物聯(lián)網(wǎng)智能家居實訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

江進(jìn)　王浩存

摘 要 隨著計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，智能家居已成為人們關(guān)注的話題。文章提出了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居實訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計方案，闡述了系統(tǒng)的組成、功能以及特色。實訓(xùn)系統(tǒng)支持智能家居設(shè)計、安裝、調(diào)試以及應(yīng)用編程等多種方式來鍛煉師生的技術(shù)水平，是一套既能展示物聯(lián)網(wǎng)智能家居應(yīng)用，又能掌握相應(yīng)技能和知識的實訓(xùn)系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng) 智能家居 設(shè)計與實現(xiàn)法

智能家居就是以住宅為平臺，兼?zhèn)浣ㄖ?、網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動化，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境。智能家居系統(tǒng)可以為您提供家電控制、照明控制、窗簾控制、電話遠(yuǎn)程控制、室內(nèi)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(dāng)前智能家居技術(shù)的新理念與技術(shù)，開發(fā)技術(shù)先進(jìn)、性能卓越、實用性強(qiáng)的物聯(lián)網(wǎng)智能家居實現(xiàn)系統(tǒng)，并指導(dǎo)學(xué)生掌握其管理與維護(hù)技術(shù)。

1 物聯(lián)網(wǎng)智能家居實訓(xùn)系統(tǒng)組成和內(nèi)涵

物聯(lián)網(wǎng)智能家居實訓(xùn)系統(tǒng)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(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、智能窗簾等子系統(tǒng)，及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用上位機(jī)管理軟件組成，各子系統(tǒng)通過連接電纜進(jìn)線連接，采用 ZigBee、wifi、3G 多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)傳輸傳感及控制信息。系統(tǒng)支持智能家居設(shè)計、安裝、調(diào)試以及應(yīng)用編程等多種方式來鍛煉師生的技術(shù)水平，是一套既能展示物聯(lián)網(wǎng)智能家居應(yīng)用，又能掌握相應(yīng)技能和知識的實訓(xùn)系統(tǒng)。

本開發(fā)平臺實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)三層（感知層，網(wǎng)絡(luò)層，應(yīng)用層）的全方位技術(shù)運(yùn)用，比較全面的兼顧了物聯(lián)網(wǎng)所涉及的各類技術(shù)，包括無線傳感器硬件、嵌入式軟件系統(tǒng)、Wifi、Internet 端應(yīng)用軟件開發(fā)教學(xué)，設(shè)計提供了智能家居多個子系統(tǒng)的應(yīng)用實訓(xùn)，該系統(tǒng)所涉及到的技術(shù)主要包括：電子電路、2.4GHz 高頻通訊、ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器、無線 SoC、嵌入式 ARM、UHF RFID 射頻識別、3G、Ethernet、服務(wù)端軟件開發(fā)。

開發(fā)平臺提供了功能強(qiáng)大的以 ARM 處理器為內(nèi)核的網(wǎng)關(guān)硬件和自主研發(fā)的網(wǎng)關(guān)核心軟件，不僅能完成多種無線網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)路徑，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)管理平臺，并存入數(shù)據(jù)庫，支持遠(yuǎn)程訪問，并運(yùn)用虛擬技術(shù)仿真智能家居場景及設(shè)備解決場地及設(shè)備制約因素。

2 系統(tǒng)功能

針對職院學(xué)生，主要鍛煉的是學(xué)生的動手能力和實際操作的技能。學(xué)生可以根據(jù)自己的設(shè)計想法改變模擬房間內(nèi)環(huán)境，也可以通過一體式計算機(jī)通過因特網(wǎng)訪問房間內(nèi)自動化服務(wù)器，對智能設(shè)備、視頻監(jiān)控等遠(yuǎn)程控制、訪問。該裝置能進(jìn)行智能家居系統(tǒng)設(shè)計、線路的設(shè)計與連接、調(diào)試、故障排除、系統(tǒng)配置等實驗和實訓(xùn)。

在打分環(huán)節(jié)考慮到人為因素對比賽結(jié)果的影響，在系統(tǒng)中，特別設(shè)計了自動評分功能，對各個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連通性、電源接線、軟件配置進(jìn)行自動化檢測，為實訓(xùn)成績提供客觀的依據(jù)。

