智能家居系統(tǒng)工程案例

1、智能家居系統(tǒng)工程案例目錄案例一：智能家居實訓平臺41 概述42 系統(tǒng)方案42.1 智能家居系統(tǒng)組成42.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成52.3 網(wǎng)絡(luò)拓撲圖53 實施方案63.1 智能家居真實場景63.2 模型版智能家居74 實訓平臺設(shè)計84.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計84.1.1 環(huán)境監(jiān)測84.1.2 電器控制部分94.1.3 智能安防部分104.1.4 綜合控制系統(tǒng)104.3 模擬智能家居124.3.1 模擬智能家居布局效果圖124.3.2 智能家居實訓平臺配置清單134.4 軟件平臺及實驗的設(shè)計144.4.1 智能家居管理平臺144.4.1.1 系統(tǒng)配置144.4.2 模擬仿真平臺16附錄1：傳感器模塊參數(shù)列表2

2、0案例一：智能家居實訓平臺1 概述該案充分考慮到項目特點和主流技術(shù)相結(jié)合的需求，將“移動改變生活”這句話變成實際，為學生提供一個“體驗+實踐”的開放環(huán)境。從進入實驗室的那一刻起，“聰明、安全”無處不在。無處不再的門禁系統(tǒng)將潛在的危險阻擋在電梯間之外，安保系統(tǒng)將全程記錄你出現(xiàn)位置，始終將你的安全放在第一位，但是聰明的它只會默默的守護你。這一切的一切只需要你輕輕晃動的你手機即可完成，無卡的尷尬將離你遠去。訪客的到來將在家中對講顯示屏上清晰反映，提前一步開啟你溫暖的笑容傍晚步入家中，溫暖的洗澡水、徐徐播放的音樂、緩緩閉合的窗簾，伴隨著廚房設(shè)備清脆的提示音你可以享受為自己預備好的晚餐了。這一切是真實的

3、、這一切是聰明的。對！這就是智能家居。清晨的喧鬧即將開始的時候，在你關(guān)門的一瞬間。家，沉寂了，安靜了，省電模式將呵護著你的口袋；平靜中安全模式緊緊的保護著這個溫馨的家，始終如一的守護她，隨時隨地通過 3G 網(wǎng)絡(luò)反映出家中情況，讓你在前進的道路中無后顧之憂。在智能家居開發(fā)實驗室中，不僅讓學生、老師深切體驗到智能家居的“聰明、安全、舒適”，我們還會提供二次開發(fā)接口，讓學生、老師去 DIY，去動手開發(fā)自己專屬的智能家居，在一個愉快、開放的環(huán)境中學習掌握物聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)。2 系統(tǒng)方案2.1 智能家居系統(tǒng)組成智能家居系統(tǒng)是以信息化為平臺，將智能家電控制、室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測、安防監(jiān)控、異常報警求助、無盲區(qū)全景

4、監(jiān)視系統(tǒng)、背景音樂等系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理，室內(nèi)通過遙控器任意控制，室外可通過手機或電腦進行遠程控制，對家里的情況了如指掌。2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖 2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.3 網(wǎng)絡(luò)拓撲圖圖 2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖3 實施方案3.1 智能家居真實場景 以物聯(lián)網(wǎng)科研平臺為基礎(chǔ)，提供一套真實的智能家居場景。效果圖如下：圖3.1 智能家居實景參考配置：Ø智能家居網(wǎng)關(guān)ØPC 服務(wù)器Ø網(wǎng)絡(luò)攝像頭（帶云臺控制）ØRFID 讀寫器Ø220V 智能開關(guān)、智能遙控器（控制電視、音響、空調(diào)、風扇、照明燈等）Ø電動窗簾、電動晾衣架Ø3G 通信模塊

5、6;無線探測器（溫度、濕度、光感、雨雪感應、煙霧、壓力、紅外對管）特點：體驗性強，用戶可以體驗既定的執(zhí)行策略，比如就餐場景、娛樂場景、睡眠場景等，感受物聯(lián)網(wǎng)帶來的智能，對物聯(lián)網(wǎng)有系統(tǒng)的感知，同時實驗平臺開放開發(fā)接口，用戶可以加載Python 腳本來對實驗室內(nèi)的設(shè)備進行讀寫操作，可實現(xiàn)不同設(shè)備的聯(lián)動控制，定制自己的智能家居系統(tǒng)，比如通過室內(nèi)溫度采集，當溫度值超過一定閾值，則開啟風扇或空調(diào)，同時可考慮更多因素（節(jié)能、制冷效果等），決策是同時開風扇和空調(diào)還是只開其中一個設(shè)備，完全提供給學生一個開放式環(huán)境；3.2 模型版智能家居 以物聯(lián)網(wǎng)科研平臺為基礎(chǔ)，在一個機柜中模擬出智能家居的環(huán)境，與真實的智能家

