基于智能家居的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實訓(xùn)平臺設(shè)計研究

【摘要】信息化時代背景下，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，智能家居已經(jīng)成為了人們的一個熱議話題。因此，為了符合高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)對實訓(xùn)設(shè)施提出的需求，應(yīng)該構(gòu)建一個以智能家居為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實訓(xùn)平臺，以此來培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，提高他們的綜合技能。基于此，文中重點分析了基于智能家居的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實訓(xùn)平臺設(shè)計流程。

【關(guān)鍵詞】智能家居;物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);實訓(xùn)平臺;設(shè)計

隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)同其他產(chǎn)業(yè)之間的相互融合，各種新型產(chǎn)品和服務(wù)形式開始不斷涌現(xiàn)，從而在一定程度上推動了有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)專業(yè)的發(fā)展。另外，高校物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)專業(yè)課程也越來越注重硬件同軟件技術(shù)的有機結(jié)合。物聯(lián)網(wǎng)智能家居實訓(xùn)

平臺的構(gòu)建應(yīng)該與國家工業(yè)與教育行業(yè)規(guī)范相符合，注重實訓(xùn)教學(xué)，以此來培養(yǎng)學(xué)生的就業(yè)能力。雖然我國生產(chǎn)教學(xué)設(shè)施的企業(yè)研發(fā)出了物聯(lián)網(wǎng)實驗箱等實訓(xùn)裝置，但是由于這些裝置的成本較高、系統(tǒng)控制方式過于單一，因此，無法使控制對象呈現(xiàn)出多樣化。基于此，文中基于智能家居，應(yīng)用ZigBee、WiFi等無線通信技術(shù)，構(gòu)建了一個集多種功能于一體的綜合實訓(xùn)平臺，以此來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提升他們的實踐操作能力。

1. 物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)的主要技術(shù)

第一，射頻識別技術(shù)。此項技術(shù)屬于一種非接觸式智能身份識別技術(shù)，在系統(tǒng)中它通過射頻信號，對目標(biāo)進(jìn)行自動識別，以此來獲取有關(guān)數(shù)據(jù)。第二，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。此項技術(shù)是一個小型通信網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)，它憑借自身的特點將非常靈活、可移動的組網(wǎng)方式提供給了系統(tǒng)，WSN集信息的采集、傳輸和處理功能于一體，從而符合了智能家居系統(tǒng)的信息管理需求。第三，短距無線通信技術(shù)。此項技術(shù)是由Wi-Fi、Bluetooth、NFC、ZigBee組成的，以上技術(shù)的特點為安全性較高、傳輸速度較快。第四，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全。物聯(lián)網(wǎng)智能家居不僅要應(yīng)對安全問題，而且還需要對其他方面的問題加以解決，比方說，感知節(jié)點本地、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸安全以及網(wǎng)絡(luò)核心層信息傳輸安全問題，以免出現(xiàn)用戶泄露信息的現(xiàn)象。

2.平臺的構(gòu)建需求

現(xiàn)如今，我國越來越注重物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，這主要是由于物聯(lián)網(wǎng)在機器和設(shè)備制造以及產(chǎn)品研發(fā)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，現(xiàn)如今，行業(yè)也迫切需求此種類型的人才。另外，智能家居下的物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)平臺還應(yīng)該根據(jù)國家工業(yè)與教育行業(yè)規(guī)范，加強實訓(xùn)，以此來提高學(xué)生的就業(yè)能力。

2.1系統(tǒng)功能目標(biāo)研究

從某種程度上來看，系統(tǒng)不僅要實現(xiàn)信息化與智能化的目標(biāo)，而且還應(yīng)該打破傳統(tǒng)的人工管理模式。所以，不管是實訓(xùn)平臺的人員，還是設(shè)備管理人員均應(yīng)該采取信息化管理手段來代替之前的手工登記;另外，在檢測實訓(xùn)平臺環(huán)境的過程中，還應(yīng)該利用傳感器來監(jiān)控實訓(xùn)平臺的實際運行情況;并基于對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，自動控制實訓(xùn)平臺的門禁、窗簾、視頻監(jiān)控和空調(diào)等，以此來減少對電能的消耗。