2.1 智能照明

包括智能照明管理軟件模塊、燈控模塊/調(diào)光模塊、通信模塊、燈具，通過和網(wǎng)關(guān)通信，支持本地控制和管理軟件遠(yuǎn)程控制，本地可以設(shè)置感應(yīng)開/關(guān)閉，并和光敏檢測模塊聯(lián)動，實現(xiàn)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(yīng)器、主動紅外入侵探測器、攝像機(jī)、雙鑒探測器對非法入侵、火情、煙塵等監(jiān)測，針對突發(fā)事件做出緊急處理，與 GSM/GPRS 短息貓聯(lián)動，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有異常時攝像機(jī)自動截取畫面并發(fā)送消息至指定手機(jī)或報警。

2.3 人臉識別門禁

人臉識別門禁系統(tǒng)由主人臉識別門禁機(jī)、門禁控制器和電鎖組成（聯(lián)網(wǎng)時外加電腦和網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備），使用方式屬非接觸方式，出入人只要在人臉識別門禁機(jī)附近（30-80 厘米）晃動一次，人臉識別門禁機(jī)就能將識別結(jié)果發(fā)送到門禁控制器上，然后由門禁控制器進(jìn)行檢查核對合法性，決定是否進(jìn)行開門動作。整個過程只要在有效的使用范圍內(nèi)均可實現(xiàn)門禁管理功能。人臉識別門禁機(jī)安裝門邊墻內(nèi)外，而不影響其工作。

人臉作為每個人身體的一部分、不能復(fù)制、安全可靠。并通過網(wǎng)絡(luò)與電腦進(jìn)行實時監(jiān)控（可由電腦發(fā)指令開/關(guān)所有門，并可實時查看所有門的狀態(tài)）、數(shù)據(jù)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(tǒng)主機(jī)、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(shù)實現(xiàn)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(nèi)的食物信息，食品提醒設(shè)置，一旦冰箱內(nèi)食物短缺或過期，就會發(fā)送短息到指定手機(jī)。

2.6 能耗監(jiān)測

包括能耗管理軟件模塊、智能插座、能耗統(tǒng)計模塊。通過智能插座實現(xiàn)所有電器通過數(shù)據(jù)采集終端，無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)無線抄表、管理功能。可以定制統(tǒng)計分析功能，并通過監(jiān)控系統(tǒng)控制臺、智能手機(jī)實現(xiàn)可視化查看和管理，體現(xiàn)綠色節(jié)能理念。

2.7 環(huán)境監(jiān)測

本系統(tǒng)包括環(huán)境監(jiān)測管理軟件模塊、溫濕度、光敏無線通信模塊。實現(xiàn)溫度、濕度、光敏等監(jiān)測，針對環(huán)境參數(shù)設(shè)備智能開啟相關(guān)設(shè)備自動調(diào)節(jié)環(huán)境溫濕度或與其他系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動，對突發(fā)事件做出緊急處理。

2.8 智能窗簾

本系統(tǒng)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(wǎng)關(guān)通信，支持本地和管理軟件遠(yuǎn)程控制， 本地可以設(shè)置感應(yīng)開/關(guān)閉，并和光敏檢測模塊聯(lián)動，實現(xiàn)自動化。

2.9 上位機(jī)管理軟件

系統(tǒng)包括照明、窗簾、能耗、電器、安防、環(huán)境監(jiān)測、實訓(xùn)評估模塊，本實訓(xùn)管理平臺是以上各個系統(tǒng)的一個綜合性、集中管理平臺。內(nèi)容包括：系統(tǒng)的實時狀態(tài)查看、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)存儲、統(tǒng)計分析、參數(shù)設(shè)置、預(yù)警。如圖1所示。

3 系統(tǒng)特色

真實的家居環(huán)境需要投入大量的人力物力，從實訓(xùn)的角度來說，需要耗費(fèi)大量的時間和經(jīng)歷建造樣板房，投入巨大。因此，設(shè)計采用模擬家居環(huán)境的智能家居系統(tǒng)，將涉及到的應(yīng)用及控制模塊和設(shè)備安裝部署在可收縮的網(wǎng)孔板機(jī)柜上，減少對空間的占用，并可應(yīng)用于以后的實訓(xùn)教學(xué)中。

