軟件模塊、情景音樂系統主機、高保真音箱，通過軟件平臺來控制音樂的播放。

2.5 智能冰箱

包括智能冰箱管理軟件模塊、RFID 讀寫器、食物冷藏柜。通過 RFID 技術實現食物管理功能，通過 PC管理平臺訪問，配合食品圖示，能看到冰箱內的食物信息，食品提醒設置，一旦冰箱內食物短缺或過期，就會發送短息到指定手機。

2.6 能耗監測

包括能耗管理軟件模塊、智能插座、能耗統計模塊。通過智能插座實現所有電器通過數據采集終端，無線網絡，實現無線抄表、管理功能。可以定制統計分析功能，并通過監控系統控制臺、智能手機實現可視化查看和管理，體現綠色節能理念。

2.7 環境監測

本系統包括環境監測管理軟件模塊、溫濕度、光敏無線通信模塊。實現溫度、濕度、光敏等監測，針對環境參數設備智能開啟相關設備自動調節環境溫濕度或與其他系統進行聯動，對突發事件做出緊急處理。

2.8 智能窗簾

本系統包括智能窗簾管理軟件模塊、窗簾控制器、電動窗簾，通過和網關通信，支持本地和管理軟件遠程控制， 本地可以設置感應開/關閉，并和光敏檢測模塊聯動，實現自動化。

2.9 上位機管理軟件

系統包括照明、窗簾、能耗、電器、安防、環境監測、實訓評估模塊，本實訓管理平臺是以上各個系統的一個綜合性、集中管理平臺。內容包括：系統的實時狀態查看、遠程控制、數據存儲、統計分析、參數設置、預警。如圖1所示。

3 系統特色

真實的家居環境需要投入大量的人力物力，從實訓的角度來說，需要耗費大量的時間和經歷建造樣板房，投入巨大。因此，設計采用模擬家居環境的智能家居系統，將涉及到的應用及控制模塊和設備安裝部署在可收縮的網孔板機柜上，減少對空間的占用，并可應用于以后的實訓教學中。

智能家居實訓系統安裝在一個網孔板機柜上，可以收攏展開，展開后尺寸為 2.4m*0.8m*1.9m（長*寬*高），收攏后尺寸為 0.8m*0.8m*1.9m（長*寬*高），實訓設備可以自由安裝，具有很大的靈活性。

各系統的控制模塊均安裝在 86 盒內，可靈活部署在網孔板的任意位置，方便師生根據自己的設計完成施工。

4 總結

本文介紹了一個物聯網智能家居實訓系統的設計與實現，系統中模擬了智能家居中的部分場景，并在實驗室環境中做了大量的模擬測試，程序運行良好。總之，進行基于 ZigBee 技術的物聯網智能家居系統的設計分析，有利于提升基于物聯網智能家居系統設計水平，促進在實際中的推廣應用，具有積極作用和價值意義。

參考文獻

[1]沈彤，朱昊，胡靜，宋鐵成.物聯網智能家居系統演示平臺的設計與實現[J].南京師范大學學報（工程技術版），2013（01）.

[2]向忠宏.智能家居[M].北京：人民郵電出版社.2002.

[3]陳龍濤，羅桂娥，周衛等.基于ZigBee 技術智能家居系統的研究與設計[J].微型機與應用，2010.29（20）：100-102.

作者簡介

江進（1981-），男，江蘇省句容市人。碩士學位。現為江蘇農林職業技術學院信息工程系教師。研究方向為計算機技術。

作者單位

江蘇農林職業技術學院 江蘇省句容市 212400

摘 要 隨著計算機技術、網絡技術和信息技術的不斷發展，智能家居已成為人們關注的話題。文章提出了一套基于物聯網的智能家居實訓系統的設計方案，闡述了系統的組成、功能以及特色。實訓系統支持智能家居設計、安裝、調試以及應用編程等多種方式來鍛煉師生的技術水平，是一套既能展示物聯網智能家居應用，又能掌握相應技能和知識的實訓系統。

