一种智能家居实践教学系统开发与实现

引 言

物联网已成为通信领域和传感领域炙手可热的研究方向， 针对物联网核心技术和典型应用的研究开发已成为各个高校和相关企业的重要工作，也成为各高校相关专业教学和科研的一个新方向。

为了能让各高校的通信、信息、电子、计算机、自动控制和传感技术等专业学生深入了解物联网的原理、实现方法及其典型应用，本文设计并实现了一种物联网教学实验系统。本系统从物联网的基本技术出发，基于无线传感器网络和射频识别技术设计了物联网系统的基本架构，并在此基础上实现了物联网在智能家居方面的应用案例。学生可以通过本系统深入学习物联网基本技术，并理解物联网在各种典型应用行业中的功能和系统设计方法。

1 系统总体方案

本文所设计的物联网教学实验系统总体方案包括物联网主从节点、RFID 身份标签和实验软件三部分，系统总体框架如图 1 所示。物联网主从节点共同组成网状（Mesh）网络以完成传感器和 RFID 数据的无线传输。数据汇集至连接主节点的计算机，并由实验软件负责数据的存储和分析功能。RFID 标签分为两类 ：设备身份标签和人员身份标签，设备身份标签在应用案例中用来标示物品和电器设施的身份，而人员身份标签则用以识别医护类应用案例中的病人物联网主从节点之间的无线网络，这是系统的关键因素，既要求低功耗以增加节点在电池供电时的工作时间，又需在节点移动过程中确保数据传输的可靠性。根据上述要求，我们选择 ZigBee 作为主从节点间的无线技术标准。ZigBee 是一种短距离无线通信技术，其底层技术基于IEEE 802.15.4，相比于蓝牙和WLAN，其具有功耗低及网络容量大等优点，并且能够方便地实现 Mesh网络。

智能家居案例通过传感器采集家中各居室的温度、光强度等信息，通过控制中心实现空调、热水器、电灯和窗帘等室内设备的全自动运行，展示了物联网在家居环境中的应用。

2 实验内容

智能家居实验从功能上划分，可分为数据采集、通信传输和控制查看三个部分，包括传感器、传感网以及传感网接入等几个方面。根据上述系统架构，将实验内容分为以下部分： 终端设备组建、ARM 网关开发和客户端开发。如图 3 所示。

3 系统功能

本系统引进国内外先进科技，集成综合布线技术、网络通讯技术、自动控制技术、音视频技术，利用计算机和嵌入式系统，将家庭中的各种设备通过家庭网络连接到一起，建立高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。系统功能如下：

3.1 便捷的生活服务

(1) 智能无线遥控系统

自学习式智能遥控器可实现对所有电器、灯光、窗帘和部分环境设备的遥控，以及一键式场景控制。

(2) 环境监测与采集系统

环境监测与家电控制子网关，可随时获取和上传家庭的光照、温度、湿度、噪音、烟雾、有害气体等信息 ；同时还能代为控制智能遥控器。

(3) 抄表系统

使用RS 485/WiFi 来实现电表气表的读取。

(4) 电力线系统

使用继电器与电力线载波控制器能够通过电力线传播控制信号，从而免去了布线之苦。

3.2 安心的环境监测

(1) 环境感知

有害气体、烟雾、煤气传感器可通过子网关控制器采集。

(2) 安防门禁

a 可采用RFID卡系统确认来客身份；

b 可运用网络摄像机提供局域网视频访问和广域网图片访问；

c 文件服务器用于存储视频监控录像。

3.3 和谐的人机交互

(1) 大屏幕交互

智能电视和投影仪可以接受服务器调用，及时向住户推送消息。

(2) 语音交互

a. 通过手机或麦克风，可向服务中心请求简单的命令；

物联网和智能家居技术是当前研究的热点，本文结合二 者为物联网相关专业开发实践教学系统。本教学系统实现了短 信、软件、手动三种方式控制家电。系统具有自动搜索下位机 设备、自动组网的特点。系统启动播报欢迎语音，软件界面形象生动，并且可进行多种全面的实验，满足物联网专业的教学 和科研需求，通过本系统教学，学生可以掌握设备综合布线 技术（网络知识），家电控制技术（嵌入式），环境信息采集技 术（传感器网络），网关综合技术，远程控制技术（网站），异 构组网技术（WiFi，BT，ZigBee，RF，PLC，串口），安防监 控系统（图像，视频），RFID 应用，人机交互技术等（平板， 手机，M2M）。