智能家居實訓(xùn)系統(tǒng)安裝在一個網(wǎng)孔板機(jī)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(xùn)設(shè)備可以自由安裝，具有很大的靈活性。

各系統(tǒng)的控制模塊均安裝在 86 盒內(nèi)，可靈活部署在網(wǎng)孔板的任意位置，方便師生根據(jù)自己的設(shè)計完成施工。

4 總結(jié)

本文介紹了一個物聯(lián)網(wǎng)智能家居實訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，系統(tǒng)中模擬了智能家居中的部分場景，并在實驗室環(huán)境中做了大量的模擬測試，程序運(yùn)行良好?？傊M(jìn)行基于 ZigBee 技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)的設(shè)計分析，有利于提升基于物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)設(shè)計水平，促進(jìn)在實際中的推廣應(yīng)用，具有積極作用和價值意義。

參考文獻(xiàn)

[1]沈彤，朱昊，胡靜，宋鐵成.物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)演示平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J].南京師范大學(xué)學(xué)報（工程技術(shù)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(wèi)等.基于ZigBee 技術(shù)智能家居系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2010.29（20）：100-102.

作者簡介

江進(jìn)（1981-），男，江蘇省句容市人。碩士學(xué)位?，F(xiàn)為江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系教師。研究方向為計算機(jī)技術(shù)。

作者單位

江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇省句容市 212400

摘 要 隨著計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，智能家居已成為人們關(guān)注的話題。文章提出了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居實訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計方案，闡述了系統(tǒng)的組成、功能以及特色。實訓(xùn)系統(tǒng)支持智能家居設(shè)計、安裝、調(diào)試以及應(yīng)用編程等多種方式來鍛煉師生的技術(shù)水平，是一套既能展示物聯(lián)網(wǎng)智能家居應(yīng)用，又能掌握相應(yīng)技能和知識的實訓(xùn)系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng) 智能家居 設(shè)計與實現(xiàn)法

智能家居就是以住宅為平臺，兼?zhèn)浣ㄖ?、網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動化，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境。智能家居系統(tǒng)可以為您提供家電控制、照明控制、窗簾控制、電話遠(yuǎn)程控制、室內(nèi)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(dāng)前智能家居技術(shù)的新理念與技術(shù)，開發(fā)技術(shù)先進(jìn)、性能卓越、實用性強(qiáng)的物聯(lián)網(wǎng)智能家居實現(xiàn)系統(tǒng)，并指導(dǎo)學(xué)生掌握其管理與維護(hù)技術(shù)。

1 物聯(lián)網(wǎng)智能家居實訓(xùn)系統(tǒng)組成和內(nèi)涵

物聯(lián)網(wǎng)智能家居實訓(xùn)系統(tǒng)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(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、智能窗簾等子系統(tǒng)，及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用上位機(jī)管理軟件組成，各子系統(tǒng)通過連接電纜進(jìn)線連接，采用 ZigBee、wifi、3G 多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)傳輸傳感及控制信息。系統(tǒng)支持智能家居設(shè)計、安裝、調(diào)試以及應(yīng)用編程等多種方式來鍛煉師生的技術(shù)水平，是一套既能展示物聯(lián)網(wǎng)智能家居應(yīng)用，又能掌握相應(yīng)技能和知識的實訓(xùn)系統(tǒng)。

本開發(fā)平臺實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)三層（感知層，網(wǎng)絡(luò)層，應(yīng)用層）的全方位技術(shù)運(yùn)用，比較全面的兼顧了物聯(lián)網(wǎng)所涉及的各類技術(shù)，包括無線傳感器硬件、嵌入式軟件系統(tǒng)、Wifi、Internet 端應(yīng)用軟件開發(fā)教學(xué)，設(shè)計提供了智能家居多個子系統(tǒng)的應(yīng)用實訓(xùn)，該系統(tǒng)所涉及到的技術(shù)主要包括：電子電路、2.4GHz 高頻通訊、ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器、無線 SoC、嵌入式 ARM、UHF RFID 射頻識別、3G、Ethernet、服務(wù)端軟件開發(fā)。