【關鍵詞】物聯網 智能家居 設計與實現法

智能家居就是以住宅為平臺，兼備建筑、網絡通信、信息家電、設備自動化，集系統、結構、服務、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環保的居住環境。智能家居系統可以為您提供家電控制、照明控制、窗簾控制、電話遠程控制、室內外遙控、防盜報警、以及可編程定時控制等多種功能和手段，使您的生活更加舒適、便利和安全。筆者所在的課題組利用當前智能家居技術的新理念與技術，開發技術先進、性能卓越、實用性強的物聯網智能家居實現系統，并指導學生掌握其管理與維護技術。

1 物聯網智能家居實訓系統組成和內涵

物聯網智能家居實訓系統由智能照明、智能安防、人臉識別門禁、智能音響、智能冰箱、能耗監測、環境監測、智能窗簾等子系統，及物聯網應用上位機管理軟件組成，各子系統通過連接電纜進線連接，采用 ZigBee、wifi、3G 多種網絡技術傳輸傳感及控制信息。系統支持智能家居設計、安裝、調試以及應用編程等多種方式來鍛煉師生的技術水平，是一套既能展示物聯網智能家居應用，又能掌握相應技能和知識的實訓系統。

本開發平臺實現對物聯網三層（感知層，網絡層，應用層）的全方位技術運用，比較全面的兼顧了物聯網所涉及的各類技術，包括無線傳感器硬件、嵌入式軟件系統、Wifi、Internet 端應用軟件開發教學，設計提供了智能家居多個子系統的應用實訓，該系統所涉及到的技術主要包括：電子電路、2.4GHz 高頻通訊、ZigBee 無線網絡、無線傳感器、無線 SoC、嵌入式 ARM、UHF RFID 射頻識別、3G、Ethernet、服務端軟件開發。

開發平臺提供了功能強大的以 ARM 處理器為內核的網關硬件和自主研發的網關核心軟件，不僅能完成多種無線網絡管理，傳感器和射頻識別信息處理，而且可以通過不同無線和有線網絡路徑，將數據傳輸到上位機管理平臺，并存入數據庫，支持遠程訪問，并運用虛擬技術仿真智能家居場景及設備解決場地及設備制約因素。

2 系統功能

針對職院學生，主要鍛煉的是學生的動手能力和實際操作的技能。學生可以根據自己的設計想法改變模擬房間內環境，也可以通過一體式計算機通過因特網訪問房間內自動化服務器，對智能設備、視頻監控等遠程控制、訪問。該裝置能進行智能家居系統設計、線路的設計與連接、調試、故障排除、系統配置等實驗和實訓。

在打分環節考慮到人為因素對比賽結果的影響，在系統中，特別設計了自動評分功能，對各個系統網絡連通性、電源接線、軟件配置進行自動化檢測，為實訓成績提供客觀的依據。

2.1 智能照明

包括智能照明管理軟件模塊、燈控模塊/調光模塊、通信模塊、燈具，通過和網關通信，支持本地控制和管理軟件遠程控制，本地可以設置感應開/關閉，并和光敏檢測模塊聯動，實現自動化。

2.2 智能安防

包括智能安防管理軟件模塊、窗磁、煙霧感應器、主動紅外入侵探測器、攝像機、雙鑒探測器對非法入侵、火情、煙塵等監測，針對突發事件做出緊急處理，與 GSM/GPRS 短息貓聯動，當發現有異常時攝像機自動截取畫面并發送消息至指定手機或報警。

2.3 人臉識別門禁

人臉識別門禁系統由主人臉識別門禁機、門禁控制器和電鎖組成（聯網時外加電腦和網絡通訊設備），使用方式屬非接觸方式，出入人只要在人臉識別門禁機附近（30-80 厘米）晃動一次，人臉識別門禁機就能將識別結果發送到門禁控制器上，然后由門禁控制器進行檢查核對合法性，決定是否進行開門動作。整個過程只要在有效的使用范圍內均可實現門禁管理功能。人臉識別門禁機安裝門邊墻內外，而不影響其工作。

