盧 瑾，顧東袁，楊東勇，任宏亮，何 偉

(浙江工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，杭州 310023)

智能家居開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

盧 瑾，顧東袁，楊東勇，任宏亮，何 偉

(浙江工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，杭州 310023)

針對(duì)傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中知識(shí)理解與綜合運(yùn)用的脫節(jié)問(wèn)題，提出一種開(kāi)放性的智能家居實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。通過(guò)各種遠(yuǎn)程終端，利用無(wú)線通信功能，結(jié)合傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和接入技術(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室中的傳感器及家電實(shí)現(xiàn)智能控制。智能家居系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一種典型應(yīng)用，有助于學(xué)生深入學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)基本技術(shù)。教學(xué)方案在實(shí)踐指導(dǎo)過(guò)程中取得有效成果。

智能家居; 物聯(lián)網(wǎng); 實(shí)驗(yàn)教學(xué);設(shè)計(jì)

所謂物聯(lián)網(wǎng)是指通過(guò)傳感器、射頻識(shí)別技術(shù)(radio frequency IDentification，RFID)、全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)等技術(shù)，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體的各種信息，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接入方式，建立物與物、物與人的泛在鏈接，實(shí)現(xiàn)對(duì)資產(chǎn)和過(guò)程的智能感知、識(shí)別和管理[1-5]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是信息網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)方向重點(diǎn)支持開(kāi)辦的專(zhuān)業(yè)之一。作為新興專(zhuān)業(yè)，課程配套的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)相對(duì)比較薄弱，而教學(xué)過(guò)程中與實(shí)際脫節(jié)的純理論教學(xué)無(wú)法滿(mǎn)足學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深入認(rèn)識(shí)與理解，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)迫在眉睫。

另外，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)內(nèi)容廣泛，是傳感器技術(shù)、接入技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的集成[6]，傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)在教學(xué)過(guò)程中能使學(xué)生認(rèn)識(shí)物聯(lián)網(wǎng)各種組件的應(yīng)用，但欠缺對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的整體理解，同時(shí)，學(xué)生的動(dòng)手能力、應(yīng)用能力得不到充分發(fā)展[7-8]。

智能家居系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)整合了傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)設(shè)備、無(wú)線模塊等硬件設(shè)施，涉及傳感器網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、應(yīng)用軟件系統(tǒng)等軟件設(shè)計(jì)[9]，能充分體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在實(shí)際生活中的具體應(yīng)用。

針對(duì)以上情況，本文設(shè)計(jì)一種開(kāi)放性的智能家居實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，采用以學(xué)生開(kāi)發(fā)為主，教師啟發(fā)指導(dǎo)為輔的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，使得學(xué)生能綜合運(yùn)用各知識(shí)點(diǎn)，拓展學(xué)生的理論和實(shí)踐能力。

1 智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能家居系統(tǒng)是集無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信、傳感器節(jié)點(diǎn)狀態(tài)與數(shù)據(jù)分析于一體的軟硬件集成設(shè)備，是利用無(wú)線通信功能，將無(wú)線傳感技術(shù)與局域網(wǎng)技術(shù)結(jié)合的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接各種傳感器并對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種家用電器的控制，達(dá)到家居環(huán)境智能化的效果。

智能家居實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是在實(shí)驗(yàn)室部署各種類(lèi)型的傳感器節(jié)點(diǎn)，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)，把收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給基于ARM的家庭網(wǎng)關(guān)，并進(jìn)行集中式控制處理；家庭網(wǎng)關(guān)提供互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)3G網(wǎng)絡(luò)接入功能，遠(yuǎn)程客戶(hù)端通過(guò)家庭網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的訪問(wèn)查詢(xún)與控制功能。智能家居系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 智能家居實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案設(shè)計(jì)

智能家居實(shí)驗(yàn)主要突出對(duì)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力培養(yǎng)，圍繞物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)，加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)工程系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)包含硬件與軟件兩大部分，硬件設(shè)備僅為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，重點(diǎn)為硬件的實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建以及各部分軟件的具體實(shí)現(xiàn)。

2.1 硬件設(shè)備

根據(jù)圖1所示，智能家居實(shí)驗(yàn)所涉及硬件分為下述四類(lèi)：

(1)終端設(shè)備。終端設(shè)備包括溫/濕度傳感器、氣體探測(cè)器、紅外學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)發(fā)器以及實(shí)驗(yàn)室電燈、電動(dòng)窗簾、電視、空調(diào)、電飯煲等家用電器。

(2)Sink節(jié)點(diǎn)。Sink節(jié)點(diǎn)是以CC2530射頻芯片為核心的嵌入式模塊。

(3)家庭網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)外圍設(shè)備包括ZigBee模塊、USB 3G模塊、Wi-Fi模塊和網(wǎng)卡芯片等。

