霧霾環境下的智能家居實驗教學系統架構分析

袁明蘭

摘 要：霧霾環境下的智能家居實驗教學系統，通過模擬真實空氣質量環境及體現真實智能家居的智能控制，有利于學生真實感受和學習掌握智能家居控制原理，提高學生的學習主動性和學習效率。同時該系統還可用于智能家居實驗研究，提供院校服務經濟社會發展的能力。

關鍵詞：智能家居;環境模擬;教學系統

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-9052（2020）03-0196-02

本教學系統基于物聯網，涉及物聯網技術和家居實驗及教學技術領域，特別是霧霾環境下的智能家居實驗教學系統。現有的家居實驗教學一般是將學生帶到實際家居的樣板間內參觀學習，本系統主要解決樣板間不能動手實踐、家居實景沙盤不能真實反應家居內外部霧霾環境及其變化對家居設備智能調節的重要作用的問題。同時，解決家居實景沙盤只能做實驗教學、不能用于產品檢測和實驗研究的問題。

1 系統架構

霧霾環境下的智能家居實驗教學系統，包括霧霾環境模擬系統、家居房間、家居設備、房間環境傳感器終端模塊、房間環境網關模塊、房間環境控制模塊、數據處理中心、手持終端、視頻演示系統、實驗指導系統和學生實驗箱[1]。如圖1所示：

霧霾環境模擬系統包括霧霾發生裝置、模擬太陽光發生裝置、造風發生裝置、造雨發生裝置、霧霾環境模擬空間、霧霾環境傳感器終端模塊、霧霾環境網關模塊、霧霾環境控制模塊。

家居房間包括家居地面、上隔墻、下隔墻、左隔墻、右隔墻和家居屋頂，形成封閉空間。

家居設備包括加濕器、空調器、排氣扇、空氣凈化器、報警器、LED燈、電動窗戶和電動窗簾。

房間環境傳感器終端模塊，用于采集家居房間內的多個房間環境數據，包括PM2.5數據、PM10數據、風速數據、風向數據、光照度數據和色溫數據。

房間環境網關模塊與房間環境傳感器終端模塊進行通信，用于接收房間環境傳感器終端模塊上報的多個房間環境數據，并在所帶屏幕上實時顯示，將多個房間環境數據轉換為預設通信協議類型的房間環境數據包，發送到數據處理中心，同時向房間環境控制模塊轉發數據處理中心傳來的房間告警指令和房間控制指令。

房間環境控制模塊與房間環境網關模塊進行通信，用于接收房間環境網關模塊轉發的房間控制指令和房間告警指令，并根據房間控制指令和房間告警指令調用對應的功能單元執行相應操作，以及將操作結果返回至網關模塊。

數據處理中心與霧霾環境網關模塊和房間環境網關模塊進行通信，用于接收霧霾環境網關模塊轉發的模擬空間環境數據包和房間環境網關模塊轉發的房間環境數據包，通過對模擬空間數據包和房間環境數據包進行解析以獲取所述模擬空間環境數據和房間環境數據，對模擬空間環境數據和房間環境數據進行分析，根據分析結果向霧霾環境網關模塊和房間環境網關模塊發出對應的模擬空間告警指令、模擬空間控制指令、房間告警指令和房間控制指令。

手持終端與霧霾環境網關模塊和房間環境網關模塊進行通信，用于接收霧霾環境網關模塊轉發的模擬空間告警指令、模擬空間控制指令和房間環境網關模塊轉發的房間告警指令和房間控制指令，并根據模擬空間告警指令、模擬空間控制指令、房間告警指令和房間控制指令發送對應的控制指令到對應的所述霧霾環境網關模塊或房間環境網關模塊。

視頻演示系統與霧霾環境網關模塊和房間環境網關模塊相連，用于根據霧霾環境網關模塊和房間環境網關模塊轉發的對應的模擬空間告警指令、模擬空間控制指令、房間告警指令和房間控制指令向學生提供霧霾環境模擬系統、霧霾發生裝置、模擬太陽光發生裝置、造風發生裝置、造雨發生裝置、霧霾環境模擬空間、霧霾環境傳感器終端模塊、霧霾環境網關模塊、霧霾環境控制模塊、家居房間、家居設備、房間環境傳感器終端模塊、房間環境網關模塊、房間環境控制模塊、手持終端的性能指標的音頻解說、工作過程和工作效果的視頻展示，以及提供霧霾環境模擬系統、霧霾發生裝置、模擬太陽光發生裝置、造風發生裝置、造雨發生裝置、霧霾環境模擬空間、霧霾環境傳感器終端模塊、霧霾環境網關模塊、霧霾環境控制模塊、家居房間、家居設備、房間環境傳感器終端模塊、房間環境網關模塊、房間環境控制模塊、手持終端的工作相關的體驗控制應用程序，用戶通過選擇并執行體驗控制應用程序學習所述智能家居霧霾環境實驗教學系統的各個功能。

