梅良明

設(shè)計(jì)背景與目的

當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)連接控制可以分為有線和無線2大類。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能控制技術(shù)也在發(fā)生翻天覆地的變化。如WiFi與ZigBee等技術(shù)，由于具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等明顯優(yōu)勢，再配合以云網(wǎng)絡(luò)的快捷與大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸，因而在照明、家電、安防等領(lǐng)域掀起了一場無線智能控制的革命。

最基本實(shí)用的智能控制包括：家電控制、燈光控制、電動(dòng)窗簾控制、防盜報(bào)警、門禁對(duì)講、環(huán)境監(jiān)測等。其中個(gè)性化智能控制方式有：本地控制、遙控控制、手機(jī)遠(yuǎn)程控制、感應(yīng)控制、網(wǎng)絡(luò)控制、定時(shí)控制等。智能手機(jī)的普及，使得設(shè)備通過WiFi聯(lián)網(wǎng)控制或通過GPRS信號(hào)遠(yuǎn)程控制逐漸成為一個(gè)趨勢，讓手機(jī)成為一個(gè)簡單易用的萬能控制器。為了擴(kuò)大學(xué)生知識(shí)面，讓他們對(duì)新型智能控制技術(shù)在原理、方式、路徑上有更多的了解，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，我結(jié)合高中通用技術(shù)課中有關(guān)控制論、系統(tǒng)論的知識(shí)，設(shè)計(jì)了多方式手機(jī)遠(yuǎn)程控制電器示教板。

手機(jī)遠(yuǎn)程控制原理

WiFi智能控制

手機(jī)通過WiFi進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的原理見圖1。

在有互聯(lián)網(wǎng)接入的地方，手機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)可經(jīng)由GPRS基站、光纖到達(dá)服務(wù)器；再經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換，通過有線互聯(lián)網(wǎng)到達(dá)用戶路由器，發(fā)出WiFi信號(hào)經(jīng)由智能插座（或智能控制器）最終控制電器開關(guān)。這種方式可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并且系統(tǒng)能夠反饋控制狀態(tài)。

在沒有互聯(lián)網(wǎng)接入的地方，手機(jī)由APP端發(fā)出WiFi信號(hào)經(jīng)由智能插座直接控制電器。這種直連控制方式，可不經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)，但受WiFi信號(hào)作用范圍限制，所以只能進(jìn)行近距離控制。

WiFi智能控制安裝使用實(shí)例

使用WiFi智能插座，先配置本地聯(lián)網(wǎng)使用的無線路由器、SSID和訪問密碼。選擇輸入家中的SSID和密碼，配置成功即可。

加入WiFi網(wǎng)絡(luò)后，WiFi智能插座如同1臺(tái)聯(lián)網(wǎng)的電腦，能夠與相應(yīng)的后臺(tái)服務(wù)器交換信息。

手機(jī)APP端在戶外時(shí)，使用2G/3G互聯(lián)網(wǎng)連接到后臺(tái)，實(shí)現(xiàn)與WiFi智能插座的雙向交互，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制與狀態(tài)反饋。

在同一WiFi下，WiFi模塊與手機(jī)之間，如同一局域網(wǎng)的2臺(tái)電腦，不需要跨互聯(lián)網(wǎng)，也能夠?qū)崿F(xiàn)WiFi智能插座的控制與狀態(tài)反饋。

手機(jī)短信GSM控制方式

短信GSM控制原理見圖2。

手機(jī)信號(hào)發(fā)送GPRS信號(hào)到最近基站，高頻信號(hào)轉(zhuǎn)為低頻信號(hào)后，經(jīng)由有線電話網(wǎng)到接電手機(jī)附近基站，再轉(zhuǎn)成高頻信號(hào)，通過GSM遠(yuǎn)程控制插座開關(guān)控制電器。插座裝有手機(jī)SIM卡，相當(dāng)于一部手機(jī)，可以接受短信或電話指令，通過信號(hào)轉(zhuǎn)換進(jìn)而控制繼電器的閉合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開關(guān)電器，并能查詢控制狀態(tài)。

GSM控制安裝使用實(shí)例

插入手機(jī)卡到主機(jī)，接入電源（220V），初始化、進(jìn)入GSM網(wǎng)絡(luò)、設(shè)置密碼、主人號(hào)碼。控制方式：短信/電話/按鍵。如輸入“SN+6位密碼+3個(gè)插孔代碼”（N表示開啟；F表示關(guān)閉）

