面向智能家居系統的物聯網實驗室建設研究

［摘 要］文章從建立物聯網實驗室的必要性出發，提出面向智能家居系統的物聯網實驗室建設的設想；從智能家居系統的功能、設計建設原則和體系架構3個方面進行智能家居系統分析；從建設目標和實驗室規劃兩個方面討論面向智能家居系統的物聯網實驗室建設思路；從實驗功能需求、實驗硬件資源建設、實驗軟件資源建設、實驗課程資源建設4個方面詳細分析面向智能家居物聯網實驗室的實驗平臺建設；基于物聯網課程的學習階段提出面向智能家居系統的物聯網實驗配套課程資源建設規劃。物聯網實驗室建設是物聯網領域應用型人才培養的重要舉措，對提升教育教學質量具有重要意義。

［關鍵詞］智能家居；物聯網；實驗室建設

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2023.10.062

［中圖分類號］TP393；TS976 ［文獻標識碼］A ［文章編號］1673-0194（2023）10-0188-03

0" " "引 言

物聯網是一門應用性非常強的學科，僅僅教授技術是不夠的，還需要立足實踐，從應用入手，通過實驗室的建設，培養學生基本應用開發能力，通過實驗環境來培養學生對實際物聯網應用項目的整體把握能力［1］。無論是從教學、科研還是從學生的實際需求等方面來說，都很有必要建立物聯網綜合實驗室。智能家居系統是物聯網應用的典型案例，經過多年的發展，智能家居系統已形成較完整的軟硬件應用開發體系，具有應用的普遍性和極高的體驗性［2］，是物聯網綜合應用實訓的首選。

1" " "智能家居系統概述

智能家居系統是建立在家居住宅平臺上的物聯網應用項目，其采用先進的傳感器技術、網絡通信技術、綜合布線技術，依據人因工程學理論并融合個性化的家居生活需求，將安防控制、燈光管理、家電使用、生活保健監控等有機融合，基于物聯網信息發布與訂閱機制實現智能管理和控制。從功能實現的角度來看，智能家居系統包括遠程監控、定時設定、場景管控、信息共享、影音娛樂、空氣調節、移動控制及智能安防等。從設計的角度來看，智能家居要滿足實用性、便利性、管控形式多樣性、可靠性和標準性的開發設計要求。從物聯網工程系統架構的角度來看，智能家居系統由感知層、網絡層、中間層和應用層組成［3］，感知層充分利用物聯網傳感器技術，采用溫度、光照、PM 2.5和語音等傳感器，捕獲感知信息進行發布；網絡層是智能家居系統的核心組成部分，傳感器節點采用Wi-Fi、藍牙等網絡協議，通過網絡路由器連接組織，再通過網關接入整個互聯網系統；中間層是智能家居的網絡數據服務中心，包括物聯網服務云中間件和云視頻中間件等；應用層是基于物聯網用戶接口的各種應用，主要應用媒體平臺包括移動終端、智能處理終端及虛擬現實（Virtual Reality，VR）終端等。

2" " "面向智能家居系統的物聯網實驗室建設思路

面向智能家居系統的物聯網實驗室建設依據智能家居系統的功能、建設原則和系統架構展開，包括智能家居系統基礎、應用、設計與測試和創新等實驗內容。在實驗室建設方式上，充分利用行業在智能家居系統開發、物聯網人才儲備和軟硬件資源儲備等方面的優勢，設立教育部產學研協同育人實驗室建設項目［4］，與物聯網行業的知名企業合作建設物聯網實驗室。

2.1" "面向智能家居系統的物聯網實驗室建設目標

（1）建立面向智能家居系統的分層次的物聯網實驗教學體系。實驗教學內容由智能家居系統基礎實驗、綜合設計實驗、產學研創新性實驗和學科前沿性實驗組成。分層次實驗指按實驗內容的難易程度和學習進度依次為智能家居系統基礎實驗、綜合設計實驗、研究創新性實驗和學科前沿性實驗，體現“重基礎、強實踐、促創新”的物聯網實驗教學要求。

（2）建立面向智能家居系統的多種物聯網實驗手段。物聯網實驗室需要支持實際操作、遠程操作、虛擬仿真、視頻演示、實景體驗的多種實驗教學開展和實施手段。

2.2" "面向智能家居系統的物聯網實驗室建設規劃

按照智能家居系統建設的技術、設備和場地需求，結合分層次的物聯網實驗教學體系，將實驗室劃分為5個區域，即智能家居系統基礎實驗區、智能家居系統應用綜合開發實驗區、智能家居系統虛擬仿真實驗區、智能家居體驗展示區、科技創新區，以滿足物聯網課程學習過程中不同學習階段、不同學習形式的實踐教學需求。

面向智能家居系統的實驗室采用性能高端、設備普及度高、實驗資源完善的智能家居物聯網實驗平臺開展智能家居系統基礎物聯網實驗和設計開發實驗。智能家居物聯網實驗平臺應包括一體化的智能家居物聯網開發仿真系統和實訓沙盤，建立起全方位的智能家居系統學習、開發及體驗環境，進而實施物聯網的專業教學、應用體驗、應用開發、綜合創新能力的培養。

3" " "面向智能家居系統的物聯網實驗室的實驗平臺建設

面向智能家居系統的物聯網實驗平臺是物聯網實驗室建設的核心內容，實驗平臺建設包括實驗功能需求解析、實驗硬件資源建設、實驗軟件資源建設、實驗課程資源建設4個主體部分。