人臉作為每個人身體的一部分、不能復制、安全可靠。并通過網絡與電腦進行實時監控（可由電腦發指令開/關所有門，并可實時查看所有門的狀態）、數據處理、查詢、報表輸出等。

2.4 智能音響

包括智能音響管理軟件模塊、情景音樂系統主機、高保真音箱，通過軟件平臺來控制音樂的播放。

2.5 智能冰箱

包括智能冰箱管理軟件模塊、RFID 讀寫器、食物冷藏柜。通過 RFID 技術實現食物管理功能，通過 PC管理平臺訪問，配合食品圖示，能看到冰箱內的食物信息，食品提醒設置，一旦冰箱內食物短缺或過期，就會發送短息到指定手機。

2.6 能耗監測

包括能耗管理軟件模塊、智能插座、能耗統計模塊。通過智能插座實現所有電器通過數據采集終端，無線網絡，實現無線抄表、管理功能。可以定制統計分析功能，并通過監控系統控制臺、智能手機實現可視化查看和管理，體現綠色節能理念。

2.7 環境監測

本系統包括環境監測管理軟件模塊、溫濕度、光敏無線通信模塊。實現溫度、濕度、光敏等監測，針對環境參數設備智能開啟相關設備自動調節環境溫濕度或與其他系統進行聯動，對突發事件做出緊急處理。

2.8 智能窗簾

本系統包括智能窗簾管理軟件模塊、窗簾控制器、電動窗簾，通過和網關通信，支持本地和管理軟件遠程控制， 本地可以設置感應開/關閉，并和光敏檢測模塊聯動，實現自動化。

2.9 上位機管理軟件

系統包括照明、窗簾、能耗、電器、安防、環境監測、實訓評估模塊，本實訓管理平臺是以上各個系統的一個綜合性、集中管理平臺。內容包括：系統的實時狀態查看、遠程控制、數據存儲、統計分析、參數設置、預警。如圖1所示。

3 系統特色

真實的家居環境需要投入大量的人力物力，從實訓的角度來說，需要耗費大量的時間和經歷建造樣板房，投入巨大。因此，設計采用模擬家居環境的智能家居系統，將涉及到的應用及控制模塊和設備安裝部署在可收縮的網孔板機柜上，減少對空間的占用，并可應用于以后的實訓教學中。

智能家居實訓系統安裝在一個網孔板機柜上，可以收攏展開，展開后尺寸為 2.4m*0.8m*1.9m（長*寬*高），收攏后尺寸為 0.8m*0.8m*1.9m（長*寬*高），實訓設備可以自由安裝，具有很大的靈活性。

各系統的控制模塊均安裝在 86 盒內，可靈活部署在網孔板的任意位置，方便師生根據自己的設計完成施工。

4 總結

本文介紹了一個物聯網智能家居實訓系統的設計與實現，系統中模擬了智能家居中的部分場景，并在實驗室環境中做了大量的模擬測試，程序運行良好。總之，進行基于 ZigBee 技術的物聯網智能家居系統的設計分析，有利于提升基于物聯網智能家居系統設計水平，促進在實際中的推廣應用，具有積極作用和價值意義。

參考文獻

[1]沈彤，朱昊，胡靜，宋鐵成.物聯網智能家居系統演示平臺的設計與實現[J].南京師范大學學報（工程技術版），2013（01）.

[2]向忠宏.智能家居[M].北京：人民郵電出版社.2002.

[3]陳龍濤，羅桂娥，周衛等.基于ZigBee 技術智能家居系統的研究與設計[J].微型機與應用，2010.29（20）：100-102.

