高職高專物聯網智能家居實驗室建設研究與思考

周 莉，方立剛，譚方勇，劉昭斌

（蘇州市職業大學，江蘇 蘇州 215104）

一、物聯網智能家居

物聯網(Internet of Things，IoT)被預言為繼互聯網之后全球信息產業的又一次科技與經濟浪潮,受到各國政府、企業和學術界的重視,美國、歐盟、日本等甚至將其納入國家和區域信息化戰略。

物聯網包含感知延伸層、網絡層、業務和應用層三層。第一層負責采集物和物相關信息;第二層是異構融合的泛在通信網絡,包括現有的互聯網、通信網、廣電網以及各種接入網和專用網,通信網絡對采集到的物體信息進行傳輸和處理;第三層是應用和業務,為手機、PC等各種終端設備提供感知信息的應用服務。物聯網關鍵技術主要包括RFID技術、傳感器網絡和檢測技術、WSN技術、智能技術、納米技術等。

智能家居將物聯網技術應用于家庭網絡已成為勢不可擋的趨勢。這不僅僅是因為物聯網可以提供更大的靈活性、流動性,省去花在綜合布線上的費用和精力,而且更因為它符合家庭網絡的通訊特點。隨著無線網絡技術的進一步發展,必將大大促進家庭網絡智能化的進程。智能家居貼近生活，提供最直觀的物聯網展示和感受，可大大激發學生的學習興趣，起到良好的引導效果；同時智能家居涵蓋多項物聯網關鍵技術，提供多方位多視角深入學習物聯網技術的途徑。物聯網智能家居實驗室是高職高專開展物聯網專業教育必不可少的一個組成部分。

二、智能家居實驗室設計思路

針對智能家居展示和教學兩方面的考慮，整個實驗室要求系統性地覆蓋傳感層、接入層、網絡層、應用層等各個層次的主流技術，為學生提供全方位的學習視角，深入體會智能家居的實現方法。通過結合物聯網工程專業實驗實訓方案，在實驗室設計的過程中主要有以下考慮：

1.采用模塊化的設計模式，根據實際需求選配各種模塊組建實訓環境，具有很強的靈活性并易于擴展。

2.易操作，采用一體化的操作臺，集成監控屏幕、傳感器、執行器件、跳線、開關、監控儀表、串口插槽等，并采用可視化的監控軟件，界面友好，操作簡便。

3.真正的“透明”教學：構建直觀和形象的應用場景，使學生可以直接體會物聯網的應用場景；開放產品設計的軟硬件資源，配套詳細的教學試驗文檔，讓學生以工程開發形式學習原理知識，融會貫通各個學科的知識，達到真正的學以致用。

三、實驗室體系結構

在整個智能家居實驗室中Zigbee協調器整個網絡的主控節點。Zigbee協調器帶有以太網接口，形成zigbee-以太網網關，以太網接口可連接到移計算機網絡，服務器通過GPRSmodem可以連接到移動通信網絡，從而支持手機、PC、筆記本電腦等遠程監控。

在智能家居的各個控制對象上布置Zigbee節點或者紅外感應設備，采用無線傳感網絡（zigbee）技術實現對傳感器節點的采集，其中包括煙霧探測、紅外人體感應、光照、可燃氣探測等等，并實現對電動窗簾系統、燈光、彩電、家庭影院、空調、熱水器、冰箱等的控制。此外，采用無線wifi攝像頭實現遠程視頻監控系統。

四、主要實驗內容

（一）內容模塊的劃分

1.Zigbee組網。智能家居實驗室采用無線傳感網絡技術zigbee實現組網和數據傳輸通信。具體的網絡設備包括zigbee協調器、zigbee路由器、zigbee采集節點等。Zigbee組網類型包括星型網、樹狀網和網狀網，實際的智能家居應用中，往往星型網就可以勝任系統數據的傳輸，但從物聯網實訓的角度出發，實驗室提供三種類型的組網，以幫助學生充分學習了解zigbee網絡技術。

2.環境監控。室內溫濕度監測及控制室內光亮度監測及控制等?？蓪崿F與家電設備等關聯監測與控制，如當監測到室內溫度高于30度時自動打開空調，當監測到室內光照低于某一設定值時，自動打開燈光或窗簾等。

3.燈光、窗簾控制系統。實現對燈光的自動化控制，并可創造任意的環境氛圍和燈光場景，如家庭影院的放映燈光、晚宴燈光、聚會燈光、讀報燈光，根據外界光線自動調節室內燈光，根據不同時間段自動調節燈光。對窗簾進行智能控制和管理，可以用遙控、定時等多種智能控制方式實現對窗簾的開關、停止等控制，以及一鍵式場景效果的實現。

