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[摘 要] 随着物联网技术的进步，物联网应用不断向多元化和产业化发展，智能家居作为一种重点应用，是融合多学科多技术的复杂系统。在分析建设智能家居教学实训系统必要性的基础上，针对智能家居教学实训系统的建设需满足教学科研、大学生科技竞赛与毕业论文等活动有机结合的目标，提出相应的技术架构，并对各子系统功能结构进行分析讨论。
[关 键 词] 物联网实验室;智能家居;子系统
[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2019）25-0182-02
一、智能家居教学实训系统建设的必要性
21世纪的人类社会正快速步入信息时代，我们处于新的技术革命之中，物联网正是这场技术革命的中心。物联网是继计算机、互联网、移动通信网等迅速发展和普及之后，出现新的计算模式的变革，实现了信息世界和物理世界的融合，被称为“世界信息产业的第三次革命”，物联网在工业、农业、交通、电网、家居等不同领域中的应用越来越受到重视。根据工业和信息化部牵头制定的《物联网“十三五”发展规划》中强调，要不断推动物联网在消费领域的实践和应用创新，鼓励健康服务、智能家居等消费领域的应用迅速发展，促进家庭智能安防、家用电器智能化控制、家居环境监测和管理等智能家居得到广泛应用。
智能家居系统，是将ZigBee技术、RFID技术、无线传感器网络等物联网技术，结合先进的计算机、网络通讯、综合布线和无线等技术，将与家居生活相关的多种子系统通过信息管理平台有机融合在一起，进行网络化综合智能控制和管理。首先，要在家居环境中建立一个无线局域网，在智能家居网络操作系统的作用下，通过硬件和执行机构实现对所有无线局域网上用电设备的控制。其次，各种用电设备都要通过一定的网络平台，构成与外界环境的通讯道路，实现与家庭外部环境的信息沟通，完成远程控制、监测和信息交换等功能，实现人们对家居环境的不同需求。
高校作為培养市场需求的高素质人才的重要阵地，开设物联网专业及课程，建设物联网实验室智能家居教学实训系统，成为人才培养的需求。
二、智能家居教学实训系统的建设目标
物联网技术是一门涉及计算机、自动化、电子、通信、网络、信息安全等多学科的应用性极强的交叉学科，物联网实验室智能家居教学实训系统的建设，不仅是创新人才培养的需要，也是学校可持续性发展的要求。
（一）实验室应满足实验教学要求
根据人才培养方案，物联网实验室智能家居教学实训系统的建设，应能满足本专业和相关专业学生完成验证性、综合性、设计性的实验教学内容，通过实验操作和物联网实验环境的实景搭建，巩固物联网的专业知识，激发学习热情。
（二）实验室很强的延展性应满足科研要求
物联网实验室很重要的一个特征是通过传感器、射频等技术，将不同物体联系起来，因此实验室建设时都留有统一开放的接口，并且开放系统源代码，用于教学科研的二次开发，使实验系统的功能具有很强的扩展性。智能家居教学实训系统具有丰富的资源条件和前沿性技术，可以为教师科研课题、学生社团的科技训练、物联网项目实践、科技竞赛、大学生创新创业项目、毕业论文设计甚至对接企业产品提供实验条件。
实验教学、教师科研、大学生科技竞赛与毕业论文等活动通过智能家居教学实训系统有机结合在一起，相辅相成，不仅充分利用了实验室资源，提高资源利用率，还可以汲取学生的奇思妙想为教师带来科研上的灵感，为提升科研成果质量、提高学科建设水平助力。
三、智能家居教学实训系统的建设内容
智能家居教学实训系统是由多种物联网技术交融形成的复杂系统，涉及智能传感器技术、嵌入式编程技术、无线组网技术、串口及网络编程技术、RFID射频识别技术和云平台等远程控制，这些技术和操作要领在物联网的理论课和实验操作过程中可以学习到;同时构建一个智能家居的实景体验区，供学生真实体验智能化家居环境的部署效果;在实验操作和实景体验的基础上，学生可根据自行设计的需求，对实验设备进行二次开发，运用智能家居教学实训系统的各种模块、传感器等设备器件，通过开放的通信接口，自行设计和扩展控制设备，实现教学系统和体验系统的联动，实景搭建属于自己的物联网实验环境，加强学生全面把控部署实际场景的能力，从而实现智能家居教学实训系统的实验教学、体验和展示、科研创新的综合功能。其系统架构示意图如下图所示。
