一種智能家居實踐教學系統開發與實現

龍浩

摘 要：針對傳統物聯網實驗教學過程中知識理解與綜合運用的脫節問題，提出了一種開放性的智能家居實踐教學方案。該方案可通過各種遠程終端，利用無線通信功能，結合傳感器技術、網絡技術和接入技術，對實驗室中的傳感器及家電實現智能控制。

關鍵詞：物聯網；實踐教學；智能家居；開放性

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

0 引 言

物聯網已成為通信領域和傳感領域炙手可熱的研究方向，針對物聯網核心技術和典型應用的研究開發已成為各個高校和相關企業的重要工作，也成為各高校相關專業教學和科研的一個新方向。

為了能讓各高校的通信、信息、電子、計算機、自動控制和傳感技術等專業學生深A入了解物聯網的原理、實現方法及其典型應用，本文設計并實現了一種物聯網教學實驗系統。本系統從物聯網的基本技術出發，基于無線傳感器網絡和射頻識別技術設計了物聯網系統的基本架構，并在此基礎上實現了物聯網在智能家居方面的應用案例。學生可以通過本系統深入學習物聯網基本技術，并理解物聯網在各種典型應用行業中的功能和系統設計方法。

1 系統總體方案

本文所設計的物聯網教學實驗系統總體方案包括物聯網主從節點、RFID身份標簽和實驗軟件三部分，系統總體框架如圖1所示。物聯網主從節點共同組成網狀（Mesh）網絡以完成傳感器和RFID數據的無線傳輸。數據匯集至連接主節點的計算機，并由實驗軟件負責數據的存儲和分析功能。RFID標簽分為兩類：設備身份標簽和人員身份標簽，設備身份標簽在應用案例中用來標示物品和電器設施的身份，而人員身份標簽則用以識別醫護類應用案例中的病人物聯網主從節點之間的無線網絡，這是系統的關鍵因素，既要求低功耗以增加節點在電池供電時的工作時間，又需在節點移動過程中確保數據傳輸的可靠性。根據上述要求，我們選擇ZigBee作為主從節點間的無線技術標準。ZigBee是一種短距離無線通信技術，其底層技術基于IEEE 802.15.4，相比于藍牙和WLAN，其具有功耗低及網絡容量大等優點，并且能夠方便地實現Mesh網絡。

智能家居案例通過傳感器采集家中各居室的溫度、光強度等信息，通過控制中心實現空調、熱水器、電燈和窗簾等室內設備的全自動運行，展示了物聯網在家居環境中的應用。

智能家居系統的PC控制交互界面如圖2所示。

2 實驗內容

智能家居實驗從功能上劃分，可分為數據采集、通信傳輸和控制查看三個部分，包括傳感器、傳感網以及傳感網接入等幾個方面。根據上述系統架構，將實驗內容分為以下部分：終端設備組建、ARM網關開發和客戶端開發。如圖3所示。

3 系統功能

本系統引進國內外先進科技， 集成綜合布線技術、網絡通訊技術、自動控制技術、音視頻技術，利用計算機和嵌入式系統，將家庭中的各種設備通過家庭網絡連接到一起，建立高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，并實現環保節能的居住環境。系統功能如下：

3.1 便捷的生活服務

（1）智能無線遙控系統

自學習式智能遙控器可實現對所有電器、燈光、窗簾和部分環境設備的遙控，以及一鍵式場景控制。

（2）環境監測與采集系統

環境監測與家電控制子網關，可隨時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；同時還能代為控制智能遙控器。

（3）抄表系統

使用RS 485/WiFi來實現電表氣表的讀取。

（4）電力線系統

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 安心的環境監測

（1）環境感知

有害氣體、煙霧、煤氣傳感器可通過子網關控制器采集。

（2）安防門禁

a.可采用RFID卡系統確認來客身份；

b.可運用網絡攝像機提供局域網視頻訪問和廣域網圖片訪問；

c.文件服務器用于存儲視頻監控錄像。

3.3 和諧的人機交互

（1）大屏幕交互

智能電視和投影儀可以接受服務器調用，及時向住戶推送消息。

（2）語音交互

a.通過手機或麥克風，可向服務中心請求簡單的命令；

b.音響系統能夠以語音方式告知控制結果，或是主動提醒用戶。

（3）機器人

機器人具有自主移動功能，內置攝像頭，能夠監控移動視頻信息，也能夠和住戶進行語音交互，并控制家電等。

3.4 體貼的健康服務

（1）健康設備的開發與接入

設備能采集心電圖、血壓、血糖等信息，并上傳到服務器。

（2）健身監查設備

該設備可以記錄住戶一天的運動量，上傳到服務器。

（3）健康信息提醒

可將提醒信息推送到手機。

（4）健康交互中心

使用創維電視作為健康設備的控制與信息采集中心。

3.5 自發的智能服務

（1）基礎

服務基礎是以狀態參量為基礎的聯動和服務計算。

（2）服務發布網關

a.可將家庭服務發布到Internet，以供手機、PC等訪問；

b.可提供語音、圖像等高級服務；

c.可為服務計算服務器組提供狀態數據。

（3）服務計算服務器組

a.收集信息到數據庫，并不斷提取服務信息進行計算，修正服務中的異常行為。用于安防、節電、關戶等。例如，來客登記數和ID卡數量不符，有人時家里光照過暗，無人時卻有家電工作，環境參量、人體參數、住戶運動量異常等；

b.視頻幀處理服務器可檢查生物入侵，監控貴重物品位置等；

c.提醒推送服務器可自定義規則庫，可定時提醒或規則觸發提醒。

3.6 RFID感知服務

（1）信息感知系統

給家中的每個設備貼上標簽，系統能夠感知到家庭設備的上下文信息。

（2）定位系統

三個固定的RFID節點利用三角形法和指紋位置方法得出未知RFID信源坐標。

4 結 語

物聯網和智能家居技術是當前研究的熱點，本文結合二者為物聯網相關專業開發實踐教學系統。本教學系統實現了短信、軟件、手動三種方式控制家電。系統具有自動搜索下位機設備、自動組網的特點。系統啟動播報歡迎語音，軟件界面形象生動，并且可進行多種全面的實驗，滿足物聯網專業的教學和科研需求，通過本系統教學，學生可以掌握設備綜合布線技術（網絡知識），家電控制技術（嵌入式），環境信息采集技術（傳感器網絡），網關綜合技術，遠程控制技術（網站），異構組網技術（WiFi，BT，ZigBee，RF，PLC，串口），安防監控系統（圖像，視頻），RFID應用，人機交互技術等（平板，手機，M2M）。

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