作者簡介

江進（1981-），男，江蘇省句容市人。碩士學位。現為江蘇農林職業技術學院信息工程系教師。研究方向為計算機技術。

作者單位

江蘇農林職業技術學院 江蘇省句容市 212400

摘 要 隨著計算機技術、網絡技術和信息技術的不斷發展，智能家居已成為人們關注的話題。文章提出了一套基于物聯網的智能家居實訓系統的設計方案，闡述了系統的組成、功能以及特色。實訓系統支持智能家居設計、安裝、調試以及應用編程等多種方式來鍛煉師生的技術水平，是一套既能展示物聯網智能家居應用，又能掌握相應技能和知識的實訓系統。

【關鍵詞】物聯網 智能家居 設計與實現法

智能家居就是以住宅為平臺，兼備建筑、網絡通信、信息家電、設備自動化，集系統、結構、服務、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環保的居住環境。智能家居系統可以為您提供家電控制、照明控制、窗簾控制、電話遠程控制、室內外遙控、防盜報警、以及可編程定時控制等多種功能和手段，使您的生活更加舒適、便利和安全。筆者所在的課題組利用當前智能家居技術的新理念與技術，開發技術先進、性能卓越、實用性強的物聯網智能家居實現系統，并指導學生掌握其管理與維護技術。

1 物聯網智能家居實訓系統組成和內涵

物聯網智能家居實訓系統由智能照明、智能安防、人臉識別門禁、智能音響、智能冰箱、能耗監測、環境監測、智能窗簾等子系統，及物聯網應用上位機管理軟件組成，各子系統通過連接電纜進線連接，采用 ZigBee、wifi、3G 多種網絡技術傳輸傳感及控制信息。系統支持智能家居設計、安裝、調試以及應用編程等多種方式來鍛煉師生的技術水平，是一套既能展示物聯網智能家居應用，又能掌握相應技能和知識的實訓系統。

本開發平臺實現對物聯網三層（感知層，網絡層，應用層）的全方位技術運用，比較全面的兼顧了物聯網所涉及的各類技術，包括無線傳感器硬件、嵌入式軟件系統、Wifi、Internet 端應用軟件開發教學，設計提供了智能家居多個子系統的應用實訓，該系統所涉及到的技術主要包括：電子電路、2.4GHz 高頻通訊、ZigBee 無線網絡、無線傳感器、無線 SoC、嵌入式 ARM、UHF RFID 射頻識別、3G、Ethernet、服務端軟件開發。

開發平臺提供了功能強大的以 ARM 處理器為內核的網關硬件和自主研發的網關核心軟件，不僅能完成多種無線網絡管理，傳感器和射頻識別信息處理，而且可以通過不同無線和有線網絡路徑，將數據傳輸到上位機管理平臺，并存入數據庫，支持遠程訪問，并運用虛擬技術仿真智能家居場景及設備解決場地及設備制約因素。

2 系統功能

針對職院學生，主要鍛煉的是學生的動手能力和實際操作的技能。學生可以根據自己的設計想法改變模擬房間內環境，也可以通過一體式計算機通過因特網訪問房間內自動化服務器，對智能設備、視頻監控等遠程控制、訪問。該裝置能進行智能家居系統設計、線路的設計與連接、調試、故障排除、系統配置等實驗和實訓。

在打分環節考慮到人為因素對比賽結果的影響，在系統中，特別設計了自動評分功能，對各個系統網絡連通性、電源接線、軟件配置進行自動化檢測，為實訓成績提供客觀的依據。

2.1 智能照明

包括智能照明管理軟件模塊、燈控模塊/調光模塊、通信模塊、燈具，通過和網關通信，支持本地控制和管理軟件遠程控制，本地可以設置感應開/關閉，并和光敏檢測模塊聯動，實現自動化。

2.2 智能安防

包括智能安防管理軟件模塊、窗磁、煙霧感應器、主動紅外入侵探測器、攝像機、雙鑒探測器對非法入侵、火情、煙塵等監測，針對突發事件做出緊急處理，與 GSM/GPRS 短息貓聯動，當發現有異常時攝像機自動截取畫面并發送消息至指定手機或報警。

2.3 人臉識別門禁

人臉識別門禁系統由主人臉識別門禁機、門禁控制器和電鎖組成（聯網時外加電腦和網絡通訊設備），使用方式屬非接觸方式，出入人只要在人臉識別門禁機附近（30-80 厘米）晃動一次，人臉識別門禁機就能將識別結果發送到門禁控制器上，然后由門禁控制器進行檢查核對合法性，決定是否進行開門動作。整個過程只要在有效的使用范圍內均可實現門禁管理功能。人臉識別門禁機安裝門邊墻內外，而不影響其工作。

