基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺的設(shè)計(jì)

葉建德

（泉州職業(yè)技術(shù)大學(xué) 福建省泉州市 362269）

近年來，伴隨物聯(lián)網(wǎng)與各個領(lǐng)域的融合發(fā)展，當(dāng)前一些新的智能化產(chǎn)品和服務(wù)層出不窮，也在很大程度上推進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，因此高校的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學(xué)也應(yīng)順應(yīng)行業(yè)的需求，重視軟硬件技術(shù)的有機(jī)融合教學(xué)，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的智能家居實(shí)訓(xùn)平臺在構(gòu)建理念上要符合國家工業(yè)的規(guī)范需求，通過強(qiáng)化實(shí)踐實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)，更好的培養(yǎng)學(xué)生的就業(yè)創(chuàng)業(yè)能力[1]。盡管當(dāng)前教學(xué)中有了物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)箱等裝置，然而基于其成本過高、系統(tǒng)控制方式單一，它還不具備完善的實(shí)訓(xùn)效果，鑒于此本文以智能家居為主線，采用紫蜂、Wi-Fi等先進(jìn)的無線通信技術(shù)，建立形成多動能一體化的綜合實(shí)訓(xùn)平臺，以期為學(xué)生創(chuàng)造良好的實(shí)踐實(shí)訓(xùn)條件，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高實(shí)踐教學(xué)的效果。

1 當(dāng)前社會對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人才的用工需求

首先，我們要知道物聯(lián)網(wǎng)的定義，所謂物聯(lián)網(wǎng)就是通過各種信息傳感設(shè)備實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間的有效互聯(lián)，它的主要特征是借助傳感器以及射頻識別等方式來接收信息數(shù)據(jù)，并通過移動網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的傳輸交互，借助智能技術(shù)對信息數(shù)據(jù)予以處理分析，提高對物質(zhì)的感知功能，從而實(shí)現(xiàn)智能化的決策及控制[2]。當(dāng)前，很多領(lǐng)域都應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其中包括醫(yī)療、交通、家居、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)等?？梢哉f，未來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步融合，將會引發(fā)新一輪智能化革命，驅(qū)動著信息產(chǎn)業(yè)的不斷升級。

物聯(lián)網(wǎng)作為新時(shí)期的新事物，無論在設(shè)備制造、產(chǎn)品研發(fā)還是系統(tǒng)集成等各方面都急缺大量的技術(shù)應(yīng)用人才。隨著物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)市場規(guī)模的不斷擴(kuò)大，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用會越來越普及化，而與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)則會需求大量的人才。目前，經(jīng)國家教育部批準(zhǔn)開辦互聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的高校有上百所，而專業(yè)教學(xué)的發(fā)展必須要以硬件的專業(yè)建設(shè)為基礎(chǔ)，實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺的構(gòu)建就是一個必然。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺將“任務(wù)驅(qū)動”與“工學(xué)結(jié)合”兩種教學(xué)方法有機(jī)結(jié)合，具備相應(yīng)的國家教育及國家工業(yè)制造標(biāo)準(zhǔn)，把物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學(xué)實(shí)訓(xùn)、崗位技能以及工程經(jīng)驗(yàn)融合起來，具備教學(xué)所學(xué)的工程展示、設(shè)備認(rèn)識、理論實(shí)踐、技能實(shí)訓(xùn)等多項(xiàng)功能[3]。高校通過構(gòu)建智能家居實(shí)訓(xùn)平臺，緊跟新時(shí)期物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)前沿，從而最大化滿足高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)“理實(shí)結(jié)合”的教學(xué)需求，尤其符合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程、云計(jì)算等相關(guān)專業(yè)學(xué)生的實(shí)際需求。