開發(fā)平臺提供了功能強(qiáng)大的以 ARM 處理器為內(nèi)核的網(wǎng)關(guān)硬件和自主研發(fā)的網(wǎng)關(guān)核心軟件，不僅能完成多種無線網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)路徑，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)管理平臺，并存入數(shù)據(jù)庫，支持遠(yuǎn)程訪問，并運(yùn)用虛擬技術(shù)仿真智能家居場景及設(shè)備解決場地及設(shè)備制約因素。

2 系統(tǒng)功能

針對職院學(xué)生，主要鍛煉的是學(xué)生的動手能力和實際操作的技能。學(xué)生可以根據(jù)自己的設(shè)計想法改變模擬房間內(nèi)環(huán)境，也可以通過一體式計算機(jī)通過因特網(wǎng)訪問房間內(nèi)自動化服務(wù)器，對智能設(shè)備、視頻監(jiān)控等遠(yuǎn)程控制、訪問。該裝置能進(jìn)行智能家居系統(tǒng)設(shè)計、線路的設(shè)計與連接、調(diào)試、故障排除、系統(tǒng)配置等實驗和實訓(xùn)。

在打分環(huán)節(jié)考慮到人為因素對比賽結(jié)果的影響，在系統(tǒng)中，特別設(shè)計了自動評分功能，對各個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連通性、電源接線、軟件配置進(jìn)行自動化檢測，為實訓(xùn)成績提供客觀的依據(jù)。

2.1 智能照明

包括智能照明管理軟件模塊、燈控模塊/調(diào)光模塊、通信模塊、燈具，通過和網(wǎng)關(guān)通信，支持本地控制和管理軟件遠(yuǎn)程控制，本地可以設(shè)置感應(yīng)開/關(guān)閉，并和光敏檢測模塊聯(lián)動，實現(xiàn)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(yīng)器、主動紅外入侵探測器、攝像機(jī)、雙鑒探測器對非法入侵、火情、煙塵等監(jiān)測，針對突發(fā)事件做出緊急處理，與 GSM/GPRS 短息貓聯(lián)動，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有異常時攝像機(jī)自動截取畫面并發(fā)送消息至指定手機(jī)或報警。

2.3 人臉識別門禁

人臉識別門禁系統(tǒng)由主人臉識別門禁機(jī)、門禁控制器和電鎖組成（聯(lián)網(wǎng)時外加電腦和網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備），使用方式屬非接觸方式，出入人只要在人臉識別門禁機(jī)附近（30-80 厘米）晃動一次，人臉識別門禁機(jī)就能將識別結(jié)果發(fā)送到門禁控制器上，然后由門禁控制器進(jìn)行檢查核對合法性，決定是否進(jìn)行開門動作。整個過程只要在有效的使用范圍內(nèi)均可實現(xiàn)門禁管理功能。人臉識別門禁機(jī)安裝門邊墻內(nèi)外，而不影響其工作。

人臉作為每個人身體的一部分、不能復(fù)制、安全可靠。并通過網(wǎng)絡(luò)與電腦進(jìn)行實時監(jiān)控（可由電腦發(fā)指令開/關(guān)所有門，并可實時查看所有門的狀態(tài)）、數(shù)據(jù)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(tǒng)主機(jī)、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(shù)實現(xiàn)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(nèi)的食物信息，食品提醒設(shè)置，一旦冰箱內(nèi)食物短缺或過期，就會發(fā)送短息到指定手機(jī)。

2.6 能耗監(jiān)測

包括能耗管理軟件模塊、智能插座、能耗統(tǒng)計模塊。通過智能插座實現(xiàn)所有電器通過數(shù)據(jù)采集終端，無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)無線抄表、管理功能?？梢远ㄖ平y(tǒng)計分析功能，并通過監(jiān)控系統(tǒng)控制臺、智能手機(jī)實現(xiàn)可視化查看和管理，體現(xiàn)綠色節(jié)能理念。

