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智能家居系统工程案例

目录
案例一：智能家居实训平台 4
1 概述 4
2 系统方案 4
2.1 智能家居系统组成 4
2.2 系统结构组成 5
2.3 网络拓扑图 5
3 实施方案 6
3.1 智能家居真实场景 6
3.2 模型版智能家居 7
4 实训平台设计 8
4.1 系统硬件设计 8
4.1.1 环境监测 8
4.1.2 电器控制部分 9
4.1.3 智能安防部分 10
4.1.4 综合控制系统 10
4.3 模拟智能家居 12
4.3.1 模拟智能家居布局效果图 12
4.3.2 智能家居实训平台配置清单 13
4.4 软件平台及实验的设计 14
4.4.1 智能家居管理平台 14
4.4.1.1 系统配置 14
4.4.2 模拟仿真平台 16
附录1：传感器模块参数列表 20

案例一：智能家居实训平台
1 概述
该案充分考虑到项目特点和主流技术相结合的需求，将“移动改变生活”这句话变成实际，为学生提供一个“体验+实践”的开放环境。
从进入实验室的那一刻起，“聪明、安全”无处不在。无处不再的门禁系统将潜在的危险阻挡在电梯间之外，安保系统将全程记录你出现位置，始终将你的安全放在第一位，但是聪明的它只会默默的守护你。这一切的一切只需要你轻轻晃动的你手机即可完成，无卡的尴尬将离你远去。访客的到来将在家中对讲显示屏上清晰反映，提前一步开启你温暖的笑容傍晚步入家中，温暖的洗澡水、徐徐播放的音乐、缓缓闭合的窗帘，伴随着厨房设备清脆的提示音你可以享受为自己预备好的晚餐了。这一切是真实的、这一切是聪明的。对！这就是智能家居。清晨的喧闹即将开始的时候，在你关门的一瞬间。家，沉寂了，安静了，省电模式将呵护着你的口袋；平静中安全模式紧紧的保护着这个温馨的家，始终如一的守护她，随时随地通过 3G 网络反映出家中情况，让你在前进的道路中无后顾之忧。在智能家居开发实验室中，不仅让学生、老师深切体验到智能家居的“聪明、安全、舒适”，我们还会提供二次开发接口，让学生、老师去 DIY，去动手开发自己专属的智能家居，在一个愉快、开放的环境中学习掌握物联网中的关键技术。

2 系统方案

2.1 智能家居系统组成

智能家居系统是以信息化为平台，将智能家电控制、室内环境监测、安防监控、异常报警求助、无盲区全景监视系统、背景音乐等系统进行统一管理，室内通过遥控器任意控制，室外可通过手机或电脑进行远程控制，对家里的情况了如指掌。
2.2 系统结构组成
图 2.1 系统结构框图
2.3 网络拓扑图

图 2.2 系统网络拓扑图
3 实施方案
3.1 智能家居真实场景
以物联网科研平台为基础，提供一套真实的智能家居场景。效果图如下：

图3.1 智能家居实景
参考配置：
Ø智能家居网关
ØPC 服务器
Ø网络摄像头（带云台控制）
ØRFID 读写器
Ø220V 智能开关、智能遥控器（控制电视、音响、空调、风扇、照明灯等）
Ø电动窗帘、电动晾衣架
Ø3G 通信模块
Ø无线探测器（温度、湿度、光感、雨雪感应、烟雾、压力、红外对管）
特点：
体验性强，用户可以体验既定的执行策略，比如就餐场景、娱乐场景、睡眠场景等，感受物联网带来的智能，对物联网有系统的感知，同时实验平台开放开发接口，用户可以加载Python 脚本来对实验室内的设备进行读写操作，可实现不同设备的联动控制，定制自己的智能家居系统，比如通过室内温度采集，当温度值超过一定阈值，则开启风扇或空调，同时可考虑更多因素（节能、制冷效果等），决策是同时开风扇和空调还是只开其中一个设备，完全提供给学生一个开放式环境；