6、居系統(tǒng)功能相似，只是尺寸比例不同，模型板家居系統(tǒng)全部模塊化，與真實家居系統(tǒng)采用統(tǒng)一的硬件及軟件接口，效果圖如下圖 3.2 智能家居模型版參考配置：Ø智能家居網(wǎng)關(guān)ØPC 機Ø攝像頭ØRFID 讀寫器Ø智能開關(guān)Ø燈光（白熾燈、報警燈、LED 數(shù)碼管）Ø3G 通信模塊Ø無線探測器（溫度、濕度、光感、雨感、煙霧、壓力、紅外對管、繼電器控制） 特點： 將所有的模塊濃縮到一個模擬的智能家居模型里，幾個學生一組可以在這個平臺上開發(fā)驗證程序，并通過 LED 燈、數(shù)碼管對結(jié)果進行顯示，達到相對直觀的演示效果。模型板家居系統(tǒng)全部模塊化

7、，與真實家居系統(tǒng)采用統(tǒng)一的硬件及軟件接口，基于我們提供的開發(fā)接口，學生可以將自己開發(fā)的模塊加入到真實的環(huán)境中進行驗證體驗。比如，學生在模型板上開發(fā)控制程序可直接加載到真實環(huán)境中，進行驗證。4 實訓平臺設(shè)計4.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1.1 環(huán)境監(jiān)測 基于zigbee的傳感器采集模塊，在室內(nèi)組成環(huán)境監(jiān)測傳感網(wǎng)絡(luò)，負責室內(nèi)傳感數(shù)據(jù)的采集，主要包括溫度、濕度、光感、雨雪感應、煙霧、壓力數(shù)據(jù)的采集，另外，根據(jù)實際需要可擴展其他傳感器，為其他電器控制執(zhí)行策略提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，無線采集模塊搭載傳感器詳細參數(shù)列表請見附錄1傳感器詳細參數(shù)列表。 無線溫濕度傳感器對室內(nèi)溫濕度進行采集，由學生設(shè)置采集周期及告警閾值，來控

8、制風扇、空調(diào)等設(shè)備； 無線光感傳感器對室內(nèi)管線進行采集，由學生設(shè)置采集周期及告警閾值，當環(huán)境光線低于或高于設(shè)定值時，控制燈或者窗簾的聯(lián)動控制； 無線雨感傳感器對室外天氣情況進行監(jiān)測，部署在室外，根據(jù)室外天氣情況，發(fā)出告警短信或?qū)α酪录苓M行控制； 無線煙感傳感器對室內(nèi)環(huán)境情況進行監(jiān)測，一旦發(fā)生火情，第一時間短信告警并采取其他聯(lián)動措施；圖 4.1 無線溫濕度采集模塊4.1.2 電器控制部分 控制部分主要基于 zigbee 的無線反饋控制模塊，包括智能開關(guān)及智能紅外遙控，控制器只需要接在 220V 電源線上即可無需另行布線，實現(xiàn)對空調(diào)、風扇、電視、音響、節(jié)能燈的控制。 下圖 3.2 為智能紅外遙控器

9、，可以對需要操作的紅外遙控鍵盤進行學習，由服務(wù)器平臺進行記錄存儲，并通過zigbee無線模塊進行下發(fā)，實現(xiàn)對空調(diào)、風扇、電視、音響的控制。圖 4.2 智能紅外遙控器 無線智能開關(guān)由 zigbee 220v 繼電器控制模塊構(gòu)成，實現(xiàn)對室內(nèi)照明燈的控制。室內(nèi)照明燈主要包括 2 個電視墻射燈，客廳大燈 1 個，其他 3 個普通照明燈； 智能窗簾及晾衣架控制器，包括導軌、步進電機、zigbee 無線模塊，主要安裝于兩個窗戶處，實現(xiàn)窗簾及晾衣架的無線控制；圖 3.3 電器控制示意圖圖 4.3 電器控制示意圖4.1.3 智能安防部分 智能安防系統(tǒng)是由各種智能探測器和智能網(wǎng)關(guān)組成，構(gòu)建房間內(nèi)的主動防御系統(tǒng)。