2.7 環(huán)境監(jiān)測

本系統(tǒng)包括環(huán)境監(jiān)測管理軟件模塊、溫濕度、光敏無線通信模塊。實現(xiàn)溫度、濕度、光敏等監(jiān)測，針對環(huán)境參數(shù)設(shè)備智能開啟相關(guān)設(shè)備自動調(diào)節(jié)環(huán)境溫濕度或與其他系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動，對突發(fā)事件做出緊急處理。

2.8 智能窗簾

本系統(tǒng)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(wǎng)關(guān)通信，支持本地和管理軟件遠(yuǎn)程控制， 本地可以設(shè)置感應(yīng)開/關(guān)閉，并和光敏檢測模塊聯(lián)動，實現(xiàn)自動化。

2.9 上位機(jī)管理軟件

系統(tǒng)包括照明、窗簾、能耗、電器、安防、環(huán)境監(jiān)測、實訓(xùn)評估模塊，本實訓(xùn)管理平臺是以上各個系統(tǒng)的一個綜合性、集中管理平臺。內(nèi)容包括：系統(tǒng)的實時狀態(tài)查看、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)存儲、統(tǒng)計分析、參數(shù)設(shè)置、預(yù)警。如圖1所示。

3 系統(tǒng)特色

真實的家居環(huán)境需要投入大量的人力物力，從實訓(xùn)的角度來說，需要耗費(fèi)大量的時間和經(jīng)歷建造樣板房，投入巨大。因此，設(shè)計采用模擬家居環(huán)境的智能家居系統(tǒng)，將涉及到的應(yīng)用及控制模塊和設(shè)備安裝部署在可收縮的網(wǎng)孔板機(jī)柜上，減少對空間的占用，并可應(yīng)用于以后的實訓(xùn)教學(xué)中。

智能家居實訓(xùn)系統(tǒng)安裝在一個網(wǎng)孔板機(jī)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(xùn)設(shè)備可以自由安裝，具有很大的靈活性。

各系統(tǒng)的控制模塊均安裝在 86 盒內(nèi)，可靈活部署在網(wǎng)孔板的任意位置，方便師生根據(jù)自己的設(shè)計完成施工。

4 總結(jié)

本文介紹了一個物聯(lián)網(wǎng)智能家居實訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，系統(tǒng)中模擬了智能家居中的部分場景，并在實驗室環(huán)境中做了大量的模擬測試，程序運(yùn)行良好?？傊?，進(jìn)行基于 ZigBee 技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)的設(shè)計分析，有利于提升基于物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)設(shè)計水平，促進(jìn)在實際中的推廣應(yīng)用，具有積極作用和價值意義。

參考文獻(xiàn)

[1]沈彤，朱昊，胡靜，宋鐵成.物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)演示平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J].南京師范大學(xué)學(xué)報（工程技術(shù)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(wèi)等.基于ZigBee 技術(shù)智能家居系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2010.29（20）：100-102.

作者簡介

江進(jìn)（1981-），男，江蘇省句容市人。碩士學(xué)位。現(xiàn)為江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系教師。研究方向為計算機(jī)技術(shù)。

作者單位

江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇省句容市 212400

摘 要 隨著計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，智能家居已成為人們關(guān)注的話題。文章提出了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居實訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計方案，闡述了系統(tǒng)的組成、功能以及特色。實訓(xùn)系統(tǒng)支持智能家居設(shè)計、安裝、調(diào)試以及應(yīng)用編程等多種方式來鍛煉師生的技術(shù)水平，是一套既能展示物聯(lián)網(wǎng)智能家居應(yīng)用，又能掌握相應(yīng)技能和知識的實訓(xùn)系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng) 智能家居 設(shè)計與實現(xiàn)法

智能家居就是以住宅為平臺，兼?zhèn)浣ㄖ?、網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動化，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境。智能家居系統(tǒng)可以為您提供家電控制、照明控制、窗簾控制、電話遠(yuǎn)程控制、室內(nèi)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(dāng)前智能家居技術(shù)的新理念與技術(shù)，開發(fā)技術(shù)先進(jìn)、性能卓越、實用性強(qiáng)的物聯(lián)網(wǎng)智能家居實現(xiàn)系統(tǒng)，并指導(dǎo)學(xué)生掌握其管理與維護(hù)技術(shù)。