4.家電控制系統。把所有能控制的電器組成一個管理系統，除了可以實現對家電的控制之外，還通過遙控、場景、定時、電話以及互聯網遠程等多種控制方式實現對電器的智能管理與控制。實現電視機、空調、冰箱、排風扇等家電設備的自動控制，能根據環境參數，自動實現家電設備進行聯動控制。

5.智能沙發。采用壓力傳感器，對沙發進行改裝，安裝在沙發坐墊之下，當有人坐到沙發上時，能自動監測并發送信號，當系統監測到該信號時，可設置自動打開客廳燈光，打開電視機等功能。

6.智能安防。對人身安全、財產安全等進行實時監控，發生入室盜竊、火災、煤氣泄漏和緊急求助等情況時自動撥打用戶設定的電話，及時播報險情。數字智能網關能夠外接各種安防探測器（如紅外、門磁），如果發生警情，報警信息通過小區局域網絡，發送給小區管理中心監控主機，同時電話報警系統會將報警信息發送給業主或相關責任人；用戶可通過設定報警自動抓拍功能，抓拍的照片通過電子郵件發送給用戶；在發生報警時智能網關將通過文字和聲音提示用戶哪里發生報警；外出時，家中如有訪客，可通過留影留言功能讓您了解訪客的情況。

7.遠程視頻監控。遠程監控整個控制區域，旋轉攝像頭兼容Wi-Fi協議，不需要網線連接，可以在手機、PC機上實現遠程監控

8.寵物花鳥管家系統。采用zigbee傳感控制節點連接電磁閥，通過zigbee網絡可控制電磁閥放水、放食物等自動控制。用戶可以遠程通過Internet，按照自己預定的時間進行寵物喂養、給植物噴水等操作，而不用回到家中。

（二）控制模式的選擇

1.手動控制。保留所有燈及電器的原有手動開關，不會因為局部智能設備的故障，導致不能實現控制。

2.智能無線遙控。通過遙控器對所有的燈光、電器及安防的設備進行智能遙控和一鍵式場景控制，實現全宅燈光及電器的開關、臨時定時等遙控，各種編址操作，4路一鍵式情景模式，配合數字網絡轉發器，實現本地及異地萬能遙控。

3.一鍵情景控制。一鍵實現各種情景燈光及電器組合效果，可以用遙控器、智能開關、電腦等實現“外出、在家、就餐、影院”等多種模式。

4.手機遠程控制。通過GPRS信號實現用手機遠程控制整個智能住宅系統功能，發送短信實現對住宅內所有燈及各種電器的遠程控制，離家時，忘記關燈或電器，發送短信就可實現全關，回家前，發個短信可以先把熱水器啟動，空調打開；若配置了安防系統，則當家里發生入室盜竊等各種險情，安防系統自動發送報警信號。

5.Internet遠程監控。通過互聯網實現遠程監控、操作、維護，即通過INTERNET網都可隨時了解家里燈及電器的開關狀態，根據需求，可進行更改系統配置、定時管理事件等。

6.事件定時控制。個性化定義各種燈及電器的定時開關事件，通過一個事件管理模塊可設置多個事件，將每天、每月、甚至一年的各種事件設置進去，充分滿足用戶的實際需求。如設置早上定時起床模式，晚上自動關窗簾模式，還有出差模式等。

五、實踐環節的展開

實踐教學有四個環節：認知性環節、基本實踐環節、結合實踐環節及設計性環節。

1.認知性環節。通過實踐中的感性認識，即參觀、講座、讓學生從感性上了解專業的現狀及未來的發展，從而增加對本專業的認識和了解。

2.基本實踐環節。通過基本實驗手段如使用智能家居，讓學生體會和應用物聯網各項設備之間通信，深入智能家居的各個環節。

3.結合實踐環節。將本專業的核心課程與實驗相結合，深入分析智能家居中無線傳感、智能處理、紅外通信、環境測試等多個部件的工作原理，開展基礎的調試與配置。

4.設計性環節。實踐環節的最高階段，是學科領域綜合，目的是為了鍛煉學生的主動學習能力，培養他們的創新力、綜合力。如，可以將智能家居實驗室作為平臺，鼓勵學生開發智能家居小模塊將其添加至智能家居中，并能夠實現與其他組件的通信和互動。

六、結束語

物聯網概念是龐大和豐富的，其中涵蓋了大量現有的專業門類和技術體系，物聯網技術和產業的發展將引發新一輪信息技術革命和產業革命，是信息產業領域未來競爭的制高點和產業升級的核心驅動力。智能家居作為物聯網應用的一大亮點，有著廣闊的應用前景。

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