3.2 模型版智能家居
以物联网科研平台为基础，在一个机柜中模拟出智能家居的环境，与真实的智能家居系统功能相似，只是尺寸比例不同，模型板家居系统全部模块化，与真实家居系统采用统一的硬件及软件接口，效果图如下

图 3.2 智能家居模型版

参考配置：
Ø智能家居网关
ØPC 机
Ø摄像头
ØRFID 读写器
Ø智能开关
Ø灯光（白炽灯、报警灯、LED 数码管）
Ø3G 通信模块
Ø无线探测器（温度、湿度、光感、雨感、烟雾、压力、红外对管、继电器控制）

特点：
将所有的模块浓缩到一个模拟的智能家居模型里，几个学生一组可以在这个平台上开发
验证程序，并通过 LED 灯、数码管对结果进行显示，达到相对直观的演示效果。模型板家
居系统全部模块化，与真实家居系统采用统一的硬件及软件接口，基于我们提供的开发接口，
学生可以将自己开发的模块加入到真实的环境中进行验证体验。比如，学生在模型板上开发
控制程序可直接加载到真实环境中，进行验证。

4 实训平台设计
4.1 系统硬件设计
4.1.1 环境监测
基于zigbee的传感器采集模块，在室内组成环境监测传感网络，负责室内传感数据的采集，主要包括温度、湿度、光感、雨雪感应、烟雾、压力数据的采集，另外，根据实际需要可扩展其他传感器，为其他电器控制执行策略提供数据基础，无线采集模块搭载传感器详细参数列表请见附录1传感器详细参数列表。
无线温湿度传感器对室内温湿度进行采集，由学生设置采集周期及告警阈值，来控制风扇、空调等设备；
无线光感传感器对室内管线进行采集，由学生设置采集周期及告警阈值，当环境光线低
于或高于设定值时，控制灯或者窗帘的联动控制；
无线雨感传感器对室外天气情况进行监测，部署在室外，根据室外天气情况，发出告警
短信或对晾衣架进行控制；
无线烟感传感器对室内环境情况进行监测，一旦发生火情，第一时间短信告警并采取其
他联动措施；

图 4.1 无线温湿度采集模块
4.1.2 电器控制部分
控制部分主要基于 zigbee 的无线反馈控制模块，包括智能开关及智能红外遥控，控制器只需要接在 220V 电源线上即可无需另行布线，实现对空调、风扇、电视、音响、节能灯的控制。
下图 3.2 为智能红外遥控器，可以对需要操作的红外遥控键盘进行学习，由服务器平台进行记录存储，并通过zigbee无线模块进行下发，实现对空调、风扇、电视、音响的控制。

图 4.2 智能红外遥控器

无线智能开关由 zigbee 220v 继电器控制模块构成，实现对室内照明灯的控制。室内照
明灯主要包括 2 个电视墙射灯，客厅大灯 1 个，其他 3 个普通照明灯；
智能窗帘及晾衣架控制器，包括导轨、步进电机、zigbee 无线模块，主要安装于两个窗户处，实现窗帘及晾衣架的无线控制；

图 3.3 电器控制示意图

图 4.3 电器控制示意图
4.1.3 智能安防部分
智能安防系统是由各种智能探测器和智能网关组成，构建房间内的主动防御系统。
智能红外对射探测器，通过红外线反射进行布防，当有人闯入的时候发出报警；
智能烟雾探测器，探测出烟雾浓度超标后发出报警；
智能门禁探测器，基于 RFID 读卡器，只有有权限的人员才能够进入实验室，同时可实现考勤管理。另外在特定功能区域区分 RFID 权限级别，只有授权用户才可以操作控制电视；室内监控，监控住宅内的状况，实现实时察看、录像、录像调用、云台控制功能。通过手机、服务器平台可随时察看监控区域内的情况，实现远程监控功能。整个安防系统可实现手机、网关、电脑软件等方式接收报警信息，并能实现布防、撤防的设置。