1 物聯(lián)網(wǎng)智能家居實訓(xùn)系統(tǒng)組成和內(nèi)涵

物聯(lián)網(wǎng)智能家居實訓(xùn)系統(tǒng)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(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、智能窗簾等子系統(tǒng)，及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用上位機(jī)管理軟件組成，各子系統(tǒng)通過連接電纜進(jìn)線連接，采用 ZigBee、wifi、3G 多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)傳輸傳感及控制信息。系統(tǒng)支持智能家居設(shè)計、安裝、調(diào)試以及應(yīng)用編程等多種方式來鍛煉師生的技術(shù)水平，是一套既能展示物聯(lián)網(wǎng)智能家居應(yīng)用，又能掌握相應(yīng)技能和知識的實訓(xùn)系統(tǒng)。

本開發(fā)平臺實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)三層（感知層，網(wǎng)絡(luò)層，應(yīng)用層）的全方位技術(shù)運(yùn)用，比較全面的兼顧了物聯(lián)網(wǎng)所涉及的各類技術(shù)，包括無線傳感器硬件、嵌入式軟件系統(tǒng)、Wifi、Internet 端應(yīng)用軟件開發(fā)教學(xué)，設(shè)計提供了智能家居多個子系統(tǒng)的應(yīng)用實訓(xùn)，該系統(tǒng)所涉及到的技術(shù)主要包括：電子電路、2.4GHz 高頻通訊、ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器、無線 SoC、嵌入式 ARM、UHF RFID 射頻識別、3G、Ethernet、服務(wù)端軟件開發(fā)。

開發(fā)平臺提供了功能強(qiáng)大的以 ARM 處理器為內(nèi)核的網(wǎng)關(guān)硬件和自主研發(fā)的網(wǎng)關(guān)核心軟件，不僅能完成多種無線網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)路徑，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)管理平臺，并存入數(shù)據(jù)庫，支持遠(yuǎn)程訪問，并運(yùn)用虛擬技術(shù)仿真智能家居場景及設(shè)備解決場地及設(shè)備制約因素。

2 系統(tǒng)功能

針對職院學(xué)生，主要鍛煉的是學(xué)生的動手能力和實際操作的技能。學(xué)生可以根據(jù)自己的設(shè)計想法改變模擬房間內(nèi)環(huán)境，也可以通過一體式計算機(jī)通過因特網(wǎng)訪問房間內(nèi)自動化服務(wù)器，對智能設(shè)備、視頻監(jiān)控等遠(yuǎn)程控制、訪問。該裝置能進(jìn)行智能家居系統(tǒng)設(shè)計、線路的設(shè)計與連接、調(diào)試、故障排除、系統(tǒng)配置等實驗和實訓(xùn)。

在打分環(huán)節(jié)考慮到人為因素對比賽結(jié)果的影響，在系統(tǒng)中，特別設(shè)計了自動評分功能，對各個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連通性、電源接線、軟件配置進(jìn)行自動化檢測，為實訓(xùn)成績提供客觀的依據(jù)。

2.1 智能照明

包括智能照明管理軟件模塊、燈控模塊/調(diào)光模塊、通信模塊、燈具，通過和網(wǎng)關(guān)通信，支持本地控制和管理軟件遠(yuǎn)程控制，本地可以設(shè)置感應(yīng)開/關(guān)閉，并和光敏檢測模塊聯(lián)動，實現(xiàn)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(yīng)器、主動紅外入侵探測器、攝像機(jī)、雙鑒探測器對非法入侵、火情、煙塵等監(jiān)測，針對突發(fā)事件做出緊急處理，與 GSM/GPRS 短息貓聯(lián)動，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有異常時攝像機(jī)自動截取畫面并發(fā)送消息至指定手機(jī)或報警。

2.3 人臉識別門禁

人臉識別門禁系統(tǒng)由主人臉識別門禁機(jī)、門禁控制器和電鎖組成（聯(lián)網(wǎng)時外加電腦和網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備），使用方式屬非接觸方式，出入人只要在人臉識別門禁機(jī)附近（30-80 厘米）晃動一次，人臉識別門禁機(jī)就能將識別結(jié)果發(fā)送到門禁控制器上，然后由門禁控制器進(jìn)行檢查核對合法性，決定是否進(jìn)行開門動作。整個過程只要在有效的使用范圍內(nèi)均可實現(xiàn)門禁管理功能。人臉識別門禁機(jī)安裝門邊墻內(nèi)外，而不影響其工作。

