物联网智能家居应用实训系统设计

李忠 重庆电子工程职业学院

一、设计依据

本系统以物联网技术为背景，采集门磁开关、人体红外传感器等感知设备数据，通过ZigBee网络，向云平台发送数据，并根据数据情况进行第三方（声光报警器、摄像头等）设备联动。本实训项目将从系统集成、应用程序开发、现场实施等三个方面，考查学生在物联网设备的综合应用能力。其中，综合考虑了以下几个设计依据：

1）基于企业真实工作任务

基于企业真实的工程案例，课堂实训内容来源于岗位工作任务。模拟工作环境，让学生体验物联网系统装调工程师在智能家居领域的工作内容，掌握从终端配置到网络搭建、平台开发到系统集成的全工作流程，使之适应并胜任相关工作。

2）基于物联网的三层结构

本项目涉及物联网三层结构的相关知识。通过系统的集成训练，既支持了传感器、门磁等感知层技术的教学，也支持了ZigBee等网络层技术的教学，还支持了平台应用系统开发等平台层技术的教学，完善了学生的知识体系。

3）基于多途径实现和可扩展创新

物联网技术迭代迅速，不同领域的创新应用不断涌现，这样的现状要求物联网专业学生需具备较强的技术迁移能力和应用创新能力。本项目为学生提供若干实施路径，学生可在完成实训的基础上，选用同类技术进行项目实现，以提升技术仿学能力；同时可接入更多的设备，进行系统功能的扩展，以提升应用创新能力。实现“学习+迁移+创新”的综合能力培养。

二、设计内容

基于物联网技术应用实验/开发平台，结合物联网智能家居领域真实需求，完成基于物联网技术的智能电网应用系统、智能安防应用系统设计与实施。

实训要求：本项目以物联网智能家居领域技术为背景，感知层能够获取门磁节点、红外移动探测器等终端设备的数据，要求能够进行设备的选择、连接、配置和驱动开发；传输层基于微控制器和各类传输设备，实现网络的搭建和数据的实时传输；应用层根据系统功能需求，开发各种子系统软件。

本系统能够实现以下目标。

（1）判断外界光照情况和用户情况，进行灯光亮度的调整、窗帘升降的控制。通过光照传感器进行数据的获取，并通过ZigBee网络传递至应用平台，并根据预设的数据进行灯光和窗帘的控制。

（2）感知节点单元所使用的电能进行计量，并进行用电量管理和控制。通过电能表计算用电量，使用CAN总线传递至应用平台，并计算用电情况，进行用电量管理。

（3）判断是否有人入侵，并进行声光报警。通过红外移动探测器判断是否有外人入侵，并通过ZigBee网络把信号发送至应用平台，同步触发声光报警器报警。

（4）判断是否有人从门进入，并拍照记录闯入者图像。通过门磁感应外人闯入，并通过ZigBee网络把信号发送至应用平台，同步激活摄像头拍摄图片。

三、系统结构

物联网智能家居应用实训系统选取了两个场景：智能电网应用系统和智能安防应用系统。智能电网应用系统分为：智慧照明系统和智能抄表系统两个部分；智能安防应用系统分为：人体红外监控系统、门磁监控报警系统两个部分。整体结构如图1、图2所示。

图1 物联网智能家居应用实训系统示意图

图2 物联网智能家居应用实训系统结构图

系统由四个部分构成：感知节点单元由传感器构成，包括家居安防检测终端、家居环境检测终端、电力表远程抄表终端、智能感知控制终端，每个终端既能独立运行，又可将传感器信息传送到嵌入式网关集中处理，实现物联网系统综合联动；嵌入式网关单元包含了低功耗Wi-Fi无线局域网系统，GPRS/GSM移动通信网络系统，ZigBee无线传感网络系统。其中网关模块采用32位ARM微控制器作为核心处理器设计，预留了丰富的外围接口，包括高速以太网接口、SD卡接口、串口、485总线接口、CAN总线接口、USB主从接口等；智能对象单元包括安防执行终端、智能电器终端以及可视对讲终端。智能电器支持本地控制、红外遥控控制、联动控制以及远程控制等多种模式；络服务器单元由工业级平板电脑、交换机以及无线路由器组成。平板电脑上运行有监控软件，可以直观方便地对整套系统进行综合管理。

四、功能设计

（1）智慧照明系统

智慧照明系统包括灯光控制模块、LED节能灯、有级调光灯、无级调光灯、窗帘控制器、窗帘模块、限位开关以及手动按钮。其中灯光控制模块主芯片为ATmega16（Atmega16A），对外扩展了CAN总线接口、灯接口、RS232接口以及控制按键。图3所示为环境监测系统的网络结构图。

图3 环境监测系统网络结构图

硬件：窗帘控制器、情景灯节点、窗帘模块、USB线、ISP下载器、USB线、ISP下载器、白炽灯两只、LED节能灯（白色）、THUNHM-3B型物联网技术应用实验平台

软件：物联网监控软件

（2）智能抄表系统

智能抄表系统由数字燃气表、数字电能表、嵌入式网关设备构成。图4是智能抄表系统网络结构图。

图4 智能抄表系统网络结构图

硬件：燃气表、电能表、THUNHM-3B型物联网技术应用实验平台

软件：物联网监控软件

（3）红外入侵监控系统

红外入侵监控系统由人体红外传感器、声光电报警器、嵌入式网关设备组成。图5是为红外入侵监控系统网络结构图。

图5 红外入侵监控系统网络结构图

硬件：红外移动探测器、声光电报警器、THUNHM-3B型物联网技术应用实验平台

软件：物联网监控软件

（4）门磁监控报警系统

门磁监控报警系统由门磁开关、摄像头以及嵌入式网关控制器组成。图6所示为门磁监控报警系统网络结构图。

图6 门磁监控报警系统网络结构图

硬件：门磁开关、网络摄像头、THUNHM-3B型物联网技术应用实验平台

软件：物联网监控软件

五、设计总结

通过设置与企业工作岗位相似的模拟场景，教学内容更接近企业工作岗位，改变了以往教学内容与工作岗位脱节的弊端，采用分组互助的方式，学生教学生，降低了学生完成任务的难度，增强学生的学习积极性和主动性。有效地提高了班级学生实训中的参与率和完成率，极大地提高了班级整体教学质量。