图 4.4 安防设备示意图

4.1.4 综合控制系统
综合控制系统包括智能家居网关、智能家居综合管理软件等部分组成，实现对房间的设
备的综合管理，软件平台详细方案请参见软件平台方案。

4.1.4.1 智能家居综合管理
智能家居综合管理对室内所有设备进行实时管理，通过 ZigBee 无线传感器网络、wifi，对家庭中多种传感器状态进行监测和控制，其内置多种应用场景，如娱乐场景、睡眠场景、离家场景等。
智能家居管理平台背景可以根据实际场景进行切换，室内所有设备都有唯一的物理地址，通过智能家居演示平台可以对对应的每个节点友好名、节点类型、网络 ID 等参数进行配置修改，实现对每个节点的读写控制。在图形化仿真平台中，学生使用友好名就可以对相应设备进行控制，并且生成、加载相应的控制脚本程序，实现自己的智能家居系统。

图 4.5 智能家居实训平台
4.1.4.2 扩展功能
物联网实验平台除了硬件提供统一的对扩展接口外，软件平台也提供了一套通用的数据采集和控制通信协议，便于新增设备的接入。

图 4.6 调试信息解析窗口

调试信息解析窗口对整个实验平台的通信消息流程进行实时跟踪、解析、显示。比如将RFID 操作过程中的流程详细的展现出来，让学生熟悉 RFID 每个操作的详细过程，并且基于我们提供的通信协议进行二次开发时，可以作为调试工具，去跟踪定位问题，便于扩展出更多自己的应用程序。

4.1.4.3 Python 二次开发

Python 是一种面向对象的解释性的计算机程序设计语言，也是一种功能强大而完善的通用型语言，已经具有十多年的发展历史，现在已成熟且稳定，目前已在计算机及通信领域应用广泛。
软件平台提供了可二次开发的功能，目的是帮助学生学习和掌握 Python 语言，深入参与到物联网的实验中来，自己动手编写脚本控制传感器，切身的体会到物联网的应用。我们的二次开发模块还可以帮助学生组合各类传感器，搭建一个物联网的应用环境，实现学生从做实验到设计实验的跨越，让学生学习到知识的同时也充分体会到学习物联网的乐趣。

4.3 模拟智能家居
4.3.1 模拟智能家居布局效果图

图 3.7 模拟智能家居布局效果图
4.3.2 智能家居实训平台配置清单

类别
序号
产品名称
单位
数量
备注
综合控制系统
1
多媒体智能网关至尊版（7寸TFT数字屏）
个
1
含协调器，含摄像头
2
3G模块
个
1
报警短信，及终端控制
3
Wifi模块
个
1
摄像头无线传输
环境监测系统
4
无线温湿度、光感传感模块
个
1

5
无线压力传感模块
个
1

安防系统
6
红外探测器
个
1
一个用于门禁防护
7
烟雾报警器
个
1

8
无线RFID读写器
个
1
一个门禁管理
电器控制
9
无线电动窗帘
套
1
步进电机控制
10
无线开关控制器
个
2
控制2个灯
其他
11
三周加速度传感器
个
1
人体跌倒或物体位移
12
数码显示屏
个
1
模拟显示空调、风扇、电视等设备运行状态
13
数码管
个
3
显示温度、湿度

4.4 软件平台及实验的设计
为了让学生能够对物联网的基本要素和整体概念有一个理解。由浅入深的学习和掌握物联网的相关知识，充分激发学生学习的兴趣。智能家居实训平台分为智能家居管理平台和模拟仿真平台。智能家居管理平台对室内所有设备及系统参数进行配置管理，并内置典型的应用场景，意图让学生对物联网在智能家居中的应用有系统的感知，并且为后续的实验提供参考；模拟仿真平台主要包括传感器的认知实验模块、物体控制实验模块及综合应用实验模块，意图为学生提供实践操作的环境，由浅入深的掌握物联网应用的关键技术。