人臉作為每個人身體的一部分、不能復制、安全可靠。并通過網絡與電腦進行實時監控（可由電腦發指令開/關所有門，并可實時查看所有門的狀態）、數據處理、查詢、報表輸出等。

2.4 智能音響

包括智能音響管理軟件模塊、情景音樂系統主機、高保真音箱，通過軟件平臺來控制音樂的播放。

2.5 智能冰箱

包括智能冰箱管理軟件模塊、RFID 讀寫器、食物冷藏柜。通過 RFID 技術實現食物管理功能，通過 PC管理平臺訪問，配合食品圖示，能看到冰箱內的食物信息，食品提醒設置，一旦冰箱內食物短缺或過期，就會發送短息到指定手機。

2.6 能耗監測

包括能耗管理軟件模塊、智能插座、能耗統計模塊。通過智能插座實現所有電器通過數據采集終端，無線網絡，實現無線抄表、管理功能。可以定制統計分析功能，并通過監控系統控制臺、智能手機實現可視化查看和管理，體現綠色節能理念。

2.7 環境監測

本系統包括環境監測管理軟件模塊、溫濕度、光敏無線通信模塊。實現溫度、濕度、光敏等監測，針對環境參數設備智能開啟相關設備自動調節環境溫濕度或與其他系統進行聯動，對突發事件做出緊急處理。

2.8 智能窗簾

本系統包括智能窗簾管理軟件模塊、窗簾控制器、電動窗簾，通過和網關通信，支持本地和管理軟件遠程控制， 本地可以設置感應開/關閉，并和光敏檢測模塊聯動，實現自動化。

2.9 上位機管理軟件

系統包括照明、窗簾、能耗、電器、安防、環境監測、實訓評估模塊，本實訓管理平臺是以上各個系統的一個綜合性、集中管理平臺。內容包括：系統的實時狀態查看、遠程控制、數據存儲、統計分析、參數設置、預警。如圖1所示。

3 系統特色

真實的家居環境需要投入大量的人力物力，從實訓的角度來說，需要耗費大量的時間和經歷建造樣板房，投入巨大。因此，設計采用模擬家居環境的智能家居系統，將涉及到的應用及控制模塊和設備安裝部署在可收縮的網孔板機柜上，減少對空間的占用，并可應用于以后的實訓教學中。

智能家居實訓系統安裝在一個網孔板機柜上，可以收攏展開，展開后尺寸為 2.4m*0.8m*1.9m（長*寬*高），收攏后尺寸為 0.8m*0.8m*1.9m（長*寬*高），實訓設備可以自由安裝，具有很大的靈活性。

各系統的控制模塊均安裝在 86 盒內，可靈活部署在網孔板的任意位置，方便師生根據自己的設計完成施工。

4 總結

本文介紹了一個物聯網智能家居實訓系統的設計與實現，系統中模擬了智能家居中的部分場景，并在實驗室環境中做了大量的模擬測試，程序運行良好。總之，進行基于 ZigBee 技術的物聯網智能家居系統的設計分析，有利于提升基于物聯網智能家居系統設計水平，促進在實際中的推廣應用，具有積極作用和價值意義。

參考文獻

[1]沈彤，朱昊，胡靜，宋鐵成.物聯網智能家居系統演示平臺的設計與實現[J].南京師范大學學報（工程技術版），2013（01）.

[2]向忠宏.智能家居[M].北京：人民郵電出版社.2002.

[3]陳龍濤，羅桂娥，周衛等.基于ZigBee 技術智能家居系統的研究與設計[J].微型機與應用，2010.29（20）：100-102.

作者簡介

江進（1981-），男，江蘇省句容市人。碩士學位。現為江蘇農林職業技術學院信息工程系教師。研究方向為計算機技術。

作者單位

江蘇農林職業技術學院 江蘇省句容市 212400