2.2系統(tǒng)功能需求

系統(tǒng)不僅要具備用戶和設(shè)備信息管理、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程控制功能，而且還要具備一定的節(jié)能效率。所以，用戶管理應(yīng)該對各級用戶加以區(qū)分，以此來確保教師與平臺的管理者能夠更改信息;另外，設(shè)備信息管理還應(yīng)該能夠修改、刪除有關(guān)設(shè)備信息;就實訓(xùn)平臺的情況而言，應(yīng)該將各項數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控工作落實好，此外，還需要采集實訓(xùn)平臺的數(shù)據(jù)。

2.3系統(tǒng)性能需求

要想確保平臺的可用性，就應(yīng)該構(gòu)建完善的系統(tǒng)。因此，對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計前，應(yīng)該將調(diào)研工作落實好，并建立需求分析文檔。另外，在開發(fā)過程中，還應(yīng)該對系統(tǒng)的延伸性加以考慮，并測試全部模塊。其次，一定要確保系統(tǒng)的可靠性。由于系統(tǒng)需要監(jiān)測實訓(xùn)平臺的溫度、濕度、光照，因此，實訓(xùn)平臺一定要安全可靠，以防發(fā)生事故。最后，確保系統(tǒng)的兼容性與開放性。應(yīng)用軟件技術(shù)促使實訓(xùn)平臺基于主流操作系統(tǒng)來運行，并確保其開放性，以此來實現(xiàn)系統(tǒng)升級。

3.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

此實訓(xùn)平臺的組成部分為設(shè)備域、云服務(wù)和應(yīng)用域。整個實訓(xùn)平臺以設(shè)備域控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，該系統(tǒng)的組成部分是現(xiàn)場控制硬件和網(wǎng)關(guān)。由于涉及到通訊距離、費用、能耗和應(yīng)用范圍，因此，應(yīng)用ZigBee技術(shù)對現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行構(gòu)建。

4.硬件設(shè)計

將CC2530作為硬件模塊的核心板，配以ZigBee無線模塊構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)呈星形結(jié)構(gòu)，由1個協(xié)調(diào)器與多個終端節(jié)點組成。協(xié)調(diào)器的功能是對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，對繼電器加以控制，所獲取的數(shù)據(jù)信息同網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通訊。將8051作為CC2530的內(nèi)核，板載電壓設(shè)定為3.3V。終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器之間依托Zigbee進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，協(xié)調(diào)器和網(wǎng)關(guān)依托串口進(jìn)行通信。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中將終端節(jié)點作為基礎(chǔ)節(jié)點，能夠與傳感器進(jìn)行通訊，如果設(shè)置的程序不同，實現(xiàn)的功能也會有所不同。在終端節(jié)點模式下，ZigBee模塊通電以后結(jié)合PanID等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)入網(wǎng)，然后保持休眠狀態(tài)，待時序中斷以后從傳感器硬件中采集數(shù)據(jù)，并向協(xié)調(diào)器發(fā)送，或利用協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)將喚醒中斷，按照獲取的數(shù)據(jù)對GPIO進(jìn)行控制。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)以協(xié)調(diào)器為核心，其功能為向網(wǎng)關(guān)傳送終端節(jié)點的數(shù)據(jù)，并對網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，結(jié)合數(shù)據(jù)種類向網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點發(fā)送。ZigBee協(xié)調(diào)器只將串口作為輸入和輸出接口，要想與云服務(wù)器真正對接，就應(yīng)該利用網(wǎng)關(guān)來轉(zhuǎn)換協(xié)議，并對串口加以控制，然后將訪問命令發(fā)出。所以，現(xiàn)場控制以網(wǎng)關(guān)為核心。