人臉作為每個人身體的一部分、不能復(fù)制、安全可靠。并通過網(wǎng)絡(luò)與電腦進(jìn)行實時監(jiān)控（可由電腦發(fā)指令開/關(guān)所有門，并可實時查看所有門的狀態(tài)）、數(shù)據(jù)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(tǒng)主機(jī)、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(shù)實現(xiàn)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(nèi)的食物信息，食品提醒設(shè)置，一旦冰箱內(nèi)食物短缺或過期，就會發(fā)送短息到指定手機(jī)。

2.6 能耗監(jiān)測

包括能耗管理軟件模塊、智能插座、能耗統(tǒng)計模塊。通過智能插座實現(xiàn)所有電器通過數(shù)據(jù)采集終端，無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)無線抄表、管理功能?？梢远ㄖ平y(tǒng)計分析功能，并通過監(jiān)控系統(tǒng)控制臺、智能手機(jī)實現(xiàn)可視化查看和管理，體現(xiàn)綠色節(jié)能理念。

2.7 環(huán)境監(jiān)測

本系統(tǒng)包括環(huán)境監(jiān)測管理軟件模塊、溫濕度、光敏無線通信模塊。實現(xiàn)溫度、濕度、光敏等監(jiān)測，針對環(huán)境參數(shù)設(shè)備智能開啟相關(guān)設(shè)備自動調(diào)節(jié)環(huán)境溫濕度或與其他系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動，對突發(fā)事件做出緊急處理。

2.8 智能窗簾

本系統(tǒng)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(wǎng)關(guān)通信，支持本地和管理軟件遠(yuǎn)程控制， 本地可以設(shè)置感應(yīng)開/關(guān)閉，并和光敏檢測模塊聯(lián)動，實現(xiàn)自動化。

2.9 上位機(jī)管理軟件

系統(tǒng)包括照明、窗簾、能耗、電器、安防、環(huán)境監(jiān)測、實訓(xùn)評估模塊，本實訓(xùn)管理平臺是以上各個系統(tǒng)的一個綜合性、集中管理平臺。內(nèi)容包括：系統(tǒng)的實時狀態(tài)查看、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)存儲、統(tǒng)計分析、參數(shù)設(shè)置、預(yù)警。如圖1所示。

3 系統(tǒng)特色

真實的家居環(huán)境需要投入大量的人力物力，從實訓(xùn)的角度來說，需要耗費(fèi)大量的時間和經(jīng)歷建造樣板房，投入巨大。因此，設(shè)計采用模擬家居環(huán)境的智能家居系統(tǒng)，將涉及到的應(yīng)用及控制模塊和設(shè)備安裝部署在可收縮的網(wǎng)孔板機(jī)柜上，減少對空間的占用，并可應(yīng)用于以后的實訓(xùn)教學(xué)中。

智能家居實訓(xùn)系統(tǒng)安裝在一個網(wǎng)孔板機(jī)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(xùn)設(shè)備可以自由安裝，具有很大的靈活性。

各系統(tǒng)的控制模塊均安裝在 86 盒內(nèi)，可靈活部署在網(wǎng)孔板的任意位置，方便師生根據(jù)自己的設(shè)計完成施工。

4 總結(jié)

本文介紹了一個物聯(lián)網(wǎng)智能家居實訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，系統(tǒng)中模擬了智能家居中的部分場景，并在實驗室環(huán)境中做了大量的模擬測試，程序運(yùn)行良好?？傊?，進(jìn)行基于 ZigBee 技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)的設(shè)計分析，有利于提升基于物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)設(shè)計水平，促進(jìn)在實際中的推廣應(yīng)用，具有積極作用和價值意義。

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作者簡介

江進(jìn)（1981-），男，江蘇省句容市人。碩士學(xué)位?，F(xiàn)為江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系教師。研究方向為計算機(jī)技術(shù)。

作者單位

江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇省句容市 212400