一種智能家居實踐教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)

引 言

物聯(lián)網(wǎng)已成為通信領(lǐng)域和傳感領(lǐng)域炙手可熱的研究方向， 針對物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)和典型應(yīng)用的研究開發(fā)已成為各個高校和相關(guān)企業(yè)的重要工作，也成為各高校相關(guān)專業(yè)教學(xué)和科研的一個新方向。

為了能讓各高校的通信、信息、電子、計算機、自動控制和傳感技術(shù)等專業(yè)學(xué)生深入了解物聯(lián)網(wǎng)的原理、實現(xiàn)方法及其典型應(yīng)用，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)實驗系統(tǒng)。本系統(tǒng)從物聯(lián)網(wǎng)的基本技術(shù)出發(fā)，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和射頻識別技術(shù)設(shè)計了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基本架構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)在智能家居方面的應(yīng)用案例。學(xué)生可以通過本系統(tǒng)深入學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)基本技術(shù)，并理解物聯(lián)網(wǎng)在各種典型應(yīng)用行業(yè)中的功能和系統(tǒng)設(shè)計方法。

1 系統(tǒng)總體方案

本文所設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)實驗系統(tǒng)總體方案包括物聯(lián)網(wǎng)主從節(jié)點、RFID 身份標(biāo)簽和實驗軟件三部分，系統(tǒng)總體框架如圖 1 所示。物聯(lián)網(wǎng)主從節(jié)點共同組成網(wǎng)狀（Mesh）網(wǎng)絡(luò)以完成傳感器和 RFID 數(shù)據(jù)的無線傳輸。數(shù)據(jù)匯集至連接主節(jié)點的計算機，并由實驗軟件負責(zé)數(shù)據(jù)的存儲和分析功能。RFID 標(biāo)簽分為兩類 ：設(shè)備身份標(biāo)簽和人員身份標(biāo)簽，設(shè)備身份標(biāo)簽在應(yīng)用案例中用來標(biāo)示物品和電器設(shè)施的身份，而人員身份標(biāo)簽則用以識別醫(yī)護類應(yīng)用案例中的病人物聯(lián)網(wǎng)主從節(jié)點之間的無線網(wǎng)絡(luò)，這是系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，既要求低功耗以增加節(jié)點在電池供電時的工作時間，又需在節(jié)點移動過程中確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。根?jù)上述要求，我們選擇 ZigBee 作為主從節(jié)點間的無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee 是一種短距離無線通信技術(shù)，其底層技術(shù)基于IEEE 802.15.4，相比于藍牙和WLAN，其具有功耗低及網(wǎng)絡(luò)容量大等優(yōu)點，并且能夠方便地實現(xiàn) Mesh網(wǎng)絡(luò)。

智能家居案例通過傳感器采集家中各居室的溫度、光強度等信息，通過控制中心實現(xiàn)空調(diào)、熱水器、電燈和窗簾等室內(nèi)設(shè)備的全自動運行，展示了物聯(lián)網(wǎng)在家居環(huán)境中的應(yīng)用。

2 實驗內(nèi)容

智能家居實驗從功能上劃分，可分為數(shù)據(jù)采集、通信傳輸和控制查看三個部分，包括傳感器、傳感網(wǎng)以及傳感網(wǎng)接入等幾個方面。根據(jù)上述系統(tǒng)架構(gòu)，將實驗內(nèi)容分為以下部分： 終端設(shè)備組建、ARM 網(wǎng)關(guān)開發(fā)和客戶端開發(fā)。如圖 3 所示。

3 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)引進國內(nèi)外先進科技，集成綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、自動控制技術(shù)、音視頻技術(shù)，利用計算機和嵌入式系統(tǒng)，將家庭中的各種設(shè)備通過家庭網(wǎng)絡(luò)連接到一起，建立高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。系統(tǒng)功能如下：

3.1 便捷的生活服務(wù)

(1) 智能無線遙控系統(tǒng)

自學(xué)習(xí)式智能遙控器可實現(xiàn)對所有電器、燈光、窗簾和部分環(huán)境設(shè)備的遙控，以及一鍵式場景控制。

(2) 環(huán)境監(jiān)測與采集系統(tǒng)

環(huán)境監(jiān)測與家電控制子網(wǎng)關(guān)，可隨時獲取和上傳家庭的光照、溫度、濕度、噪音、煙霧、有害氣體等信息 ；同時還能代為控制智能遙控器。

(3) 抄表系統(tǒng)

使用RS 485/WiFi 來實現(xiàn)電表氣表的讀取。

(4) 電力線系統(tǒng)

使用繼電器與電力線載波控制器能夠通過電力線傳播控制信號，從而免去了布線之苦。

3.2 安心的環(huán)境監(jiān)測

(1) 環(huán)境感知

有害氣體、煙霧、煤氣傳感器可通過子網(wǎng)關(guān)控制器采集。

(2) 安防門禁

a 可采用RFID卡系統(tǒng)確認來客身份；

b 可運用網(wǎng)絡(luò)攝像機提供局域網(wǎng)視頻訪問和廣域網(wǎng)圖片訪問；

c 文件服務(wù)器用于存儲視頻監(jiān)控錄像。

3.3 和諧的人機交互

(1) 大屏幕交互

智能電視和投影儀可以接受服務(wù)器調(diào)用，及時向住戶推送消息。

(2) 語音交互

a. 通過手機或麥克風(fēng)，可向服務(wù)中心請求簡單的命令；

物聯(lián)網(wǎng)和智能家居技術(shù)是當(dāng)前研究的熱點，本文結(jié)合二 者為物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)開發(fā)實踐教學(xué)系統(tǒng)。本教學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)了短 信、軟件、手動三種方式控制家電。系統(tǒng)具有自動搜索下位機 設(shè)備、自動組網(wǎng)的特點。系統(tǒng)啟動播報歡迎語音，軟件界面形象生動，并且可進行多種全面的實驗，滿足物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的教學(xué) 和科研需求，通過本系統(tǒng)教學(xué)，學(xué)生可以掌握設(shè)備綜合布線 技術(shù)（網(wǎng)絡(luò)知識），家電控制技術(shù)（嵌入式），環(huán)境信息采集技 術(shù)（傳感器網(wǎng)絡(luò)），網(wǎng)關(guān)綜合技術(shù)，遠程控制技術(shù)（網(wǎng)站），異 構(gòu)組網(wǎng)技術(shù)（WiFi，BT，ZigBee，RF，PLC，串口），安防監(jiān) 控系統(tǒng)（圖像，視頻），RFID 應(yīng)用，人機交互技術(shù)等（平板， 手機，M2M）。