龍浩
摘 要:針對傳統(tǒng)物聯(lián)網實驗教學過程中知識理解與綜合運用的脫節(jié)問題,提出了一種開放性的智能家居實踐教學方案。該方案可通過各種遠程終端,利用無線通信功能,結合傳感器技術、網絡技術和接入技術,對實驗室中的傳感器及家電實現(xiàn)智能控制。
關鍵詞:物聯(lián)網;實踐教學;智能家居;開放性
中圖分類號:TP319 文獻標識碼:A 文章編號:2095-1302(2015)12-0-02
0 引 言
物聯(lián)網已成為通信領域和傳感領域炙手可熱的研究方向,針對物聯(lián)網核心技術和典型應用的研究開發(fā)已成為各個高校和相關企業(yè)的重要工作,也成為各高校相關專業(yè)教學和科研的一個新方向。
為了能讓各高校的通信、信息、電子、計算機、自動控制和傳感技術等專業(yè)學生深A入了解物聯(lián)網的原理、實現(xiàn)方法及其典型應用,本文設計并實現(xiàn)了一種物聯(lián)網教學實驗系統(tǒng)。本系統(tǒng)從物聯(lián)網的基本技術出發(fā),基于無線傳感器網絡和射頻識別技術設計了物聯(lián)網系統(tǒng)的基本架構,并在此基礎上實現(xiàn)了物聯(lián)網在智能家居方面的應用案例。學生可以通過本系統(tǒng)深入學習物聯(lián)網基本技術,并理解物聯(lián)網在各種典型應用行業(yè)中的功能和系統(tǒng)設計方法。
1 系統(tǒng)總體方案
本文所設計的物聯(lián)網教學實驗系統(tǒng)總體方案包括物聯(lián)網主從節(jié)點、RFID身份標簽和實驗軟件三部分,系統(tǒng)總體框架如圖1所示。物聯(lián)網主從節(jié)點共同組成網狀(Mesh)網絡以完成傳感器和RFID數據的無線傳輸。數據匯集至連接主節(jié)點的計算機,并由實驗軟件負責數據的存儲和分析功能。RFID標簽分為兩類:設備身份標簽和人員身份標簽,設備身份標簽在應用案例中用來標示物品和電器設施的身份,而人員身份標簽則用以識別醫(yī)護類應用案例中的病人物聯(lián)網主從節(jié)點之間的無線網絡,這是系統(tǒng)的關鍵因素,既要求低功耗以增加節(jié)點在電池供電時的工作時間,又需在節(jié)點移動過程中確保數據傳輸的可靠性。根據上述要求,我們選擇ZigBee作為主從節(jié)點間的無線技術標準。ZigBee是一種短距離無線通信技術,其底層技術基于IEEE 802.15.4,相比于藍牙和WLAN,其具有功耗低及網絡容量大等優(yōu)點,并且能夠方便地實現(xiàn)Mesh網絡。
智能家居案例通過傳感器采集家中各居室的溫度、光強度等信息,通過控制中心實現(xiàn)空調、熱水器、電燈和窗簾等室內設備的全自動運行,展示了物聯(lián)網在家居環(huán)境中的應用。
智能家居系統(tǒng)的PC控制交互界面如圖2所示。
2 實驗內容
智能家居實驗從功能上劃分,可分為數據采集、通信傳輸和控制查看三個部分,包括傳感器、傳感網以及傳感網接入等幾個方面。根據上述系統(tǒng)架構,將實驗內容分為以下部分:終端設備組建、ARM網關開發(fā)和客戶端開發(fā)。如圖3所示。
3 系統(tǒng)功能
本系統(tǒng)引進國內外先進科技, 集成綜合布線技術、網絡通訊技術、自動控制技術、音視頻技術,利用計算機和嵌入式系統(tǒng),將家庭中的各種設備通過家庭網絡連接到一起,建立高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統(tǒng),提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性,并實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。系統(tǒng)功能如下:
3.1 便捷的生活服務