5.軟件設(shè)計

5.1網(wǎng)關(guān)設(shè)計

“樹莓派”硬件是網(wǎng)關(guān)運行的主陣地，其主要負(fù)責(zé)采用MQTT協(xié)議與云端應(yīng)用進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。網(wǎng)關(guān)軟件的模塊內(nèi)容體現(xiàn)如下：第一，串口數(shù)據(jù)訪問;第二，報警規(guī)則定義;第三，設(shè)施設(shè)置管理;第四，實時控制;第五，數(shù)據(jù)同步?？偠灾W(wǎng)關(guān)不僅能夠利用協(xié)調(diào)器接收傳感器數(shù)據(jù)，而且還能夠接收云端應(yīng)用的指令，并向協(xié)調(diào)器發(fā)送，進(jìn)而實現(xiàn)了對終端的控制。

5.2 云端軟件設(shè)計

應(yīng)用Java Web技術(shù)對云端應(yīng)用模塊進(jìn)行構(gòu)建，在云計算平臺上運行，主要負(fù)責(zé)向用戶提供遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)存儲和可視化，另外，還能夠?qū)⒑线m的API接口提供給手機應(yīng)用。主要模塊和功能具體體現(xiàn)如下：第一，報警規(guī)則定義;第二，數(shù)據(jù)同步;第三，遠(yuǎn)程控制（利用界面按鈕開啟、關(guān)閉用電器，運用MQTT下行主題將消息發(fā)送出去，通過網(wǎng)關(guān)對此主題接收消息進(jìn)行訂閱并讓協(xié)調(diào)器對其加以處理。第四，歷史數(shù)據(jù)（對保存在數(shù)據(jù)庫里面的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢并將其呈現(xiàn)出來）;第五，數(shù)據(jù)可視化（將設(shè)施運行的全部數(shù)據(jù)與狀態(tài)展示出來，構(gòu)建數(shù)據(jù)分析報表與圖形）;第六，移動API接口（采取RESTful形式將API接口提供給Android應(yīng)用訪問，其中可以采用HTTP協(xié)議對這些接口進(jìn)行訪問）。網(wǎng)關(guān)和云端應(yīng)用基于MQTT協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并將MQTT服務(wù)器軟件設(shè)置在云端服務(wù)器上，從而為網(wǎng)關(guān)與云端進(jìn)行實時通訊創(chuàng)造條件。

5.3 手機端軟件設(shè)計

應(yīng)用Android技術(shù)設(shè)計手機端軟件，依托于云端應(yīng)用的RESTful API接口，在手機上對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程查看與控制。主要內(nèi)容體現(xiàn)如下：第一，報警信息（將設(shè)備全部的報警信息顯示出來，并對其加以處理）;第二，用電器控制（將啟停電器的請求發(fā)給云端應(yīng)用）;第三，安全模塊（對設(shè)施防火、防盜等模塊的開關(guān)加以控制）;第四，歷史操作（根據(jù)各個時間段將報警信息顯示出來，并對其加以處理）。

6. 結(jié)束語

綜上所述，就當(dāng)前而言，物聯(lián)網(wǎng)在人們的生活和工作中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。所以，高校應(yīng)該基于智能家居并結(jié)合實際需求構(gòu)建一個實訓(xùn)平臺，以此來幫助學(xué)生充分了解物聯(lián)網(wǎng)以及智能家居。因此，文中基于智能家居，應(yīng)用ZigBee、WiFi等無線通信技術(shù)設(shè)計出了不同類型的軟件和硬件，另外，還構(gòu)建了集多項功能于一體的實訓(xùn)平臺。由于此平臺具備開放性，因此，可以結(jié)合教學(xué)內(nèi)容需求適當(dāng)?shù)卦黾踊蛘呤莿h減設(shè)備與軟件模塊。現(xiàn)如今，實訓(xùn)平臺已經(jīng)開始為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的實訓(xùn)教學(xué)提供服務(wù)。除此之外，大量實踐教學(xué)表明，此平臺還能夠在有關(guān)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)專業(yè)課程的教學(xué)方面發(fā)揮出有效的輔助作用，從而不僅有助于培養(yǎng)學(xué)生的實踐操作能力，讓他們充分了解物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用項目，而且還能夠推動其積極進(jìn)行實踐創(chuàng)新。

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作者簡介：鄧?yán)?四川江油人，中級講師，從事嵌入式應(yīng)用開發(fā)、無線傳輸技術(shù)研究.