(4)用戶(hù)終端。包括手持終端(平板電腦、智能手機(jī)等)和PC機(jī)客戶(hù)端。

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

智能家居實(shí)驗(yàn)從功能上劃分，分為數(shù)據(jù)采集、通信傳輸和控制查看三個(gè)部分，包括傳感器、傳感網(wǎng)，以及傳感網(wǎng)接入等幾個(gè)方面。根據(jù)上述系統(tǒng)架構(gòu)，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為以下部分：終端設(shè)備組建、ARM網(wǎng)關(guān)開(kāi)發(fā)和客戶(hù)端開(kāi)發(fā)，如圖2所示。

圖2 智能家居實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

1)終端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)組建

包括各種傳感器設(shè)備信息采集、傳感器信號(hào)分析、紅外控制類(lèi)電器設(shè)備(如電視機(jī)、空調(diào)等)控制、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇及控制命令傳遞機(jī)制設(shè)計(jì)、通信協(xié)議分析、通信幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，重點(diǎn)讓學(xué)生學(xué)習(xí)傳感器及傳感網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)知識(shí)。

2)ARM網(wǎng)關(guān)開(kāi)發(fā)

ARM網(wǎng)關(guān)主要完成多種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)管理和傳感器信息數(shù)據(jù)管理工作，涉及各種數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)，包括操作系統(tǒng)裁剪與移植、外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)、系統(tǒng)相關(guān)庫(kù)移植及各種服務(wù)器端程序編寫(xiě)等。

系統(tǒng)相關(guān)庫(kù)移植包括了嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)移植和Android客戶(hù)端的消息推送服務(wù)移植等內(nèi)容。

網(wǎng)關(guān)服務(wù)器端的開(kāi)發(fā)分別包含了Web服務(wù)器移植和Socket服務(wù)端設(shè)計(jì)。網(wǎng)關(guān)通過(guò)Socket 服務(wù)器和Web服務(wù)器分別為客戶(hù)端提供Socket連接和Web服務(wù)。其中，Socket服務(wù)器既為Android客戶(hù)端和Web服務(wù)器提供Socket接口，又能通過(guò)串口服務(wù)與Sink節(jié)點(diǎn)通信，以實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議與串口通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

網(wǎng)關(guān)開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)能夠讓學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的各種組建和應(yīng)用有深刻的認(rèn)識(shí)與理解。

3)客戶(hù)端開(kāi)發(fā)

用戶(hù)終端開(kāi)發(fā)分為Android客戶(hù)端設(shè)計(jì)和Web瀏覽器客戶(hù)端設(shè)計(jì)兩種，用于提供對(duì)傳感器的各種控制操作和數(shù)據(jù)信息顯示界面。

4)通信幀設(shè)計(jì)

由于智能家居系統(tǒng)中涉及TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸、串口傳輸和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸(如ZigBee)等多種傳輸協(xié)議，為加強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，通信幀結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一化設(shè)計(jì)也就有必要作為實(shí)驗(yàn)的一部分。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種開(kāi)放性的智能家居實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，涵蓋了網(wǎng)絡(luò)、傳感器、傳感網(wǎng)接入等關(guān)鍵技術(shù)，是對(duì)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種探索與嘗試。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)方案能讓學(xué)生直接感受到物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)，激發(fā)學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的學(xué)習(xí)興趣。

在近兩年的教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生基于該實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，獲得“利爾達(dá)”杯第二屆全國(guó)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)大賽一等獎(jiǎng)，第三屆全國(guó)高校電子信息實(shí)踐創(chuàng)新作品教學(xué)成果一等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)，取得較好的教學(xué)成果。

[1]黃崢,古鵬.物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)研究與探討[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2012，29(2):191-195.

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Design and Implementation of Smart Home Open Experimental Teaching Program

LU Jin，GU Dongyuan，YANG Dongyong，REN Hongliang，HE Wei

(College of Information Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023，China)

In the traditional Internet of Things experimental teaching process, the knowledge can’t be comprehensively used. An open experimental teaching program of smart home is proposed. Through a variety of remote terminal using wireless communication capabilities, combined with sensor technology, network technology and access technology, intelligent control sensors deployed in the laboratory and appliances. Smart home system is a typical application of the Internet of Things technology. It is contributed to deeply learning the basic techniques of Things for students. The teaching programs achieve effective results in the process of experiment

smart home; internet of things; experiment teaching; design

2013-12-19；修改日期: 2014-04-06

浙江省嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與建設(shè)基金資助項(xiàng)目。

盧 瑾(1982-),女,碩士,實(shí)驗(yàn)師,研究方向:無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)。

G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2014.06.031