即可通過手機(jī)短信遠(yuǎn)程控制、設(shè)置。

GSM控制器用短信、電話直接驅(qū)動(dòng)多路繼電器，控制多路開關(guān)，具有遙控結(jié)果和短信反饋功能。處于短信查詢電器工作狀態(tài)時(shí)，工作狀態(tài)的改變可自動(dòng)通過短信發(fā)送到指定手機(jī)。GSM遠(yuǎn)程控制不受距離的限制，對(duì)于沒有固定電話、寬帶網(wǎng)絡(luò)的地方，尤為適用。例如控制家中空調(diào)、電飯鍋的開啟或停止；與電磁鐵相結(jié)合，可遠(yuǎn)程控制門窗的開閉；與電磁閥相結(jié)合，控制各類閥門；控制無人值守基站、設(shè)備等。

從原理上區(qū)分，這2種方式各有特點(diǎn)。WiFi是將電腦、手持設(shè)備（pad、手機(jī)）等終端，以高頻無線信號(hào)的方式互相連接的技術(shù)。WiFi傳輸?shù)乃俣瓤蛇_(dá)11～300Mbps，不需要消耗手機(jī)流量費(fèi)，但傳送范圍較小，只有幾米到幾十米且只能應(yīng)用在有互聯(lián)網(wǎng)接入的場合。短信GSM控制的控制范圍大，可達(dá)到幾百米至幾千米，手機(jī)基站覆蓋范圍廣，但傳輸速度比較慢，而且需要為控制支付短信費(fèi)用。

圖3所示為示教板工作原理放大圖，圖4為示教板實(shí)物照片。在圖3中左上邊紅色虛線部分構(gòu)成外接網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；黑色虛線部分構(gòu)成局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，右邊綠色實(shí)線部分構(gòu)成遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

示教板使用效果

示教板闡明了手機(jī)遠(yuǎn)程控制的2種方案，能幫助學(xué)生對(duì)它的科學(xué)原理、控制方式、流程結(jié)構(gòu)獲得深刻形象的認(rèn)識(shí)，讓學(xué)生理解現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)——智能遠(yuǎn)程控制在現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中廣泛的應(yīng)用前景，使理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用能夠密切結(jié)合，能極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

本示教板結(jié)合了高中《通用技術(shù)與設(shè)計(jì)1》的相關(guān)內(nèi)容，對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)工程、方案構(gòu)思、模型制作具有啟發(fā)作用。本示教板也是《通用技術(shù)與設(shè)計(jì)2》中的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)、流程與設(shè)計(jì)、系統(tǒng)與設(shè)計(jì)、控制與設(shè)計(jì)等內(nèi)容的一個(gè)很好的案例，能極大地改善學(xué)生在理論學(xué)習(xí)中的形象認(rèn)識(shí)。

本示教板設(shè)計(jì)思路新穎、原理科學(xué)、制作簡潔、操作方便，對(duì)于學(xué)生形象直觀地學(xué)習(xí)、掌握比較困難的知識(shí)點(diǎn)，具有極大的幫助作用，在教學(xué)應(yīng)用中受到師生的好評(píng)。

創(chuàng)新點(diǎn)

把手機(jī)遠(yuǎn)程智能控制的幾種方式集中在一個(gè)示教板上便于對(duì)比分析。

詳細(xì)闡明流程方框圖，使學(xué)生理解控制方式、控制過程，并注重每一個(gè)細(xì)節(jié)。

圖形與實(shí)物結(jié)合，在教學(xué)中生動(dòng)形象，便于觀看理解。

集中教學(xué)應(yīng)用，多人觀看，便于教師分析講解。

彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)室沒有此類教具的遺憾，教學(xué)效果顯著。

應(yīng)用范圍

高中物理實(shí)驗(yàn)室、通用技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的日常教學(xué)，以及一些科研教學(xué)、科普教育活動(dòng)的展示應(yīng)用。圖5是結(jié)合示教板搭建的部分實(shí)驗(yàn)實(shí)例。

該項(xiàng)目獲得第30屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科教制作類一等獎(jiǎng)。

專家評(píng)語

該方案原理科學(xué)，概念清晰，構(gòu)思巧妙，設(shè)計(jì)合理，教育性強(qiáng)，選題新穎，具有實(shí)質(zhì)性創(chuàng)新，對(duì)傳統(tǒng)方法有突破。作品效果顯著，制作規(guī)范，具有示范推廣作用。希望該項(xiàng)目進(jìn)一步增加其他方式的遠(yuǎn)程控制技術(shù)，并優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)。endprint