實驗指導系統與霧霾環境網關模塊、房間環境網關模塊相連，用于提供霧霾環境模擬系統、霧霾發生裝置、模擬太陽光發生裝置、造風發生裝置、造雨發生裝置、霧霾環境模擬空間、霧霾環境傳感器終端模塊、霧霾環境網關模塊、霧霾環境控制模塊、家居房間、家居設備、房間環境傳感器終端模塊、房間環境網關模塊、房間環境控制模塊、手持終端的理論原理和相關專業知識進行視頻和文本教學，實驗指導系統用于根據學生選擇的開發模塊，向學生提供對應的學習內容。

學生實驗箱用于學生體驗開發測試霧霾環境傳感器終端模塊、霧霾環境網關模塊、霧霾環境控制模塊、房間環境傳感器終端模塊、房間環境網關模塊、房間環境控制模塊。

2 實施方式

本系統可用于研究室內霧霾、風、采光與室外霧霾、雨、風、太陽光的關系，在獲得較好的生活環境質量的同時，有效利用自然資源節約能源。霧霾環境下的智能家居實驗教學系統特征如下：

第一，彩色燈光發生裝置。彩色燈光發生裝置包括全彩LED燈和彩色燈光控制器，全彩LED燈安裝在霧霾環境模擬空間，彩色燈光控制器控制與霧霾環境控制模塊進行通信。霧霾環境控制模塊根據模擬空間控制指令調用與模擬空間控制指令對應的彩色燈光控制器執行相應操作;彩色燈光控制器通過有線或無線方式接收所述霧霾環境控制模塊、手持終端或視頻演示系統的控制指令;霧霾環境模擬空間的中隔墻設置有一透明觀察窗戶口，用于觀察彩色光的顏色和亮度。

第二，霧霾環境傳感器終端模塊以預設周期通過無線方式向所述霧霾環境網關模塊發送多個模擬空間環境數據;房間環境傳感器終端模塊以預設周期通過無線方式向房間環境控制模塊發送所述多個房間環境數據;房間環境網關模塊通過以太網、無線保真Wi-Fi或通用分組無線服務技術GPRS將房間環境數據包發送給手持終端和視頻演示系統;霧霾發生控制器通過有線或無線方式接收所述霧霾環境控制模塊、手持終端或視頻演示系統的控制指令;房間環境控制模塊中的每個所述功能單元通過有線或無線方式接收房間環境控制模塊、手持終端或視頻演示系統的控制指令[2]。

第三，視頻演示系統包括觸摸屏和硬盤播放器。觸摸屏用于接收用戶的觸摸操作，并根據觸摸操作展示霧霾環境下的智能家居實驗教學系統的組成、性能、參數和應用，以及提供與霧霾環境模擬系統、霧霾發生裝置、模擬太陽光發生裝置、霧霾環境模擬空間等與工作相關的體驗控制應用程序，用戶通過觸摸操作選擇并執行體驗控制應用程序以便學習霧霾環境下的智能家居實驗教學系統的各個功能;硬盤播放器用于向學生提供所述智能家居實景沙盤、霧霾環境傳感器終端模塊、房間環境網關模塊、房間環境控制模塊、手持終端等的性能指標的音頻解說和工作效果的視頻展示。

第四，學生實驗箱包括串口、網口、電源接口、多個傳感器模塊開發底板、多個傳感器、網關模塊開發板和多個控制模塊開發板。串口用于調試或下載程序、傳輸數據信息;網口用于接入網絡信號;電源接口用于接入電源;傳感器模塊開發底板以無線方式與所述霧霾環境網關模塊或房間環境網關模塊進行通信，學生通過多個傳感器模塊開發底板對霧霾環境傳感器終端模塊或房間環境傳感器終端模塊進行體驗開發測試，并且開發測試的結果通過霧霾環境網關模塊或房間環境網關模塊接入至網絡中，以進行后續分析和控制;學生根據需要將所述傳感器插入傳感器模塊開發底板，編寫并下載對應的程序以實現該傳感器的功能。

第五，智能家居霧霾環境實驗教學系統還包括教學區。教學區緊鄰霧霾環境模擬空間，兩者之間為中隔墻。數據處理中心、手持終端、視頻演示系統、實驗指導系統和學生實驗箱均放置在教學區。教學區還設置有講臺、課桌、凳子和電腦，用于教學。

3 結論

本系統通過模擬真實霧霾環境及對模擬空間環境數據和房間環境數據進行分析以智能控制家居設備，有利于學生真實感受和學習掌握智能家居控制與物聯網技術的原理，提高學生的學習主動性和學習效率，有力支持院校實驗教學，助力智能家居的推廣，也給實際應用提供借鑒。同時該系統還可進行霧霾傳感器等智能家居相關產品和控制系統的綜合性能檢測及實驗研究，有助于提高院校服務經濟社會發展的服務能力和科研能力，也提高了實驗室的利用率。

參考文獻：：

[1]Qiu Rong. Using RFID technology and Smart Sensor to build Smart home system[J].Applied Mechanics and Materials，2013，767（772）：341-342.

[2] Wenbo Y.， Quanyu W.， Zhenwei G. Smart Home Implementation Based on Internet and Wi FiTechnology.Proceedings of the 34th Chinese Control Conference[C].Hangzhou，China，2015.

（責任編輯：李凌峰）