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(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、音視頻技術(shù)等將與家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)一個(gè)智能家居模型的學(xué)習(xí)課題源于學(xué)生對智能家居的好奇，智能家居作為一個(gè)新興事物，其內(nèi)部原理、技術(shù)實(shí)現(xiàn)等大家都不太了解。因此，本項(xiàng)目試圖從門禁系統(tǒng)這一“小斑”的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)去引導(dǎo)學(xué)生知“全豹”。該項(xiàng)目不僅可以幫助學(xué)生理解和應(yīng)用所學(xué)的軟硬件知識和技術(shù)，而且還滲透了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的運(yùn)用，真正培養(yǎng)了學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)的意識和能力。

● 門禁系統(tǒng)的工作原理

在設(shè)計(jì)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(dòng)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)門的開關(guān)功能（傳統(tǒng)的），也可以通過SIoT服務(wù)器平臺來實(shí)現(xiàn)手機(jī)遠(yuǎn)程讀取門的狀態(tài)以及控制門的開關(guān)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(shí)現(xiàn)

本項(xiàng)目所需硬件清單如下表所示。

第一步：設(shè)計(jì)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(kuò)展板上，將三個(gè)按鈕分別連在掌控板擴(kuò)展板的P8、P13、P16針腳上，將舵機(jī)接在P1針腳，連接電源給本套裝置供電。

第三步：在軟件實(shí)現(xiàn)成功之后，將外觀模型進(jìn)行組裝，并將掌控板+擴(kuò)展板、電池盒、按鈕和舵機(jī)等固定在房子內(nèi)部。

● 門禁系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

門禁系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)主要包含三個(gè)部分：一是MQTT服務(wù)器的架設(shè)，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(shí)現(xiàn)掌控板與SIoT平臺的消息互通;三是手機(jī)APP的部署，完成手機(jī)的遠(yuǎn)程控制。

1.架設(shè)SIoT服務(wù)器

下載SIoT軟件壓縮包，解壓后雙擊運(yùn)行。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中服務(wù)器保持運(yùn)行狀態(tài)。從運(yùn)行界面可知該服務(wù)器的IP地址為192.168.8.112。在手機(jī)部署階段可通過訪問該服務(wù)器的IP地址（如http：//192.168.8.112：8080）實(shí)現(xiàn)消息的查閱及發(fā)送。

2.編寫掌控板端程序

（1）編程實(shí)現(xiàn)單純按鈕控制門禁開關(guān)

根據(jù)門的位置及連接的方式，確定舵機(jī)安裝方式。使用Mind+編程，實(shí)現(xiàn)P8針腳連接的按鈕被按下時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到10度，門打開;P16針腳連接的按鈕被按下時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)90度，門關(guān)閉。

（2）編程實(shí)現(xiàn)SIoT平臺控制門禁開關(guān)

在簡單控制程序的基礎(chǔ)上加入MQTT服務(wù)器的內(nèi)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(yīng)與SIoT處于同一個(gè)局域網(wǎng)之內(nèi)。

3.部署手機(jī)APP

通過訪問http：//app.gzjkw.net進(jìn)行APP inventor的在線編程。

（1）組件設(shè)計(jì)

整個(gè)界面主要由1個(gè)標(biāo)簽（設(shè)置其文本為“讀取狀態(tài)……”）、2個(gè)按鈕（開門、關(guān)門）、2個(gè)非可視組件Web客戶端和計(jì)時(shí)器組成。

（2）邏輯設(shè)計(jì)

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(jì)時(shí)器指令實(shí)現(xiàn)訪問SIoT服務(wù)器網(wǎng)址，并獲得文本，將返回的數(shù)據(jù)存放在“響應(yīng)內(nèi)容”中。其次，通過對“響應(yīng)內(nèi)容”的處理，提取所需內(nèi)容，進(jìn)行邏輯判斷，程序如圖2所示。最后，編程實(shí)現(xiàn)APP通過“開門”“關(guān)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(jī)APP上的相應(yīng)按鈕，門可以實(shí)現(xiàn)打開、關(guān)閉功能;手機(jī)APP上也可以及時(shí)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(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，也讓學(xué)生了解到了智能家居的基本原理及實(shí)現(xiàn)方法。

當(dāng)然對于這個(gè)項(xiàng)目，個(gè)人覺得還可以作一些拓展：

第一，項(xiàng)目的SIoT物聯(lián)網(wǎng)平臺是建立在局域網(wǎng)內(nèi)的，其實(shí)也可以建立在整個(gè)廣域網(wǎng)中，那將實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)訪問與交互，其應(yīng)用領(lǐng)域也將會(huì)更廣闊。

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

● 結(jié)語

設(shè)計(jì)智能家居模型是一個(gè)非常適合中小學(xué)的研究項(xiàng)目，其價(jià)值是將傳統(tǒng)開關(guān)門方式與現(xiàn)代科技結(jié)合，通過動(dòng)手造物的形式，讓學(xué)生深入理解現(xiàn)代門禁系統(tǒng)可能的實(shí)現(xiàn)方法，進(jìn)而對智能家居有深刻而又具體的認(rèn)識。SIoT的出現(xiàn)與普及，讓物聯(lián)網(wǎng)平臺的學(xué)習(xí)門檻越來越低，學(xué)生利用掌控板和MQTT協(xié)議，完全能夠做出可以真正應(yīng)用于生活中的智能裝置，如將學(xué)校創(chuàng)客空間的某些設(shè)備改造為遠(yuǎn)程控制。