物聯網智能家居應用實訓系統設計

李忠 重慶電子工程職業學院

一、設計依據

本系統以物聯網技術為背景，采集門磁開關、人體紅外傳感器等感知設備數據，通過ZigBee網絡，向云平臺發送數據，并根據數據情況進行第三方（聲光報警器、攝像頭等）設備聯動。本實訓項目將從系統集成、應用程序開發、現場實施等三個方面，考查學生在物聯網設備的綜合應用能力。其中，綜合考慮了以下幾個設計依據：

1）基于企業真實工作任務

基于企業真實的工程案例，課堂實訓內容來源于崗位工作任務。模擬工作環境，讓學生體驗物聯網系統裝調工程師在智能家居領域的工作內容，掌握從終端配置到網絡搭建、平臺開發到系統集成的全工作流程，使之適應并勝任相關工作。

2）基于物聯網的三層結構

本項目涉及物聯網三層結構的相關知識。通過系統的集成訓練，既支持了傳感器、門磁等感知層技術的教學，也支持了ZigBee等網絡層技術的教學，還支持了平臺應用系統開發等平臺層技術的教學，完善了學生的知識體系。

3）基于多途徑實現和可擴展創新

物聯網技術迭代迅速，不同領域的創新應用不斷涌現，這樣的現狀要求物聯網專業學生需具備較強的技術遷移能力和應用創新能力。本項目為學生提供若干實施路徑，學生可在完成實訓的基礎上，選用同類技術進行項目實現，以提升技術仿學能力；同時可接入更多的設備，進行系統功能的擴展，以提升應用創新能力。實現“學習+遷移+創新”的綜合能力培養。

二、設計內容

基于物聯網技術應用實驗/開發平臺，結合物聯網智能家居領域真實需求，完成基于物聯網技術的智能電網應用系統、智能安防應用系統設計與實施。

實訓要求：本項目以物聯網智能家居領域技術為背景，感知層能夠獲取門磁節點、紅外移動探測器等終端設備的數據，要求能夠進行設備的選擇、連接、配置和驅動開發；傳輸層基于微控制器和各類傳輸設備，實現網絡的搭建和數據的實時傳輸；應用層根據系統功能需求，開發各種子系統軟件。

本系統能夠實現以下目標。

（1）判斷外界光照情況和用戶情況，進行燈光亮度的調整、窗簾升降的控制。通過光照傳感器進行數據的獲取，并通過ZigBee網絡傳遞至應用平臺，并根據預設的數據進行燈光和窗簾的控制。

（2）感知節點單元所使用的電能進行計量，并進行用電量管理和控制。通過電能表計算用電量，使用CAN總線傳遞至應用平臺，并計算用電情況，進行用電量管理。

（3）判斷是否有人入侵，并進行聲光報警。通過紅外移動探測器判斷是否有外人入侵，并通過ZigBee網絡把信號發送至應用平臺，同步觸發聲光報警器報警。

（4）判斷是否有人從門進入，并拍照記錄闖入者圖像。通過門磁感應外人闖入，并通過ZigBee網絡把信號發送至應用平臺，同步激活攝像頭拍攝圖片。

三、系統結構

物聯網智能家居應用實訓系統選取了兩個場景：智能電網應用系統和智能安防應用系統。智能電網應用系統分為：智慧照明系統和智能抄表系統兩個部分；智能安防應用系統分為：人體紅外監控系統、門磁監控報警系統兩個部分。整體結構如圖1、圖2所示。

圖1 物聯網智能家居應用實訓系統示意圖

圖2 物聯網智能家居應用實訓系統結構圖

系統由四個部分構成：感知節點單元由傳感器構成，包括家居安防檢測終端、家居環境檢測終端、電力表遠程抄表終端、智能感知控制終端，每個終端既能獨立運行，又可將傳感器信息傳送到嵌入式網關集中處理，實現物聯網系統綜合聯動；嵌入式網關單元包含了低功耗Wi-Fi無線局域網系統，GPRS/GSM移動通信網絡系統，ZigBee無線傳感網絡系統。其中網關模塊采用32位ARM微控制器作為核心處理器設計，預留了豐富的外圍接口，包括高速以太網接口、SD卡接口、串口、485總線接口、CAN總線接口、USB主從接口等；智能對象單元包括安防執行終端、智能電器終端以及可視對講終端。智能電器支持本地控制、紅外遙控控制、聯動控制以及遠程控制等多種模式；絡服務器單元由工業級平板電腦、交換機以及無線路由器組成。平板電腦上運行有監控軟件，可以直觀方便地對整套系統進行綜合管理。

四、功能設計

（1）智慧照明系統

智慧照明系統包括燈光控制模塊、LED節能燈、有級調光燈、無級調光燈、窗簾控制器、窗簾模塊、限位開關以及手動按鈕。其中燈光控制模塊主芯片為ATmega16（Atmega16A），對外擴展了CAN總線接口、燈接口、RS232接口以及控制按鍵。圖3所示為環境監測系統的網絡結構圖。

圖3 環境監測系統網絡結構圖

硬件：窗簾控制器、情景燈節點、窗簾模塊、USB線、ISP下載器、USB線、ISP下載器、白熾燈兩只、LED節能燈（白色）、THUNHM-3B型物聯網技術應用實驗平臺

軟件：物聯網監控軟件

（2）智能抄表系統

智能抄表系統由數字燃氣表、數字電能表、嵌入式網關設備構成。圖4是智能抄表系統網絡結構圖。

圖4 智能抄表系統網絡結構圖

硬件：燃氣表、電能表、THUNHM-3B型物聯網技術應用實驗平臺

軟件：物聯網監控軟件

（3）紅外入侵監控系統

紅外入侵監控系統由人體紅外傳感器、聲光電報警器、嵌入式網關設備組成。圖5是為紅外入侵監控系統網絡結構圖。

圖5 紅外入侵監控系統網絡結構圖

硬件：紅外移動探測器、聲光電報警器、THUNHM-3B型物聯網技術應用實驗平臺

軟件：物聯網監控軟件

（4）門磁監控報警系統

門磁監控報警系統由門磁開關、攝像頭以及嵌入式網關控制器組成。圖6所示為門磁監控報警系統網絡結構圖。

圖6 門磁監控報警系統網絡結構圖

硬件：門磁開關、網絡攝像頭、THUNHM-3B型物聯網技術應用實驗平臺

軟件：物聯網監控軟件

五、設計總結

通過設置與企業工作崗位相似的模擬場景，教學內容更接近企業工作崗位，改變了以往教學內容與工作崗位脫節的弊端，采用分組互助的方式，學生教學生，降低了學生完成任務的難度，增強學生的學習積極性和主動性。有效地提高了班級學生實訓中的參與率和完成率，極大地提高了班級整體教學質量。