10、 智能紅外對射探測器，通過紅外線反射進行布防，當有人闖入的時候發(fā)出報警； 智能煙霧探測器，探測出煙霧濃度超標后發(fā)出報警； 智能門禁探測器，基于 RFID 讀卡器，只有有權(quán)限的人員才能夠進入實驗室，同時可實現(xiàn)考勤管理。另外在特定功能區(qū)域區(qū)分 RFID 權(quán)限級別，只有授權(quán)用戶才可以操作控制電視；室內(nèi)監(jiān)控，監(jiān)控住宅內(nèi)的狀況，實現(xiàn)實時察看、錄像、錄像調(diào)用、云臺控制功能。通過手機、服務(wù)器平臺可隨時察看監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的情況，實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能。整個安防系統(tǒng)可實現(xiàn)手機、網(wǎng)關(guān)、電腦軟件等方式接收報警信息，并能實現(xiàn)布防、撤防的設(shè)置。圖 4.4 安防設(shè)備示意圖4.1.4 綜合控制系統(tǒng) 綜合控制系統(tǒng)包括智能家居網(wǎng)關(guān)、智能

11、家居綜合管理軟件等部分組成，實現(xiàn)對房間的設(shè)備的綜合管理，軟件平臺詳細方案請參見軟件平臺方案。4.1.4.1 智能家居綜合管理 智能家居綜合管理對室內(nèi)所有設(shè)備進行實時管理，通過 ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、wifi，對家庭中多種傳感器狀態(tài)進行監(jiān)測和控制，其內(nèi)置多種應用場景，如娛樂場景、睡眠場景、離家場景等。 智能家居管理平臺背景可以根據(jù)實際場景進行切換，室內(nèi)所有設(shè)備都有唯一的物理地址，通過智能家居演示平臺可以對對應的每個節(jié)點友好名、節(jié)點類型、網(wǎng)絡(luò) ID 等參數(shù)進行配置修改，實現(xiàn)對每個節(jié)點的讀寫控制。在圖形化仿真平臺中，學生使用友好名就可以對相應設(shè)備進行控制，并且生成、加載相應的控制腳本程序，實

12、現(xiàn)自己的智能家居系統(tǒng)。圖 4.5 智能家居實訓平臺4.1.4.2 擴展功能 物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺除了硬件提供統(tǒng)一的對擴展接口外，軟件平臺也提供了一套通用的數(shù)據(jù)采集和控制通信協(xié)議，便于新增設(shè)備的接入。圖 4.6 調(diào)試信息解析窗口 調(diào)試信息解析窗口對整個實驗平臺的通信消息流程進行實時跟蹤、解析、顯示。比如將RFID 操作過程中的流程詳細的展現(xiàn)出來，讓學生熟悉 RFID 每個操作的詳細過程，并且基于我們提供的通信協(xié)議進行二次開發(fā)時，可以作為調(diào)試工具，去跟蹤定位問題，便于擴展出更多自己的應用程序。4.1.4.3 Python 二次開發(fā) Python 是一種面向?qū)ο蟮慕忉屝缘挠嬎銠C程序設(shè)計語言，也是一種功能強

13、大而完善的通用型語言，已經(jīng)具有十多年的發(fā)展歷史，現(xiàn)在已成熟且穩(wěn)定，目前已在計算機及通信領(lǐng)域應用廣泛。 軟件平臺提供了可二次開發(fā)的功能，目的是幫助學生學習和掌握 Python 語言，深入?yún)⑴c到物聯(lián)網(wǎng)的實驗中來，自己動手編寫腳本控制傳感器，切身的體會到物聯(lián)網(wǎng)的應用。我們的二次開發(fā)模塊還可以幫助學生組合各類傳感器，搭建一個物聯(lián)網(wǎng)的應用環(huán)境，實現(xiàn)學生從做實驗到設(shè)計實驗的跨越，讓學生學習到知識的同時也充分體會到學習物聯(lián)網(wǎng)的樂趣。4.3 模擬智能家居4.3.1 模擬智能家居布局效果圖圖 3.7 模擬智能家居布局效果圖4.3.2 智能家居實訓平臺配置清單類別序號產(chǎn)品名稱單位數(shù)量備注綜合控制系統(tǒng)1多媒體智能網(wǎng)

