李青

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進步，物聯(lián)網(wǎng)應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應用，是融合多學科多技術(shù)的復雜系統(tǒng)。在分析建設(shè)智能家居教學實訓系統(tǒng)必要性的基礎(chǔ)上，針對智能家居教學實訓系統(tǒng)的建設(shè)需滿足教學科研、大學生科技競賽與畢業(yè)論文等活動有機結(jié)合的目標，提出相應的技術(shù)架構(gòu)，并對各子系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)進行分析討論。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?物聯(lián)網(wǎng)實驗室;智能家居;子系統(tǒng)

[中圖分類號] ?G642 ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2019）25-0182-02

一、智能家居教學實訓系統(tǒng)建設(shè)的必要性

21世紀的人類社會正快速步入信息時代，我們處于新的技術(shù)革命之中，物聯(lián)網(wǎng)正是這場技術(shù)革命的中心。物聯(lián)網(wǎng)是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)等迅速發(fā)展和普及之后，出現(xiàn)新的計算模式的變革，實現(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)域中的應用越來越受到重視。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》中強調(diào)，要不斷推動物聯(lián)網(wǎng)在消費領(lǐng)域的實踐和應用創(chuàng)新，鼓勵健康服務、智能家居等消費領(lǐng)域的應用迅速發(fā)展，促進家庭智能安防、家用電器智能化控制、家居環(huán)境監(jiān)測和管理等智能家居得到廣泛應用。

智能家居系統(tǒng)，是將ZigBee技術(shù)、RFID技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合先進的計算機、網(wǎng)絡通訊、綜合布線和無線等技術(shù)，將與家居生活相關(guān)的多種子系統(tǒng)通過信息管理平臺有機融合在一起，進行網(wǎng)絡化綜合智能控制和管理。首先，要在家居環(huán)境中建立一個無線局域網(wǎng)，在智能家居網(wǎng)絡操作系統(tǒng)的作用下，通過硬件和執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)對所有無線局域網(wǎng)上用電設(shè)備的控制。其次，各種用電設(shè)備都要通過一定的網(wǎng)絡平臺，構(gòu)成與外界環(huán)境的通訊道路，實現(xiàn)與家庭外部環(huán)境的信息溝通，完成遠程控制、監(jiān)測和信息交換等功能，實現(xiàn)人們對家居環(huán)境的不同需求。

高校作為培養(yǎng)市場需求的高素質(zhì)人才的重要陣地，開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)及課程，建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)實驗室智能家居教學實訓系統(tǒng)，成為人才培養(yǎng)的需求。

二、智能家居教學實訓系統(tǒng)的建設(shè)目標

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一門涉及計算機、自動化、電子、通信、網(wǎng)絡、信息安全等多學科的應用性極強的交叉學科，物聯(lián)網(wǎng)實驗室智能家居教學實訓系統(tǒng)的建設(shè)，不僅是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要，也是學?？沙掷m(xù)性發(fā)展的要求。

（一）實驗室應滿足實驗教學要求

根據(jù)人才培養(yǎng)方案，物聯(lián)網(wǎng)實驗室智能家居教學實訓系統(tǒng)的建設(shè)，應能滿足本專業(yè)和相關(guān)專業(yè)學生完成驗證性、綜合性、設(shè)計性的實驗教學內(nèi)容，通過實驗操作和物聯(lián)網(wǎng)實驗環(huán)境的實景搭建，鞏固物聯(lián)網(wǎng)的專業(yè)知識，激發(fā)學習熱情。

（二）實驗室很強的延展性應滿足科研要求

物聯(lián)網(wǎng)實驗室很重要的一個特征是通過傳感器、射頻等技術(shù)，將不同物體聯(lián)系起來，因此實驗室建設(shè)時都留有統(tǒng)一開放的接口，并且開放系統(tǒng)源代碼，用于教學科研的二次開發(fā)，使實驗系統(tǒng)的功能具有很強的擴展性。智能家居教學實訓系統(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、學生社團的科技訓練、物聯(lián)網(wǎng)項目實踐、科技競賽、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、畢業(yè)論文設(shè)計甚至對接企業(yè)產(chǎn)品提供實驗條件。

實驗教學、教師科研、大學生科技競賽與畢業(yè)論文等活動通過智能家居教學實訓系統(tǒng)有機結(jié)合在一起，相輔相成，不僅充分利用了實驗室資源，提高資源利用率，還可以汲取學生的奇思妙想為教師帶來科研上的靈感，為提升科研成果質(zhì)量、提高學科建設(shè)水平助力。

