物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室智能家居教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)建設(shè)探討

李青

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不斷向多元化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，智能家居作為一種重點(diǎn)應(yīng)用，是融合多學(xué)科多技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)。在分析建設(shè)智能家居教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)必要性的基礎(chǔ)上，針對(duì)智能家居教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的建設(shè)需滿足教學(xué)科研、大學(xué)生科技競(jìng)賽與畢業(yè)論文等活動(dòng)有機(jī)結(jié)合的目標(biāo)，提出相應(yīng)的技術(shù)架構(gòu)，并對(duì)各子系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析討論。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室;智能家居;子系統(tǒng)

[中圖分類號(hào)] ?G642 ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ?[文章編號(hào)] ?2096-0603（2019）25-0182-02

一、智能家居教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)建設(shè)的必要性

21世紀(jì)的人類社會(huì)正快速步入信息時(shí)代，我們處于新的技術(shù)革命之中，物聯(lián)網(wǎng)正是這場(chǎng)技術(shù)革命的中心。物聯(lián)網(wǎng)是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)等迅速發(fā)展和普及之后，出現(xiàn)新的計(jì)算模式的變革，實(shí)現(xiàn)了信息世界和物理世界的融合，被稱為“世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次革命”，物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、電網(wǎng)、家居等不同領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越受到重視。根據(jù)工業(yè)和信息化部牽頭制定的《物聯(lián)網(wǎng)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》中強(qiáng)調(diào)，要不斷推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)在消費(fèi)領(lǐng)域的實(shí)踐和應(yīng)用創(chuàng)新，鼓勵(lì)健康服務(wù)、智能家居等消費(fèi)領(lǐng)域的應(yīng)用迅速發(fā)展，促進(jìn)家庭智能安防、家用電器智能化控制、家居環(huán)境監(jiān)測(cè)和管理等智能家居得到廣泛應(yīng)用。

智能家居系統(tǒng)，是將ZigBee技術(shù)、RFID技術(shù)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通訊、綜合布線和無(wú)線等技術(shù)，將與家居生活相關(guān)的多種子系統(tǒng)通過(guò)信息管理平臺(tái)有機(jī)融合在一起，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化綜合智能控制和管理。首先，要在家居環(huán)境中建立一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)，在智能家居網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的作用下，通過(guò)硬件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)所有無(wú)線局域網(wǎng)上用電設(shè)備的控制。其次，各種用電設(shè)備都要通過(guò)一定的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，構(gòu)成與外界環(huán)境的通訊道路，實(shí)現(xiàn)與家庭外部環(huán)境的信息溝通，完成遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測(cè)和信息交換等功能，實(shí)現(xiàn)人們對(duì)家居環(huán)境的不同需求。

高校作為培養(yǎng)市場(chǎng)需求的高素質(zhì)人才的重要陣地，開(kāi)設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)及課程，建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室智能家居教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，成為人才培養(yǎng)的需求。

二、智能家居教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一門涉及計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、電子、通信、網(wǎng)絡(luò)、信息安全等多學(xué)科的應(yīng)用性極強(qiáng)的交叉學(xué)科，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室智能家居教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的建設(shè)，不僅是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要，也是學(xué)校可持續(xù)性發(fā)展的要求。

（一）實(shí)驗(yàn)室應(yīng)滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求

根據(jù)人才培養(yǎng)方案，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室智能家居教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的建設(shè)，應(yīng)能滿足本專業(yè)和相關(guān)專業(yè)學(xué)生完成驗(yàn)證性、綜合性、設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作和物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的實(shí)景搭建，鞏固物聯(lián)網(wǎng)的專業(yè)知識(shí)，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。