（一）智能家居教学实训系统的技术架构
物联网系统的结构复杂，其工作过程可以类比人类对问题进行智慧处理的过程，借鉴成熟的计算机网络体系结构模型的研究方法，物联网在结构上可分为感知层、网络层和应用层三个彼此独立又紧密关联的部分。感知层类似于人的五官，用于全面感知环境、获取信息、采集数据，它是联系物理世界与信息世界的基础，主要由RFID设备、各类传感器、摄像头、开关控制的器件等构成;网络层类似于人的神经，用于传输信息，采用无线和有线两种技术进行搭建，包括无线局域网、校园网、无线移动通讯网、传感器网络等;应用层类似于人的大脑进行智能计算，提供数据的存储、融合、查询、检索功能，并进行智能数据处理和智能决策，为各子系统提供智能服务。
（二）智能家居实景体验系统功能 1.环境监测子系统
此系统由温度、湿度、光照与气体等多种传感器，感知当前的实时环境数据，并上传到用户的手机端和云端，系统页面实时显示环境监测数据，将环境数据定时存储到数据库，供查询历史记录，环境监测数据与灯光、窗帘、排风扇、空气净化器、加湿器等设备根据既定策略联动，实现环境的智能化改善。
2.智能照明子系统
此系统由灯光控制器、家居控制器与彩灯等组成，通过光照采集器采集到不同光照强度，根据用户的需求，可以实现对灯光的手动控制、自动控制和智能灯光跟随等功能。对固定模式的场景，通过编程进行场景设置，可实现多路灯光场景的转换和灯光、电器的组合场景。
3.智能窗帘子系统
此系统由窗帘、电机、控制器与智能家居控制器等构成。通过光照传感器采集到光照强度，窗帘可以根据用户的需求手动或自动进行开关。
4.智能安防子系统
此系统是由传感技术、控制技术、网络技术、信息技术与无线电技术等多种技术汇为一体的综合应用实例，利用网络平台将家电控制、环境控制、视频监控、家庭安全防范等有机结合的智能系统，具有很强的技术性和前瞻性。系统的传感器包括门禁、网络摄像头、CO传感器、门磁和窗磁传感器、烟雾探测器、红外传感器等。门禁系统是独立模块，可通过刷卡、指纹、人脸识别三种方式来控制门锁的开启与关闭，门禁机对开门情况进行自动记录以供查询;应用智能门铃和电子锁联动，对门的开关实现远程控制。
5.智能影音子系統
此系统由电视机、功放、机顶盒与音箱等影音设备构成，通过智能家居控制器，对家庭影院的影音系统、灯光、窗帘等设备完成智能集中控制，能完成强大的场景功能。
6.智能温控子系统
此系统将空调接入网络，由多个温度采集器实时采集所需位置温度，根据时间、季节作出反馈控制，进行温度的自动调节，实现空调的智能化控制。
7.语音控制子系统
此系统主要包括语音控制终端、语音控制系统软件，是基于智能语音识别技术来控制家居用电设备，与服务器共同完成语音控制功能。
8.能源监控子系统
此系统是以用电、用水量管理和监测的管理系统，采集家居每日用电用水总量、功率峰值等信息存储到数据库，经分析统计出各种数据报表，供用户以不同方式进行历史查询，可以预设阈值，当数据超标时自动报警。
各子系统由视频服务平台有机融合在一起，可由手机、计算机等登录智能家居界面进行实时访问，并可实现自动控制和远程控制各用电设备。
四、结语
物联网应用的范围越来越广泛，涉及生活工作的各个领域。智能家居教学实训系统的建设，为学生搭建了一个探索物联网技术的实践平台，帮助学生掌握物联网应用技术的设计思路和实现途径。教师应鼓励学生学以致用，根据自己的专业特点对实验设备进一步开发，从而为社会培养优秀的专业人才。
参考文献：
[1]吴功宜，吴英.物联网工程导论[M].北京：机械工业出版社，2015.
[2]信息通信行业发展规划物联网分册（2016—2020年）[N].中国电子报，2017-01-24.
[3]佚名.一套典型的物联网智能家居系统的应用方案[J].物联网技术，2011（6）：36-37.
[4]周春月，闫子淇.基于物联网技术的智慧实验室架构研究[J].实验室研究与探索，2014，5（33）：239-242.