2 物聯(lián)網(wǎng)智能家居實(shí)訓(xùn)教學(xué)的重要性

通過物聯(lián)網(wǎng)智能家居實(shí)訓(xùn)平臺，可針對高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)《物聯(lián)網(wǎng)工程》、《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》、《智能化工程設(shè)計(jì)》、《智能家居設(shè)備安裝與調(diào)試》、《物理網(wǎng)工程》、《綜合布線技術(shù)》等相關(guān)課程實(shí)施教學(xué)實(shí)訓(xùn)活動，讓學(xué)生全面學(xué)習(xí)、理解并掌握物聯(lián)網(wǎng)智能家居工程的各項(xiàng)專業(yè)知識和技能，提高學(xué)生在專業(yè)方面的項(xiàng)目設(shè)計(jì)能力及施工技術(shù)[4]。在日常教學(xué)中實(shí)施物聯(lián)網(wǎng)智能家居實(shí)訓(xùn)，幫助學(xué)生增加工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、強(qiáng)化項(xiàng)目設(shè)計(jì)思維、提高調(diào)式安裝能力，使其未來就業(yè)能夠順利從事與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)的各項(xiàng)工作，比如針對智能家居設(shè)計(jì)系統(tǒng)工程、繪制項(xiàng)目圖紙、進(jìn)行安裝調(diào)試、維護(hù)應(yīng)用系統(tǒng)等等，實(shí)現(xiàn)與崗位就業(yè)的有效對接。

在當(dāng)前信息社會，物聯(lián)網(wǎng)作為信息產(chǎn)業(yè)的新勢力受到廣泛重視，預(yù)計(jì)未來物聯(lián)網(wǎng)還會不斷改變并優(yōu)化我們的生活，讓“智能”無處不在。如今伴隨我國城鎮(zhèn)建設(shè)的飛速發(fā)展，社會和企業(yè)都迫切需求一批高精專的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人才。而高校開展物聯(lián)網(wǎng)智能家居實(shí)訓(xùn)教學(xué)，正是為順應(yīng)社會發(fā)展的需求，為我國快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)輸送更多優(yōu)秀的急需之才，致力于幫助高校提升教學(xué)效率、為學(xué)生提高就業(yè)能力。目前，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)都需要高速互聯(lián)網(wǎng)為依托，在此需求下，建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)工程、提高運(yùn)營維護(hù)能力必定是未來信息熱門技術(shù)的重點(diǎn)。故此，高校構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)智能家居實(shí)訓(xùn)平臺、貫徹實(shí)訓(xùn)教學(xué)將極為必要。

3 物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 射頻識別技術(shù)

射頻識別技術(shù)是一種非接觸性智能化身份識別技術(shù)，通過系統(tǒng)中的射頻信號對定位目標(biāo)進(jìn)行自動化識別，從而獲取到需要的信息數(shù)據(jù)[5]。

3.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)屬于一個微型通訊網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)，它的特點(diǎn)就是靈活性很強(qiáng)，通過組網(wǎng)并傳輸?shù)较到y(tǒng)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將信息采集、傳送以及處理三功能融為一體，以此保障智能家居系統(tǒng)在信息管理應(yīng)用層面的需求。

3.3 短距無線通信技術(shù)

短距無線通信技術(shù)由Wi-Fi、藍(lán)牙、近場通信以及紫峰技術(shù)組合而成，該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)就是安全性能穩(wěn)定、信息傳輸速度飛快。

3.4 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)

我們不僅要保障物聯(lián)網(wǎng)智能家居的網(wǎng)絡(luò)安全，還需針對感知點(diǎn)本地、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸安全、網(wǎng)絡(luò)核心層信息傳輸安全等問題進(jìn)行處理，規(guī)避用戶在使用的過程中出現(xiàn)信息泄露的風(fēng)險(xiǎn)。

4 物聯(lián)網(wǎng)智能家居實(shí)訓(xùn)平臺的構(gòu)建需求

4.1 智能家居系統(tǒng)功能目標(biāo)研究

智能家居系統(tǒng)不但要實(shí)現(xiàn)信息化和智能化的功能目標(biāo)，還需突破傳統(tǒng)化的人工管理操作模式。因此，應(yīng)用信息化管理手段替換原來的手工操作環(huán)節(jié)是首要之需；同時(shí)通過檢測實(shí)訓(xùn)平臺的運(yùn)行環(huán)境，借助傳感器用以監(jiān)督實(shí)訓(xùn)平臺的實(shí)際運(yùn)作情況，并以物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)為基礎(chǔ)，對實(shí)訓(xùn)平臺中的門禁、窗簾、監(jiān)控、空調(diào)等進(jìn)行自動控制，從而有效減少家居用電的損耗。