（二）實(shí)驗(yàn)室很強(qiáng)的延展性應(yīng)滿足科研要求

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室很重要的一個(gè)特征是通過(guò)傳感器、射頻等技術(shù)，將不同物體聯(lián)系起來(lái)，因此實(shí)驗(yàn)室建設(shè)時(shí)都留有統(tǒng)一開(kāi)放的接口，并且開(kāi)放系統(tǒng)源代碼，用于教學(xué)科研的二次開(kāi)發(fā)，使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。智能家居教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)具有豐富的資源條件和前沿性技術(shù)，可以為教師科研課題、學(xué)生社團(tuán)的科技訓(xùn)練、物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目實(shí)踐、科技競(jìng)賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、畢業(yè)論文設(shè)計(jì)甚至對(duì)接企業(yè)產(chǎn)品提供實(shí)驗(yàn)條件。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)、教師科研、大學(xué)生科技競(jìng)賽與畢業(yè)論文等活動(dòng)通過(guò)智能家居教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合在一起，相輔相成，不僅充分利用了實(shí)驗(yàn)室資源，提高資源利用率，還可以汲取學(xué)生的奇思妙想為教師帶來(lái)科研上的靈感，為提升科研成果質(zhì)量、提高學(xué)科建設(shè)水平助力。

三、智能家居教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的建設(shè)內(nèi)容

智能家居教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)是由多種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)交融形成的復(fù)雜系統(tǒng)，涉及智能傳感器技術(shù)、嵌入式編程技術(shù)、無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)、串口及網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)、RFID射頻識(shí)別技術(shù)和云平臺(tái)等遠(yuǎn)程控制，這些技術(shù)和操作要領(lǐng)在物聯(lián)網(wǎng)的理論課和實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中可以學(xué)習(xí)到;同時(shí)構(gòu)建一個(gè)智能家居的實(shí)景體驗(yàn)區(qū)，供學(xué)生真實(shí)體驗(yàn)智能化家居環(huán)境的部署效果;在實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)景體驗(yàn)的基礎(chǔ)上，學(xué)生可根據(jù)自行設(shè)計(jì)的需求，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，運(yùn)用智能家居教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的各種模塊、傳感器等設(shè)備器件，通過(guò)開(kāi)放的通信接口，自行設(shè)計(jì)和擴(kuò)展控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)教學(xué)系統(tǒng)和體驗(yàn)系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，實(shí)景搭建屬于自己的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，加強(qiáng)學(xué)生全面把控部署實(shí)際場(chǎng)景的能力，從而實(shí)現(xiàn)智能家居教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)、體驗(yàn)和展示、科研創(chuàng)新的綜合功能。其系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如下圖所示。

（一）智能家居教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其工作過(guò)程可以類比人類對(duì)問(wèn)題進(jìn)行智慧處理的過(guò)程，借鑒成熟的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型的研究方法，物聯(lián)網(wǎng)在結(jié)構(gòu)上可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三個(gè)彼此獨(dú)立又緊密關(guān)聯(lián)的部分。感知層類似于人的五官，用于全面感知環(huán)境、獲取信息、采集數(shù)據(jù)，它是聯(lián)系物理世界與信息世界的基礎(chǔ)，主要由RFID設(shè)備、各類傳感器、攝像頭、開(kāi)關(guān)控制的器件等構(gòu)成;網(wǎng)絡(luò)層類似于人的神經(jīng)，用于傳輸信息，采用無(wú)線和有線兩種技術(shù)進(jìn)行搭建，包括無(wú)線局域網(wǎng)、校園網(wǎng)、無(wú)線移動(dòng)通訊網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)等;應(yīng)用層類似于人的大腦進(jìn)行智能計(jì)算，提供數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、融合、查詢、檢索功能，并進(jìn)行智能數(shù)據(jù)處理和智能決策，為各子系統(tǒng)提供智能服務(wù)。

（二）智能家居實(shí)景體驗(yàn)系統(tǒng)功能

1.環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

此系統(tǒng)由溫度、濕度、光照與氣體等多種傳感器，感知當(dāng)前的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，并上傳到用戶的手機(jī)端和云端，系統(tǒng)頁(yè)面實(shí)時(shí)顯示環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將環(huán)境數(shù)據(jù)定時(shí)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)，供查詢歷史記錄，環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與燈光、窗簾、排風(fēng)扇、空氣凈化器、加濕器等設(shè)備根據(jù)既定策略聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境的智能化改善。

2.智能照明子系統(tǒng)