[5]车辚辚，孔英会.基于物联网的智慧实验室设计[J].实验技术与管理，2013，10（30）：212-215.
编辑 陈鲜艳
[关 键 词] 物联网实验室;智能家居;子系统
[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2019）25-0182-02
一、智能家居教学实训系统建设的必要性
21世纪的人类社会正快速步入信息时代，我们处于新的技术革命之中，物联网正是这场技术革命的中心。物联网是继计算机、互联网、移动通信网等迅速发展和普及之后，出现新的计算模式的变革，实现了信息世界和物理世界的融合，被称为“世界信息产业的第三次革命”，物联网在工业、农业、交通、电网、家居等不同领域中的应用越来越受到重视。根据工业和信息化部牵头制定的《物联网“十三五”发展规划》中强调，要不断推动物联网在消费领域的实践和应用创新，鼓励健康服务、智能家居等消费领域的应用迅速发展，促进家庭智能安防、家用电器智能化控制、家居环境监测和管理等智能家居得到广泛应用。
智能家居系统，是将ZigBee技术、RFID技术、无线传感器网络等物联网技术，结合先进的计算机、网络通讯、综合布线和无线等技术，将与家居生活相关的多种子系统通过信息管理平台有机融合在一起，进行网络化综合智能控制和管理。首先，要在家居环境中建立一个无线局域网，在智能家居网络操作系统的作用下，通过硬件和执行机构实现对所有无线局域网上用电设备的控制。其次，各种用电设备都要通过一定的网络平台，构成与外界环境的通讯道路，实现与家庭外部环境的信息沟通，完成远程控制、监测和信息交换等功能，实现人们对家居环境的不同需求。
高校作為培养市场需求的高素质人才的重要阵地，开设物联网专业及课程，建设物联网实验室智能家居教学实训系统，成为人才培养的需求。
二、智能家居教学实训系统的建设目标
物联网技术是一门涉及计算机、自动化、电子、通信、网络、信息安全等多学科的应用性极强的交叉学科，物联网实验室智能家居教学实训系统的建设，不仅是创新人才培养的需要，也是学校可持续性发展的要求。
（一）实验室应满足实验教学要求
根据人才培养方案，物联网实验室智能家居教学实训系统的建设，应能满足本专业和相关专业学生完成验证性、综合性、设计性的实验教学内容，通过实验操作和物联网实验环境的实景搭建，巩固物联网的专业知识，激发学习热情。
（二）实验室很强的延展性应满足科研要求
物联网实验室很重要的一个特征是通过传感器、射频等技术，将不同物体联系起来，因此实验室建设时都留有统一开放的接口，并且开放系统源代码，用于教学科研的二次开发，使实验系统的功能具有很强的扩展性。智能家居教学实训系统具有丰富的资源条件和前沿性技术，可以为教师科研课题、学生社团的科技训练、物联网项目实践、科技竞赛、大学生创新创业项目、毕业论文设计甚至对接企业产品提供实验条件。
实验教学、教师科研、大学生科技竞赛与毕业论文等活动通过智能家居教学实训系统有机结合在一起，相辅相成，不仅充分利用了实验室资源，提高资源利用率，还可以汲取学生的奇思妙想为教师带来科研上的灵感，为提升科研成果质量、提高学科建设水平助力。
三、智能家居教学实训系统的建设内容
智能家居教学实训系统是由多种物联网技术交融形成的复杂系统，涉及智能传感器技术、嵌入式编程技术、无线组网技术、串口及网络编程技术、RFID射频识别技术和云平台等远程控制，这些技术和操作要领在物联网的理论课和实验操作过程中可以学习到;同时构建一个智能家居的实景体验区，供学生真实体验智能化家居环境的部署效果;在实验操作和实景体验的基础上，学生可根据自行设计的需求，对实验设备进行二次开发，运用智能家居教学实训系统的各种模块、传感器等设备器件，通过开放的通信接口，自行设计和扩展控制设备，实现教学系统和体验系统的联动，实景搭建属于自己的物联网实验环境，加强学生全面把控部署实际场景的能力，从而实现智能家居教学实训系统的实验教学、体验和展示、科研创新的综合功能。其系统架构示意图如下图所示。
（一）智能家居教学实训系统的技术架构