3.1" "面向智能家居系統的物聯網實驗平臺功能需求

以現今主流智能家居系統為對象進行功能解析，相應的物聯網實驗平臺需要實現智能語言交互、智能攝像頭監控、瀏覽器/服務器（Browser/Server，B/S）架構下瀏覽器家居控制系統、App家居控制系統、微信小程序家居控制系統、智能家居設備自動化聯動、虛擬現實（Virtual Reality，VR）家居控制系統、百度云遠程監控、遠程視頻監控、智能窗簾控制、智能燈光控制、環境監測聯動、智能門禁控制、智能報警控制及智能網關控制。

3.2" "面向智能家居系統的物聯網實驗平臺硬件實驗資源建設

硬件實驗資源建設依據智能家居系統的4層架構展開，內容如下。

（1）感知層實驗設備主要指各類傳感器和終端控制器，包括PM 2.5傳感器、溫濕度傳感器、抽風風扇、電聲光報警器、微型電控鎖器、亮度傳感器、可燃氣傳感器、紅外傳感器、語言識別器、射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）模塊及攝像頭等器件。

（2）網絡層實驗設備包括路由節點設備和網關設備。路由節點設備是連接傳感器的無線傳輸微控制單元，內置微處理器、通信模塊和電子模塊。微處理器可選用英國Acorn有限公司設計的Cortex-M3處理器，其可提供最高72 MHz主頻和48 KB的隨機存取存儲器（Random Access Memory，RAM）。通信部分可選用支持藍牙4.0/5.0、Wi-Fi、ZigBee和IPV4/V6通信協議的模組，如ESP 32系列模組。網關設備連接不同類型網絡，起到互聯互通的紐帶作用，其實現可選用英國Acorn有限公司的Cortex-A53處理器和8層印制電路板。

（3）中間層實驗設備主要指物聯網云服務設備。一方面，可以采用校企合作的模式，依據雙方合作原則，使用企業方提供的物聯網云中間件服務，如華清軟件公司提供的元宇宙物聯網消息隊列遙測傳輸服務（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）［5］。另一方面，可以采購高性能服務器設置私有云，實現MQTT、音視頻交互等云服務。

（4）應用層設備主要指進行智能家居系統操控的移動智能終端。智能家居系統涵蓋了VR交互體驗功能，因此，在應用層需要配置適用于Android系統、帶有藍牙功能的VR盒子和高性能的VR顯示終端。

3.3" "面向智能家居系統的物聯網實驗平臺軟件實驗資源建設

軟件實驗資源建設可以從基礎性實驗資源和綜合設計實驗資源兩個方面展開［6］。

（1）面向物聯網智能家居系統的物聯網基礎實驗資源建設依據基礎知識內容展開。無線終端模塊實驗包括藍牙/Wi-Fi/ZigBee的網絡數據傳輸實驗、串口數據傳輸實驗、數據透傳控制實驗、看門狗實驗、模數轉換溫度采集實驗、脈沖寬度調制呼吸燈實驗、基于STM 32的發光二極管（Light Emitting Diode，LED）控制與傳感器數據采集實驗等；智能家居VR開發實驗圍繞智能家居的真實環境展開，其目標是構建智能家居的虛擬情境，軟件實驗內容包括家居3D環境搭建實驗、用戶界面系統實驗、物理碰撞與運動實驗、動畫尋路與狀態機實驗等內容；物聯網人工智能基礎開發實驗圍繞語言識別、人臉與人體識別、機器學習及深度學習等設置軟件實驗。

（2）面向物聯網智能家居系統的物聯網綜合設計實驗。依據智能家居系統的整體功能［3］，智能家居系統實驗分為室內燈光控制系統實驗、廚房可燃氣報警系統實驗、人臉識別門禁系統實驗、空氣質量自動調節系統實驗和室內溫濕度自動調節實驗系統等多個實驗資源。

3.4" " 面向智能家居系統的物聯網實驗配套課程資源建設

面向智能家居系統的物聯網實驗配套課程資源基于教育云平臺進行開發建設。教育云平臺提供課程視頻講解、實例指導、作業分析和在線考核等教學環節。配套課程資源分為物聯網硬件設計基礎、智能家居物聯網開發關鍵技術和智能家居物聯網高級應用開發3個階段，對應的課程內容、階段目標、學習效果見表1。

4" " "結束語

智能家居系統是物聯網應用的核心領域，相關理論架構和應用體系較為完善，是物聯網課程中項目案例建設的首選。本研究分析了智能家居系統的構成、功能和系統架構，結合物聯網教學目標、技術、設備和場地需求進行總體規劃，給出了面向智能家居系統的物聯網實驗平臺和配套課程資源方案。面向智能家居系統的物聯網實驗室建設是物聯網課程建設過程中的重要舉措，能夠充分發揮智能家居項目在技能培養、實踐能力培養和創新能力培養等諸多方面的優勢。面向智能家居系統的物聯網實驗室建設給出了實驗室整體解決方案，未來需要在教學實踐方面進行教學設計與實施，完善教學評價體系。

主要參考文獻

［1］王麗.人工智能時代“物聯網技術及應用”課程教學路徑探索［J］.互聯網周刊，2022（16）：31-36.

［2］田衛坤.基于MCU的智能家居設計系統［J］.長江信息通信，2022（6）：86-88.

［3］曾浩.物聯網技術支持下的智能家居系統建設探究［J］.電子測試，2022（18）：72-74.

［4］羅君名，葉成徽.產學研用協同育人機制研究［J］.企業改革與管理，2022（19）：69-71.

［5］曹秀蓮.元宇宙發展現狀調研與安全風險研究［J］.中國信息安全，2022（6）：90-93.

［6］侯躍恩，陳廣明，鄧嘉明.物聯網工程人才培養模式研究：以A高校為例［J］.物聯網技術，2022（11）：143-146.