4.2 智能家居系統(tǒng)功能需求

智能家居系統(tǒng)要同時(shí)具備設(shè)備信息管理、用戶信息管理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測以及遠(yuǎn)程遙控控制等功能，還需要有一定的節(jié)能效率[6]。因此在對各級用戶進(jìn)行管理時(shí)要加以分區(qū)，從而保證授課教師及平臺管理員能夠及時(shí)更改有關(guān)信息。此外，設(shè)備信息管理應(yīng)具備信息修改、刪除、增加等功能；并能及時(shí)采集實(shí)訓(xùn)平臺數(shù)據(jù)，做好各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控工作。

4.3 智能家居系統(tǒng)性能需求

要保證智能家居實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺的適用性，我們需要建立全面完善的系統(tǒng)。故此在針對系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須要將教學(xué)調(diào)研工作落實(shí)明確，形成平臺應(yīng)用需求的分析文件。同時(shí)，在開發(fā)系統(tǒng)的過程中，要對系統(tǒng)自身的延展性進(jìn)行合理考慮，對所有應(yīng)用模塊都要采取測試和驗(yàn)證；其次，要保證系統(tǒng)的可靠性，鑒于系統(tǒng)要對實(shí)訓(xùn)平臺的溫濕度、光照度進(jìn)行檢測，保證其安全可靠性才能更好的規(guī)避實(shí)訓(xùn)操作中事故的產(chǎn)生；最后還有保證系統(tǒng)的開發(fā)性、兼容性，借助軟件技術(shù)讓實(shí)訓(xùn)平臺始終以主流操作系統(tǒng)運(yùn)行，并使其具備開發(fā)性便于后期系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)升級[7]。

5 智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能家居實(shí)訓(xùn)平臺由設(shè)備域、云服務(wù)以及應(yīng)用域組成，通過設(shè)備域控制整個實(shí)訓(xùn)平臺的系統(tǒng)，而系統(tǒng)的組成包括現(xiàn)場的控制硬件及網(wǎng)關(guān)。因?yàn)樯婕暗劫M(fèi)用能耗、通信距離以及應(yīng)用方位，所以要應(yīng)用紫峰技術(shù)來建立現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。

6 智能家居系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件的核心板使用CC2530，配置紫蜂無線模塊建立網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出星狀，通過一個協(xié)調(diào)器和多個不同終端節(jié)點(diǎn)形成。系統(tǒng)協(xié)調(diào)器主要功能是采取信息數(shù)據(jù)、控制繼電器設(shè)備，將獲取到的信息數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通訊。將8051單機(jī)片作為CC2530的內(nèi)核，同時(shí)設(shè)定3.3V的板載電壓，借助紫峰無線模塊將終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通，協(xié)調(diào)器及網(wǎng)關(guān)通過串口進(jìn)行通訊。

在紫蜂網(wǎng)絡(luò)中把終端節(jié)點(diǎn)作為基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)，使其與傳感器相互通信，在程序設(shè)置不同的前提下所能實(shí)現(xiàn)的功能就可不同。在終端節(jié)點(diǎn)模式下，通電之后的紫峰模塊結(jié)合panid網(wǎng)絡(luò)參數(shù)入網(wǎng)，隨即它會保持休眠的狀態(tài)，等待時(shí)序中斷再采集數(shù)據(jù)并往協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)，或通過協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)喚醒中斷，根據(jù)獲取到的數(shù)據(jù)對GP IO接口進(jìn)行控制[8]。

紫峰網(wǎng)絡(luò)的核心是協(xié)調(diào)器，它的主要功能是向網(wǎng)關(guān)傳遞終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并予以接收數(shù)據(jù)，再結(jié)合數(shù)據(jù)類型發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)上。紫蜂協(xié)調(diào)器只會把串口當(dāng)做輸入輸出的接口，而要讓云端服務(wù)器真正實(shí)現(xiàn)對接功能，則要利用網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換協(xié)議，同時(shí)對串口進(jìn)行控制，才能發(fā)出訪問命令。因此，實(shí)訓(xùn)平臺現(xiàn)場控制要以網(wǎng)關(guān)為主要核心。