14、關(guān)至尊版（7寸TFT數(shù)字屏）個1含協(xié)調(diào)器，含攝像頭23G模塊個1報警短信，及終端控制3Wifi模塊個1攝像頭無線傳輸環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)4無線溫濕度、光感傳感模塊個15無線壓力傳感模塊個1安防系統(tǒng)6紅外探測器個1一個用于門禁防護7煙霧報警器個18無線RFID讀寫器個1一個門禁管理電器控制9無線電動窗簾套1步進電機控制10無線開關(guān)控制器個2控制2個燈其他11三周加速度傳感器個1人體跌倒或物體位移12數(shù)碼顯示屏個1模擬顯示空調(diào)、風扇、電視等設(shè)備運行狀態(tài)13數(shù)碼管個3顯示溫度、濕度4.4 軟件平臺及實驗的設(shè)計 為了讓學生能夠?qū)ξ锫?lián)網(wǎng)的基本要素和整體概念有一個理解。由淺入深的學習和掌握物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)知識，充分激

15、發(fā)學生學習的興趣。智能家居實訓平臺分為智能家居管理平臺和模擬仿真平臺。智能家居管理平臺對室內(nèi)所有設(shè)備及系統(tǒng)參數(shù)進行配置管理，并內(nèi)置典型的應用場景，意圖讓學生對物聯(lián)網(wǎng)在智能家居中的應用有系統(tǒng)的感知，并且為后續(xù)的實驗提供參考；模擬仿真平臺主要包括傳感器的認知實驗模塊、物體控制實驗模塊及綜合應用實驗模塊，意圖為學生提供實踐操作的環(huán)境，由淺入深的掌握物聯(lián)網(wǎng)應用的關(guān)鍵技術(shù)。4.4.1 智能家居管理平臺 在智能家居管理平臺中，主要包括了系統(tǒng)配置、節(jié)點布局、場景管理三個部分。圖 3.8 實驗平臺啟動畫面4.4.1.1 系統(tǒng)配置 在該模塊中，實現(xiàn)系統(tǒng)運行參數(shù)配置，主要包括傳感器參數(shù)配置、服務(wù)器 IP 配置、串

16、口配置、密碼管理。傳感器參數(shù)配置，可以設(shè)置傳感器狀態(tài)、采集值超出閾值時是否報警、采集周期、閾值、量程上下限等。圖 3.9 傳感器通用參數(shù)配置4.4.1.2 節(jié)點布局 首先將要布置的傳感器拖拉到左邊實驗室平面圖中，并與實際位置相對應。右鍵點擊該傳感器，則彈出右鍵菜單，選擇“進入傳感器配置”菜單后，選擇系統(tǒng)自動獲取的傳感器類型，并與傳感器物理地址綁定，完成了傳感器與實際傳感器的關(guān)聯(lián)，完成關(guān)聯(lián)后的示意圖如下：圖 3.12 節(jié)點管理界面4.4.1.3 場景管理 在場景管理中，可以預設(shè)不同場景中的物體屬性，用戶可以通過智能終端或者系統(tǒng)提供的場景選擇畫面選擇不同的場景，用戶也可以選擇自定義模式添加不同的場

17、景。雙擊場景可直接切入仿真平臺，對控制邏輯進行查看，在自定義模式下，學生可以參考預置的場景對控制邏輯進行修改，學生也可通過選擇確定的物體進行直接控制。圖 3.10 智能家居場景管理4.4.2 模擬仿真平臺4.4.2.1 傳感器的認知實驗 傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)感知層中最重要的元素，首先讓學生對傳感器的性能指標有一個初步的了解，點擊左邊相應的傳感器，在右邊的參數(shù)介紹區(qū)會顯示相應的傳感器信息，同時在這個模塊，學生可以通過相應的按鈕來進行相關(guān)的實驗，例如以圖片或動畫的方式先對傳感器原理進行講解，并可以進行溫濕度數(shù)據(jù)的實時顯示，通過外界條件改變，感知數(shù)據(jù)曲線的變化，這樣讓學生有一個比較直觀的認識。圖 3.1

18、1 傳感器基礎(chǔ)實驗實驗舉例說明【實驗名稱】溫度傳感器實驗。【實驗目的】了解無線溫度傳感器的工作原理，通過實訓平臺展現(xiàn)如何由物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，再到實際溫度值，再到數(shù)據(jù)的傳輸。并通過實際動手感受溫度值的變化，引發(fā)學生對響應速度、采集周期等問題的思考，激發(fā)學生學習和探索知識的興趣?！緦嶒灉蕚洹繂又悄芗揖訉嶒炇?，保證所有設(shè)備都工作正常，在實驗 PC 機上啟動實驗平臺軟件，并完成軟件與試驗箱的連接?！緦嶒灢襟E】1、在實驗平臺節(jié)點管理窗口下，確認無線溫度傳感器在線；2、在傳感器認知實驗界面中，選擇溫度傳感器認知實驗；3、通過動畫學習了解無線溫度傳感器的工作原理，了解物理量到實際溫度值的轉(zhuǎn)化過程；4、用