物联网系统的结构复杂，其工作过程可以类比人类对问题进行智慧处理的过程，借鉴成熟的计算机网络体系结构模型的研究方法，物联网在结构上可分为感知层、网络层和应用层三个彼此独立又紧密关联的部分。感知层类似于人的五官，用于全面感知环境、获取信息、采集数据，它是联系物理世界与信息世界的基础，主要由RFID设备、各类传感器、摄像头、开关控制的器件等构成;网络层类似于人的神经，用于传输信息，采用无线和有线两种技术进行搭建，包括无线局域网、校园网、无线移动通讯网、传感器网络等;应用层类似于人的大脑进行智能计算，提供数据的存储、融合、查询、检索功能，并进行智能数据处理和智能决策，为各子系统提供智能服务。
（二）智能家居实景体验系统功能 1.环境监测子系统
此系统由温度、湿度、光照与气体等多种传感器，感知当前的实时环境数据，并上传到用户的手机端和云端，系统页面实时显示环境监测数据，将环境数据定时存储到数据库，供查询历史记录，环境监测数据与灯光、窗帘、排风扇、空气净化器、加湿器等设备根据既定策略联动，实现环境的智能化改善。
2.智能照明子系统
此系统由灯光控制器、家居控制器与彩灯等组成，通过光照采集器采集到不同光照强度，根据用户的需求，可以实现对灯光的手动控制、自动控制和智能灯光跟随等功能。对固定模式的场景，通过编程进行场景设置，可实现多路灯光场景的转换和灯光、电器的组合场景。
3.智能窗帘子系统
此系统由窗帘、电机、控制器与智能家居控制器等构成。通过光照传感器采集到光照强度，窗帘可以根据用户的需求手动或自动进行开关。
4.智能安防子系统
此系统是由传感技术、控制技术、网络技术、信息技术与无线电技术等多种技术汇为一体的综合应用实例，利用网络平台将家电控制、环境控制、视频监控、家庭安全防范等有机结合的智能系统，具有很强的技术性和前瞻性。系统的传感器包括门禁、网络摄像头、CO传感器、门磁和窗磁传感器、烟雾探测器、红外传感器等。门禁系统是独立模块，可通过刷卡、指纹、人脸识别三种方式来控制门锁的开启与关闭，门禁机对开门情况进行自动记录以供查询;应用智能门铃和电子锁联动，对门的开关实现远程控制。
5.智能影音子系統
此系统由电视机、功放、机顶盒与音箱等影音设备构成，通过智能家居控制器，对家庭影院的影音系统、灯光、窗帘等设备完成智能集中控制，能完成强大的场景功能。
6.智能温控子系统
此系统将空调接入网络，由多个温度采集器实时采集所需位置温度，根据时间、季节作出反馈控制，进行温度的自动调节，实现空调的智能化控制。
7.语音控制子系统
此系统主要包括语音控制终端、语音控制系统软件，是基于智能语音识别技术来控制家居用电设备，与服务器共同完成语音控制功能。
8.能源监控子系统
此系统是以用电、用水量管理和监测的管理系统，采集家居每日用电用水总量、功率峰值等信息存储到数据库，经分析统计出各种数据报表，供用户以不同方式进行历史查询，可以预设阈值，当数据超标时自动报警。
各子系统由视频服务平台有机融合在一起，可由手机、计算机等登录智能家居界面进行实时访问，并可实现自动控制和远程控制各用电设备。
四、结语
物联网应用的范围越来越广泛，涉及生活工作的各个领域。智能家居教学实训系统的建设，为学生搭建了一个探索物联网技术的实践平台，帮助学生掌握物联网应用技术的设计思路和实现途径。教师应鼓励学生学以致用，根据自己的专业特点对实验设备进一步开发，从而为社会培养优秀的专业人才。
参考文献：
[1]吴功宜，吴英.物联网工程导论[M].北京：机械工业出版社，2015.
[2]信息通信行业发展规划物联网分册（2016—2020年）[N].中国电子报，2017-01-24.
[3]佚名.一套典型的物联网智能家居系统的应用方案[J].物联网技术，2011（6）：36-37.
[4]周春月，闫子淇.基于物联网技术的智慧实验室架构研究[J].实验室研究与探索，2014，5（33）：239-242.
[5]车辚辚，孔英会.基于物联网的智慧实验室设计[J].实验技术与管理，2013，10（30）：212-215.
编辑 陈鲜艳