三、智能家居教學實訓系統(tǒng)的建設(shè)內(nèi)容

智能家居教學實訓系統(tǒng)是由多種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)交融形成的復雜系統(tǒng)，涉及智能傳感器技術(shù)、嵌入式編程技術(shù)、無線組網(wǎng)技術(shù)、串口及網(wǎng)絡編程技術(shù)、RFID射頻識別技術(shù)和云平臺等遠程控制，這些技術(shù)和操作要領(lǐng)在物聯(lián)網(wǎng)的理論課和實驗操作過程中可以學習到;同時構(gòu)建一個智能家居的實景體驗區(qū)，供學生真實體驗智能化家居環(huán)境的部署效果;在實驗操作和實景體驗的基礎(chǔ)上，學生可根據(jù)自行設(shè)計的需求，對實驗設(shè)備進行二次開發(fā)，運用智能家居教學實訓系統(tǒng)的各種模塊、傳感器等設(shè)備器件，通過開放的通信接口，自行設(shè)計和擴展控制設(shè)備，實現(xiàn)教學系統(tǒng)和體驗系統(tǒng)的聯(lián)動，實景搭建屬于自己的物聯(lián)網(wǎng)實驗環(huán)境，加強學生全面把控部署實際場景的能力，從而實現(xiàn)智能家居教學實訓系統(tǒng)的實驗教學、體驗和展示、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）智能家居教學實訓系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復雜，其工作過程可以類比人類對問題進行智慧處理的過程，借鑒成熟的計算機網(wǎng)絡體系結(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)絡層和應用層三個彼此獨立又緊密關(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、開關(guān)控制的器件等構(gòu)成;網(wǎng)絡層類似于人的神經(jīng)，用于傳輸信息，采用無線和有線兩種技術(shù)進行搭建，包括無線局域網(wǎng)、校園網(wǎng)、無線移動通訊網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡等;應用層類似于人的大腦進行智能計算，提供數(shù)據(jù)的存儲、融合、查詢、檢索功能，并進行智能數(shù)據(jù)處理和智能決策，為各子系統(tǒng)提供智能服務。

（二）智能家居實景體驗系統(tǒng)功能

1.環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)

此系統(tǒng)由溫度、濕度、光照與氣體等多種傳感器，感知當前的實時環(huán)境數(shù)據(jù)，并上傳到用戶的手機端和云端，系統(tǒng)頁面實時顯示環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，將環(huán)境數(shù)據(jù)定時存儲到數(shù)據(jù)庫，供查詢歷史記錄，環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)與燈光、窗簾、排風扇、空氣凈化器、加濕器等設(shè)備根據(jù)既定策略聯(lián)動，實現(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，通過光照采集器采集到不同光照強度，根據(jù)用戶的需求，可以實現(xiàn)對燈光的手動控制、自動控制和智能燈光跟隨等功能。對固定模式的場景，通過編程進行場景設(shè)置，可實現(xiàn)多路燈光場景的轉(zhuǎn)換和燈光、電器的組合場景。

3.智能窗簾子系統(tǒng)

此系統(tǒng)由窗簾、電機、控制器與智能家居控制器等構(gòu)成。通過光照傳感器采集到光照強度，窗簾可以根據(jù)用戶的需求手動或自動進行開關(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)絡技術(shù)、信息技術(shù)與無線電技術(shù)等多種技術(shù)匯為一體的綜合應用實例，利用網(wǎng)絡平臺將家電控制、環(huán)境控制、視頻監(jiān)控、家庭安全防范等有機結(jié)合的智能系統(tǒng)，具有很強的技術(shù)性和前瞻性。系統(tǒng)的傳感器包括門禁、網(wǎng)絡攝像頭、CO傳感器、門磁和窗磁傳感器、煙霧探測器、紅外傳感器等。門禁系統(tǒng)是獨立模塊，可通過刷卡、指紋、人臉識別三種方式來控制門鎖的開啟與關(guān)閉，門禁機對開門情況進行自動記錄以供查詢;應用智能門鈴和電子鎖聯(lián)動，對門的開關(guān)實現(xiàn)遠程控制。

5.智能影音子系統(tǒng)

此系統(tǒng)由電視機、功放、機頂盒與音箱等影音設(shè)備構(gòu)成，通過智能家居控制器，對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，能完成強大的場景功能。

6.智能溫控子系統(tǒng)

此系統(tǒng)將空調(diào)接入網(wǎng)絡，由多個溫度采集器實時采集所需位置溫度，根據(jù)時間、季節(jié)作出反饋控制，進行溫度的自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)空調(diào)的智能化控制。

7.語音控制子系統(tǒng)

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

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到數(shù)據(jù)庫，經(jīng)分析統(tǒng)計出各種數(shù)據(jù)報表，供用戶以不同方式進行歷史查詢，可以預設(shè)閾值，當數(shù)據(jù)超標時自動報警。

各子系統(tǒng)由視頻服務平臺有機融合在一起，可由手機、計算機等登錄智能家居界面進行實時訪問，并可實現(xiàn)自動控制和遠程控制各用電設(shè)備。

四、結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)應用的范圍越來越廣泛，涉及生活工作的各個領(lǐng)域。智能家居教學實訓系統(tǒng)的建設(shè)，為學生搭建了一個探索物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實踐平臺，幫助學生掌握物聯(lián)網(wǎng)應用技術(shù)的設(shè)計思路和實現(xiàn)途徑。教師應鼓勵學生學以致用，根據(jù)自己的專業(yè)特點對實驗設(shè)備進一步開發(fā)，從而為社會培養(yǎng)優(yōu)秀的專業(yè)人才。

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編輯 陳鮮艷