19、手觸摸傳感模塊，觀察下方實時溫度曲線變化，觀察曲線的變化速度，引發(fā)對響應速度及采集周期的思考；4.4.2.3 綜合應用實驗 考慮到部分學生有可能對 Python 知識不了解，無法編寫腳本來控制傳感器，阻礙學習傳感器和 Zigbee 的知識，我們的軟件平臺提供自動生成 Python 腳本功能，學生以自動生成的示例為基礎(chǔ)，輕松掌握 Python 的基礎(chǔ)語法知識，進而可以自己設(shè)計傳感器綜合應用實驗。自動生成 Python 的界面如下圖 3.13 所示。圖 3.13 自動生成 Python 界面圖 整個模塊的功能是提供基于控件拖拽的可視化界面編程方式，界面左邊是控件區(qū)，其中傳感器控件區(qū)中的所有傳感器控

20、件都是當前已開啟并處于正常工作狀態(tài)下的傳感器，單擊傳感器控件區(qū)下方的刷新按鈕可根據(jù)當前的各傳感器狀態(tài)更新傳感器控件區(qū)中的傳感器圖標數(shù)量，實現(xiàn)了畫圖時圖標和實際工作傳感器的綁定，學生拖動傳感器畫圖時，自動綁定傳感器的短地址、友好名等信息到控件的屬性中，無需學生進行任何設(shè)置，就可以生成 Python腳本。界面的右邊是畫圖區(qū)，學生通過拖動控件區(qū)的通用控件和傳感器控件，連線后形成流程圖，單擊工具欄中的生成 Python 腳本了。4.4.2.4 學生自設(shè)計應用實驗 為了讓學生從認知物聯(lián)網(wǎng)到感知物聯(lián)網(wǎng)，我們的軟件平臺提供讓學生自己設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)智能家居應用實驗的功能。學生可通過拖動傳感器控件，連線成流程圖后就

21、可生成 Python 腳本，執(zhí)行生成的 Python 腳本就可獲得對智能家居中電器的控制，如下圖 3.14 及 3.15 所示。 軟件平臺還可以保存學生設(shè)計的應用實驗，在需要使用時加載到軟件平臺中，就可以恢復到學生保存時的實驗環(huán)境，方便學生在該實驗環(huán)境的基礎(chǔ)上再進行深入的實驗。圖 3.14 學生自設(shè)計應用實驗圖 3.15 學生自設(shè)計應用實驗生成的 Python附錄1：傳感器模塊參數(shù)列表表1 傳感監(jiān)測模塊參數(shù)列表模塊性能參數(shù)功能光感傳感器功能特點：1、可以在所有光源（包括太陽光）下工作。 2、雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以同時獨立測量環(huán)境光和近距離紅外光。 3、智能中斷方案：可以分別配置環(huán)境光和接近感應的

22、中斷閾值?？梢耘渲糜|發(fā)中斷之前需要達到閾值的次數(shù)：1/4/8/16次達到閾值后再觸發(fā)中斷。 4、非線性：0.5%。 5、環(huán)境光檢測的輸出數(shù)據(jù)直接和光強成正比。 6、環(huán)境光檢測可以選擇125 或 2000勒克斯（lux）的量程。 7、消除環(huán)境中紅外噪聲（包括陽光）。 8、超低功耗：典型工作電流為138A。 9、易用性：I2C通訊接口。 10、內(nèi)部溫度補償。 11、小巧的ODFN8 2.0x2.1x0.7（毫米）封裝。 12、I2C通訊接口匹配電壓為1.7V-3.63V。 13、傳感器供電電壓為2.25V-3.63V。 14、符合RoHS標準。 1、監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境光線； 2、近距離紅外光可做漸進感應，做安全防護； 加速度傳感器 功能特點： 1、電源電壓：1.95伏3.6伏。 2、通訊接口電壓：1.6伏3.6伏。 3、可動態(tài)選擇±2g/±4g/±8g量程。 4、輸出數(shù)據(jù)速率：1.56赫茲800赫茲。 5、12位和8位數(shù)字輸出。 6、I2C通訊接口（當管腳連接4.7K上拉電阻時可達2.25MHz速率）。 7、6個中斷源對應2個可編程中斷引腳。 8、3個運動檢測嵌入式通道：1通道自由落體或運動檢測；1通道脈沖檢測；1通道震動檢測。 9、電流消耗：6uA165uA。 10、符合Ro