(1)智能無線遙控系統(tǒng)
自學習式智能遙控器可實現(xiàn)對所有電器、燈光、窗簾和部分環(huán)境設備的遙控,以及一鍵式場景控制。
(2)環(huán)境監(jiān)測與采集系統(tǒng)
環(huán)境監(jiān)測與家電控制子網關,可隨時獲取和上傳家庭的光照、溫度、濕度、噪音、煙霧、有害氣體等信息;同時還能代為控制智能遙控器。
(3)抄表系統(tǒng)
使用RS 485/WiFi來實現(xiàn)電表氣表的讀取。
(4)電力線系統(tǒng)
使用繼電器與電力線載波控制器能夠通過電力線傳播控制信號,從而免去了布線之苦。
3.2 安心的環(huán)境監(jiān)測
(1)環(huán)境感知
有害氣體、煙霧、煤氣傳感器可通過子網關控制器采集。
(2)安防門禁
a.可采用RFID卡系統(tǒng)確認來客身份;
b.可運用網絡攝像機提供局域網視頻訪問和廣域網圖片訪問;
c.文件服務器用于存儲視頻監(jiān)控錄像。
3.3 和諧的人機交互
(1)大屏幕交互
智能電視和投影儀可以接受服務器調用,及時向住戶推送消息。
(2)語音交互
a.通過手機或麥克風,可向服務中心請求簡單的命令;
b.音響系統(tǒng)能夠以語音方式告知控制結果,或是主動提醒用戶。
(3)機器人
機器人具有自主移動功能,內置攝像頭,能夠監(jiān)控移動視頻信息,也能夠和住戶進行語音交互,并控制家電等。
3.4 體貼的健康服務
(1)健康設備的開發(fā)與接入
設備能采集心電圖、血壓、血糖等信息,并上傳到服務器。
(2)健身監(jiān)查設備
該設備可以記錄住戶一天的運動量,上傳到服務器。
(3)健康信息提醒
可將提醒信息推送到手機。
(4)健康交互中心
使用創(chuàng)維電視作為健康設備的控制與信息采集中心。
3.5 自發(fā)的智能服務
(1)基礎
服務基礎是以狀態(tài)參量為基礎的聯(lián)動和服務計算。
(2)服務發(fā)布網關
a.可將家庭服務發(fā)布到Internet,以供手機、PC等訪問;
b.可提供語音、圖像等高級服務;
c.可為服務計算服務器組提供狀態(tài)數據。
(3)服務計算服務器組
a.收集信息到數據庫,并不斷提取服務信息進行計算,修正服務中的異常行為。用于安防、節(jié)電、關戶等。例如,來客登記數和ID卡數量不符,有人時家里光照過暗,無人時卻有家電工作,環(huán)境參量、人體參數、住戶運動量異常等;
b.視頻幀處理服務器可檢查生物入侵,監(jiān)控貴重物品位置等;
c.提醒推送服務器可自定義規(guī)則庫,可定時提醒或規(guī)則觸發(fā)提醒。
3.6 RFID感知服務
(1)信息感知系統(tǒng)
給家中的每個設備貼上標簽,系統(tǒng)能夠感知到家庭設備的上下文信息。
(2)定位系統(tǒng)
三個固定的RFID節(jié)點利用三角形法和指紋位置方法得出未知RFID信源坐標。
4 結 語
物聯(lián)網和智能家居技術是當前研究的熱點,本文結合二者為物聯(lián)網相關專業(yè)開發(fā)實踐教學系統(tǒng)。本教學系統(tǒng)實現(xiàn)了短信、軟件、手動三種方式控制家電。系統(tǒng)具有自動搜索下位機設備、自動組網的特點。系統(tǒng)啟動播報歡迎語音,軟件界面形象生動,并且可進行多種全面的實驗,滿足物聯(lián)網專業(yè)的教學和科研需求,通過本系統(tǒng)教學,學生可以掌握設備綜合布線技術(網絡知識),家電控制技術(嵌入式),環(huán)境信息采集技術(傳感器網絡),網關綜合技術,遠程控制技術(網站),異構組網技術(WiFi,BT,ZigBee,RF,PLC,串口),安防監(jiān)控系統(tǒng)(圖像,視頻),RFID應用,人機交互技術等(平板,手機,M2M)。
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