4.4.1 智能家居管理平台
在智能家居管理平台中，主要包括了系统配置、节点布局、场景管理三个部分。

图 3.8 实验平台启动画面
4.4.1.1 系统配置
在该模块中，实现系统运行参数配置，主要包括传感器参数配置、服务器 IP 配置、串口配置、密码管理。传感器参数配置，可以设置传感器状态、采集值超出阈值时是否报警、采集周期、阈值、量程上下限等。

图 3.9 传感器通用参数配置

4.4.1.2 节点布局

首先将要布置的传感器拖拉到左边实验室平面图中，并与实际位置相对应。右键点击该传感器，则弹出右键菜单，选择“进入传感器配置”菜单后，选择系统自动获取的传感器类型，并与传感器物理地址绑定，完成了传感器与实际传感器的关联，完成关联后的示意图如下：

图 3.12 节点管理界面

4.4.1.3 场景管理

在场景管理中，可以预设不同场景中的物体属性，用户可以通过智能终端或者系统提供的场景选择画面选择不同的场景，用户也可以选择自定义模式添加不同的场景。双击场景可直接切入仿真平台，对控制逻辑进行查看，在自定义模式下，学生可以参考预置的场景对控制逻辑进行修改，学生也可通过选择确定的物体进行直接控制。

图 3.10 智能家居场景管理

4.4.2 模拟仿真平台
4.4.2.1 传感器的认知实验
传感器作为物联网感知层中最重要的元素，首先让学生对传感器的性能指标有一个初步的了解，点击左边相应的传感器，在右边的参数介绍区会显示相应的传感器信息，同时在这个模块，学生可以通过相应的按钮来进行相关的实验，例如以图片或动画的方式先对传感器原理进行讲解，并可以进行温湿度数据的实时显示，通过外界条件改变，感知数据曲线的变化，这样让学生有一个比较直观的认识。

图 3.11 传感器基础实验
实验举例说明
【实验名称】温度传感器实验。
【实验目的】了解无线温度传感器的工作原理，通过实训平台展现如何由物理量转变为
电信号，再到实际温度值，再到数据的传输。并通过实际动手感受温度值的变化，引发学生对响应速度、采集周期等问题的思考，激发学生学习和探索知识的兴趣。
【实验准备】启动智能家居实验室，保证所有设备都工作正常，在实验 PC 机上启动实验平台软件，并完成软件与试验箱的连接。
【实验步骤】
1、在实验平台节点管理窗口下，确认无线温度传感器在线；
2、在传感器认知实验界面中，选择温度传感器认知实验；
3、通过动画学习了解无线温度传感器的工作原理，了解物理量到实际温度值的转化过程；
4、用手触摸传感模块，观察下方实时温度曲线变化，观察曲线的变化速度，引发对响应速度及采集周期的思考；

4.4.2.3 综合应用实验
考虑到部分学生有可能对 Python 知识不了解，无法编写脚本来控制传感器，阻碍学习
传感器和 Zigbee 的知识，我们的软件平台提供自动生成 Python 脚本功能，学生以自动生成的示例为基础，轻松掌握 Python 的基础语法知识，进而可以自己设计传感器综合应用实验。自动生成 Python 的界面如下图 3.13 所示。

图 3.13 自动生成 Python 界面图

整个模块的功能是提供基于控件拖拽的可视化界面编程方式，界面左边是控件区，其中传感器控件区中的所有传感器控件都是当前已开启并处于正常工作状态下的传感器，单击传感器控件区下方的刷新按钮可根据当前的各传感器状态更新传感器控件区中的传感器图标数量，实现了画图时图标和实际工作传感器的绑定，学生拖动传感器画图时，自动绑定传感器的短地址、友好名等信息到控件的属性中，无需学生进行任何设置，就可以生成 Python脚本。界面的右边是画图区，学生通过拖动控件区的通用控件和传感器控件，连线后形成流程图，单击工具栏中的生成 Python 脚本了。

