設計一個智能家居模型

李敦勇 劉正云

智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術、網(wǎng)絡通信技術、安全防范技術、自動控制技術、音視頻技術等將與家居生活有關的設施集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統(tǒng)。

設計一個智能家居模型的學習課題源于學生對智能家居的好奇，智能家居作為一個新興事物，其內部原理、技術實現(xiàn)等大家都不太了解。因此，本項目試圖從門禁系統(tǒng)這一“小斑”的設計與實現(xiàn)去引導學生知“全豹”。該項目不僅可以幫助學生理解和應用所學的軟硬件知識和技術，而且還滲透了物聯(lián)網(wǎng)技術的運用，真正培養(yǎng)了學生自主探究學習的意識和能力。

● 門禁系統(tǒng)的工作原理

在設計門禁系統(tǒng)之前，首先得理清門禁系統(tǒng)的工作原理。門禁系統(tǒng)兼具傳統(tǒng)與智能兩種家居功能，簡單來說它既可以通過手動開關來實現(xiàn)門的開關功能（傳統(tǒng)的），也可以通過SIoT服務器平臺來實現(xiàn)手機遠程讀取門的狀態(tài)以及控制門的開關的功能（智能的）。門禁系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

● 門禁系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

本項目所需硬件清單如下表所示。

第一步：設計并使用廢棄的紙板制作智能家具的外觀模型。

第二步：將掌控板插在掌控板擴展板上，將三個按鈕分別連在掌控板擴展板的P8、P13、P16針腳上，將舵機接在P1針腳，連接電源給本套裝置供電。

第三步：在軟件實現(xiàn)成功之后，將外觀模型進行組裝，并將掌控板+擴展板、電池盒、按鈕和舵機等固定在房子內部。

● 門禁系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

門禁系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)主要包含三個部分：一是MQTT服務器的架設，為后期消息的發(fā)送及訂閱提供保障;二是掌控板端的程序編寫，實現(xiàn)掌控板與SIoT平臺的消息互通;三是手機APP的部署，完成手機的遠程控制。

1.架設SIoT服務器

下載SIoT軟件壓縮包，解壓后雙擊運行。在整個實驗過程中服務器保持運行狀態(tài)。從運行界面可知該服務器的IP地址為192.168.8.112。在手機部署階段可通過訪問該服務器的IP地址（如http：//192.168.8.112：8080）實現(xiàn)消息的查閱及發(fā)送。

2.編寫掌控板端程序

（1）編程實現(xiàn)單純按鈕控制門禁開關

根據(jù)門的位置及連接的方式，確定舵機安裝方式。使用Mind+編程，實現(xiàn)P8針腳連接的按鈕被按下時，舵機轉動到10度，門打開;P16針腳連接的按鈕被按下時，舵機轉動90度，門關閉。

（2）編程實現(xiàn)SIoT平臺控制門禁開關

在簡單控制程序的基礎上加入MQTT服務器的內容，使掌控板端通過無線，連接上之前一直打開著的SIoT平臺，需要注意的是，程序中的Wi-Fi應與SIoT處于同一個局域網(wǎng)之內。

3.部署手機APP

通過訪問http：//app.gzjkw.net進行APP inventor的在線編程。

（1）組件設計

整個界面主要由1個標簽（設置其文本為“讀取狀態(tài)……”）、2個按鈕（開門、關門）、2個非可視組件Web客戶端和計時器組成。

（2）邏輯設計

根據(jù)SIoT的WebAPI功能，首先，每隔1秒訂閱一次最新消息。使用計時器指令實現(xiàn)訪問SIoT服務器網(wǎng)址，并獲得文本，將返回的數(shù)據(jù)存放在“響應內容”中。其次，通過對“響應內容”的處理，提取所需內容，進行邏輯判斷，程序如圖2所示。最后，編程實現(xiàn)APP通過“開門”“關門”按鈕完成消息的發(fā)送，具體編程如圖3所示。

● 拓展提升

完成硬件和代碼后，就可以開始測試了：按下智能家居模型以及手機APP上的相應按鈕，門可以實現(xiàn)打開、關閉功能;手機APP上也可以及時傳回門禁系統(tǒng)的開閉狀態(tài)。該模型利用SIoT物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)了遠程控制，也讓學生了解到了智能家居的基本原理及實現(xiàn)方法。

當然對于這個項目，個人覺得還可以作一些拓展：

第一，項目的SIoT物聯(lián)網(wǎng)平臺是建立在局域網(wǎng)內的，其實也可以建立在整個廣域網(wǎng)中，那將實現(xiàn)跨網(wǎng)訪問與交互，其應用領域也將會更廣闊。

第二，手機端的控制是利用SIoT服務器的WebAPI功能，通過手機APP的Web客戶端發(fā)起請求來實現(xiàn)手機的遠程控制。除此之外，也可以利用計算機的網(wǎng)頁端等其他多種方式來實現(xiàn)。

● 結語

設計智能家居模型是一個非常適合中小學的研究項目，其價值是將傳統(tǒng)開關門方式與現(xiàn)代科技結合，通過動手造物的形式，讓學生深入理解現(xiàn)代門禁系統(tǒng)可能的實現(xiàn)方法，進而對智能家居有深刻而又具體的認識。SIoT的出現(xiàn)與普及，讓物聯(lián)網(wǎng)平臺的學習門檻越來越低，學生利用掌控板和MQTT協(xié)議，完全能夠做出可以真正應用于生活中的智能裝置，如將學校創(chuàng)客空間的某些設備改造為遠程控制。