7 智能家居系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

7.1 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

樹莓派微型電腦硬件是網(wǎng)關(guān)運(yùn)行的重要載體，它主要負(fù)責(zé)將MQTT協(xié)議和云端進(jìn)行連接通訊。網(wǎng)關(guān)軟件模塊主要功能有很多，包括串口數(shù)據(jù)訪問、設(shè)定報(bào)警規(guī)則、管理設(shè)施設(shè)備、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控及同步等?？傊W(wǎng)關(guān)不但可以應(yīng)用協(xié)調(diào)器來接收傳感器的信息數(shù)據(jù)，還可接收云端指令并往協(xié)調(diào)器進(jìn)行傳輸發(fā)送，從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)中斷的有效控制。

7.2 云端軟件設(shè)計(jì)

利用Java Web技術(shù)構(gòu)建云端應(yīng)用模塊，通過云計(jì)算平臺的運(yùn)作負(fù)責(zé)向用戶提供遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲以及可視化功能，同時(shí)還可將適用的API接口提供給手機(jī)用戶。其主要模塊及功能體現(xiàn)在六個部分：

（1）制定報(bào)警規(guī)則；

（2）讓信息數(shù)據(jù)同步；

（3）進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過界面的按鈕開關(guān)、利用MQTT協(xié)議下方主題把信息傳送出去，借助網(wǎng)關(guān)訂閱該主題接收的消息，并指使協(xié)調(diào)器予以處理；

（4）進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，對保留到信息數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)予以查詢并展示；

（5）將數(shù)據(jù)可視化，把所有運(yùn)行的信息數(shù)據(jù)和狀態(tài)進(jìn)行呈現(xiàn)，形成數(shù)據(jù)分析報(bào)表或圖表；

（6）連接移動API接口，應(yīng)用RESTful架構(gòu)將API接口提供到安卓應(yīng)用平臺進(jìn)行訪問，其中也可利用HTTP協(xié)議對接口予以訪問[9]。

基于MQTT協(xié)議讓網(wǎng)關(guān)和云端實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)通訊，同時(shí)在云端服務(wù)器上設(shè)置MQTT服務(wù)器軟件，以此為網(wǎng)關(guān)和云端相互實(shí)時(shí)通訊提供條件。

7.3 手機(jī)端軟件設(shè)計(jì)

利用安卓技術(shù)對手機(jī)端軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，借助云端的RESTful API接口通過手機(jī)對設(shè)備予以遠(yuǎn)程監(jiān)視。其主要作用有四個：

（1）及時(shí)報(bào)警信息，設(shè)備所有的報(bào)警信息傳送顯示到手機(jī)上，并可對信息進(jìn)行有效處理；

（2）對設(shè)備進(jìn)行控制，將開啟、停止電器的請求指令發(fā)送給云端；

（3）形成安全模式，對設(shè)施設(shè)備防火防盜等模塊開關(guān)進(jìn)行控制；

（4）進(jìn)行歷史操作，將各個不同時(shí)間段的報(bào)警信息顯示出來并對其加以處理。

8 結(jié)束語

總而言之，當(dāng)前信息時(shí)代背景下，人們所生活的環(huán)境已離不開對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，未來互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)會更為普及、發(fā)揮更多的應(yīng)用優(yōu)勢。因此，為培養(yǎng)高精專的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人才，高校應(yīng)積極構(gòu)智能家居實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺，幫助學(xué)生更好的學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)知識和技術(shù)。本文圍繞智能家居實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺，提出了應(yīng)用Wi-Fi、紫蜂等無線通信技術(shù)來設(shè)計(jì)不同類型的系統(tǒng)硬件、軟件，建立形成多功能一體化的實(shí)訓(xùn)平臺?；谄脚_的良好開發(fā)性，高校可結(jié)合教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容合理增減相關(guān)的設(shè)備及軟件應(yīng)用模塊。此外，智能家居實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺還可在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)專業(yè)課程的實(shí)踐教學(xué)中發(fā)揮輔助功能，不但有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力，還讓他們了解到一定的物聯(lián)網(wǎng)知識并應(yīng)用于項(xiàng)目當(dāng)中，促進(jìn)學(xué)生積極開展實(shí)踐創(chuàng)新。