4.4.2.4 学生自设计应用实验
为了让学生从认知物联网到感知物联网，我们的软件平台提供让学生自己设计物联网智能家居应用实验的功能。学生可通过拖动传感器控件，连线成流程图后就可生成 Python 脚本，执行生成的 Python 脚本就可获得对智能家居中电器的控制，如下图 3.14 及 3.15 所示。
软件平台还可以保存学生设计的应用实验，在需要使用时加载到软件平台中，就可以恢复到学生保存时的实验环境，方便学生在该实验环境的基础上再进行深入的实验。

图 3.14 学生自设计应用实验

图 3.15 学生自设计应用实验生成的 Python

附录1：传感器模块参数列表

表1 传感监测模块参数列表
模块
性能参数
功能

光感传感器
功能特点：
1、可以在所有光源（包括太阳光）下工作。
2、双通道模数转换器可以同时独立测量环境光和近距离红外光。
3、智能中断方案：可以分别配置环境光和接近感应的中断阈值。可以配置触发中断之前需要达到阈值的次数：1/4/8/16次达到阈值后再触发中断。
4、非线性：0.5%。
5、环境光检测的输出数据直接和光强成正比。
6、环境光检测可以选择125 或 2000勒克斯（lux）的量程。
7、消除环境中红外噪声（包括阳光）。
8、超低功耗：典型工作电流为138μA。
9、易用性：I2C通讯接口。
10、内部温度补偿。
11、小巧的ODFN8 2.0x2.1x0.7（毫米）封装。 12、I2C通讯接口匹配电压为1.7V--3.63V。 13、传感器供电电压为2.25V--3.63V。 14、符合RoHS标准。

1、监测室内环境光线； 2、近距离红外光可做渐进感应，做安全防护；

加速度传感器

功能特点：
1、电源电压：1.95伏—3.6伏。
2、通讯接口电压：1.6伏—3.6伏。
3、可动态选择±2g/±4g/±8g量程。
4、输出数据速率：1.56赫兹—800赫兹。
5、12位和8位数字输出。
6、I2C通讯接口（当管脚连接4.7K上拉电阻时可达2.25MHz速率）。
7、6个中断源对应2个可编程中断引脚。
8、3个运动检测嵌入式通道：1通道自由落体或运动检测；1通道脉冲检测；1通道震动检测。
9、电流消耗：6uA—165uA。 10、符合RoHS标准。

1、 物体移位监测；
2、 实时运动分析

气压传感器

功能特点：
1、电源电压：1.95伏--3.6伏。
2、通讯接口电压：1.6伏--3.6伏。
3、补偿内部。
4、直接读取数据。数据已经经过补偿。 压力：20位数据（帕斯卡）；
海拔高度：20位数据（米）； 温度：12位数据（摄氏度）。 5、测量范围： 压力：测量20--110kPa范围。 温度：测量-40--+85摄氏度范围。
6、分辨率。 压力：1.5帕斯卡。 海拔高度：30厘米。 温度：0.0625摄氏度。
7、可编程事件。
8、自动数据采集。
9、使用FIFO，最多能够记录12天的数据。
10、I2C接口（数据速率达400千赫）。

1、 高精度高度计；
2、 气压、温度采集。

温湿度传感器

功能特点：
1、相对湿度和温度传感器
2、工作电压范围2.4伏--5.5伏。
3、通讯接口：串行接口，一根数据线，一根时钟线。
4、测温范围：-40—123.8摄氏度。
5、完全校准，数字输出。
6、卓越的长期稳定性。
7、无需任何外部元件。
8、超低功耗。
9、小尺寸。

1、室内湿度和温度数据采集；

红外对管

性能特点：
1、 红外安防装置有效距离可达10米。
2、红外发射管连续工作电流150mA。
3、红外发射管在脉冲控制方式下，最大工作电流可达3A。 4、红外接收端中心频率：38KHz。
5、对环境光具有高性能抗干扰性。
6、工作环境温度：-25 -- +85摄氏度

1、用于安防监控；

烟雾传感器

性能特点：
1、大探测范围。
2、高灵敏度和快速响应。
3、优异的稳定性；寿命长。
4、简单的驱动电路。
5、标准工作条件 温度： 20℃±2℃

1、可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置， 适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。