此系統(tǒng)由燈光控制器、家居控制器與彩燈等組成，通過(guò)光照采集器采集到不同光照強(qiáng)度，根據(jù)用戶的需求，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光的手動(dòng)控制、自動(dòng)控制和智能燈光跟隨等功能。對(duì)固定模式的場(chǎng)景，通過(guò)編程進(jìn)行場(chǎng)景設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)多路燈光場(chǎng)景的轉(zhuǎn)換和燈光、電器的組合場(chǎng)景。

3.智能窗簾子系統(tǒng)

此系統(tǒng)由窗簾、電機(jī)、控制器與智能家居控制器等構(gòu)成。通過(guò)光照傳感器采集到光照強(qiáng)度，窗簾可以根據(jù)用戶的需求手動(dòng)或自動(dòng)進(jìn)行開(kāi)關(guān)。

4.智能安防子系統(tǒng)

此系統(tǒng)是由傳感技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)與無(wú)線電技術(shù)等多種技術(shù)匯為一體的綜合應(yīng)用實(shí)例，利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)將家電控制、環(huán)境控制、視頻監(jiān)控、家庭安全防范等有機(jī)結(jié)合的智能系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的技術(shù)性和前瞻性。系統(tǒng)的傳感器包括門禁、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、CO傳感器、門磁和窗磁傳感器、煙霧探測(cè)器、紅外傳感器等。門禁系統(tǒng)是獨(dú)立模塊，可通過(guò)刷卡、指紋、人臉識(shí)別三種方式來(lái)控制門鎖的開(kāi)啟與關(guān)閉，門禁機(jī)對(duì)開(kāi)門情況進(jìn)行自動(dòng)記錄以供查詢;應(yīng)用智能門鈴和電子鎖聯(lián)動(dòng)，對(duì)門的開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

5.智能影音子系統(tǒng)

此系統(tǒng)由電視機(jī)、功放、機(jī)頂盒與音箱等影音設(shè)備構(gòu)成，通過(guò)智能家居控制器，對(duì)家庭影院的影音系統(tǒng)、燈光、窗簾等設(shè)備完成智能集中控制，能完成強(qiáng)大的場(chǎng)景功能。

6.智能溫控子系統(tǒng)

此系統(tǒng)將空調(diào)接入網(wǎng)絡(luò)，由多個(gè)溫度采集器實(shí)時(shí)采集所需位置溫度，根據(jù)時(shí)間、季節(jié)作出反饋控制，進(jìn)行溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)空調(diào)的智能化控制。

7.語(yǔ)音控制子系統(tǒng)

此系統(tǒng)主要包括語(yǔ)音控制終端、語(yǔ)音控制系統(tǒng)軟件，是基于智能語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)來(lái)控制家居用電設(shè)備，與服務(wù)器共同完成語(yǔ)音控制功能。

8.能源監(jiān)控子系統(tǒng)

此系統(tǒng)是以用電、用水量管理和監(jiān)測(cè)的管理系統(tǒng)，采集家居每日用電用水總量、功率峰值等信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)，經(jīng)分析統(tǒng)計(jì)出各種數(shù)據(jù)報(bào)表，供用戶以不同方式進(jìn)行歷史查詢，可以預(yù)設(shè)閾值，當(dāng)數(shù)據(jù)超標(biāo)時(shí)自動(dòng)報(bào)警。

各子系統(tǒng)由視頻服務(wù)平臺(tái)有機(jī)融合在一起，可由手機(jī)、計(jì)算機(jī)等登錄智能家居界面進(jìn)行實(shí)時(shí)訪問(wèn)，并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制各用電設(shè)備。

四、結(jié)語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的范圍越來(lái)越廣泛，涉及生活工作的各個(gè)領(lǐng)域。智能家居教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的建設(shè)，為學(xué)生搭建了一個(gè)探索物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)踐平臺(tái)，幫助學(xué)生掌握物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)途徑。教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生學(xué)以致用，根據(jù)自己的專業(yè)特點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，從而為社會(huì)培養(yǎng)優(yōu)秀的專業(yè)人才。

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編輯 陳鮮艷