基于ZigBee的高校智能家居实训室建设

0 引 言

随着科学技术的快速发展，社会信息化程度越来越高， 信息领域新产品、新服务大量涌现，人们对家庭生活、学习、 娱乐提出了更高的品质要求，构建智能、舒适、高效的家居生 活成为未来家居的发展方向。智能家居作为一个新兴产业，在 物联网大潮下蕴含着巨大的市场潜力，预测在未来几年内全世 界将有近亿家庭进入智能的家居生活，而这需要大批具有智能 家居系统安装、调试、维修等方面的技能人才。目前我国已有 50 多所高校设置了物联网本科专业和 30 多所高职院校设置了 物联网应用技术专科专业 [1]。 

1 智能家居概念 

智能家居（Smart Home）是以住宅为平台，兼备建筑、 网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管 理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境 [2]。 利用先进的计算机技术、综合布线技术、网络通信技术、安 全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家中各种设备（照 明系统、窗帘控制、空调控制、安防系统、数字影院系统、网 络家电等）有机结合，提供家电控制、照明控制、电话远程控 制、室内外遥控、防盗报警、环境监测等多种功能。 

2 ZigBee 技术 

ZigBee 技术是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、 低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控 制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能 [3]。这 个名称来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂 通过跳 ZigZag 形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距 离和方向等信息 [4]。ZigBee 是基于 IEEE802.15.4 标准的低功 耗局域网协议，主要用于小型设备如温湿度传感器、照明控制 器、安防系统、医疗设备等，其低功耗可以确保两节五号电 池的使用寿命达到 6 个月至 2 年，其网络容量可以实现数千个 传感器之间的相互通信，一个 ZigBee 网络可以支持 254 个节 点，一个区域内最多可以同时存在 100 个 ZigBee 网络。随着 ZigBee 技术的不断完善，它将在智能家居、楼宇自动化、工 业自动化、医疗领域等方面广泛应用。 

3 智能家居实训室建设 

智能家居实训平台是物联网开放型应用环境之一，理论 与实践相结合，使物联网专业学生掌握基本的工程布线技术、 网络搭建、智能化项目的设备选型、工程设计、集成安装与调 试。把教学实训和工程经验相结合，具备工程展示、设备认知、 理论实验、技能实训等功能 [5]。 

在实训室建设前期，学院领导及物联网专业教师对几所 高校进行了实地考察调研，并对几家公司产品进行对比，最终 选择了广州一家公司的智能家居沙盘。该智能家居沙盘实景模 型按照两室三卫一厅一花园户型设计。智能家居沙盘装配有 智能家居系统核心设备——智能家居网关、用于控制房间灯光 的智能开关、智能窗帘电机，智能插座。还可控制用于采集环 境数据的温湿度传感器，用于安防监控的摄像头、智能门磁、 人体感应探测器以及用于遥控家电设备的红外遥控器等设备。 本系统采用美国德州仪器 TI 公司生产的 CC2530 芯片来实现 家庭中各设备节点与协调器之间的控制功能，所有设备之间均 采用 ZigBee 无线通信协议进行互联互通，如图 1 所示。用户 既可以直接使用配套提供的 Android App 软件对整个智能家 居系统进行控制，体验智能家居应用，也可以根据配套提供二 次开发资源，设计并自行开发上位机软件，完成物联网专业的 课程实验。 

智能家居实训平台包含灯光控制系统，智能音箱控制系 统，智能安防控制系统，智能窗帘控制系统等。 

（1）灯光控制系统 

智能灯光控制系统结合 ZigBee 无线网络、灯光控制面板 等设备，实现对房间灯光的智能化管理。基于 ZigBee 无线网络远程灯光控制模式，可实现灯光临时、定时自动开关等功能； 手动灯光控制模式通过动手指对灯光控制面板的操作实现房 间内手动灯光开关控制。 

（2）智能音箱控制系统 

智能音箱控制系统结合 ZigBee 无线网络、智能插座面板 及红外转发器等设备，实现对房间的多媒体设备的智能化管理。 通过智能插座面板远程控制音箱的电源 ；通过红外转发器模 拟遥控器远程操作红外音箱。 

（3）智能安防控制系统 

数字安防系统通过 WiFi 摄像头实现对房间视频监控功 能。基于 WiFi 无线网络或有线网络的远程视频监控功能 ；配 合其他硬件系统实现房间内安防监控功能。 

（4）智能窗帘控制系统 

智能窗帘控制系统结合 ZigBee 无线网络、网关、窗帘电 机及导轨、开关面板等设备，实现对房间窗帘的智能化管理。 基于网络的远程窗帘控制功能，可远程实现对房间内窗帘的开 关动作；手动开关控制功能通过窗帘控制面板实现手动控制房 间内窗帘开关动作的目的。

该智能家居系统在教学实验中的主要功能是作为物联网 工程专业课程的实验平台使用，实验项目见表 1 所列。学生完 成全部实验便可以使用擅长的上位机开发语言进行基于智能家 居概念的物联网软件设计。

4 结 语

智能家居实训室的建设能满足物联网及相关专业的实践 教学需求，支持学生创新、创业、科技竞赛等活动，可以比 较全面的展示物联网技术的应用，支持物联网相关科研项目的 研发 [6]。实践证明，智能家居实训室的建设能让课堂教学的 效果落到实处，将理论与实践相结合，提高了学生的动手操作 能力，培养了学生的团队协作能力，取得了良好的教学效果。 让我们畅想 ：当您回到家中，随着门锁被开启，家中的安防系 统自动解除警戒，廊灯缓缓点亮，空调自动启动，喜欢的音乐 轻轻响起，每天晚上所有的窗帘都会定时自动关闭，您外出之 前按一个键就可以关闭家中所有的灯和电器，在办公室或出差 时打开电脑上网，家中的安全设备和家用电器立即呈现在用户 面前……智能家居正一步步走进人们的生活。