基于物聯網技術的智能家居實訓教學平臺的設計

葉建德

（泉州職業技術大學 福建省泉州市 362269）

近年來，伴隨物聯網與各個領域的融合發展，當前一些新的智能化產品和服務層出不窮，也在很大程度上推進了物聯網技術的發展，因此高校的物聯網專業教學也應順應行業的需求，重視軟硬件技術的有機融合教學，以物聯網技術為基礎的智能家居實訓平臺在構建理念上要符合國家工業的規范需求，通過強化實踐實訓教學環節，更好的培養學生的就業創業能力[1]。盡管當前教學中有了物聯網實驗箱等裝置，然而基于其成本過高、系統控制方式單一，它還不具備完善的實訓效果，鑒于此本文以智能家居為主線，采用紫蜂、Wi-Fi等先進的無線通信技術，建立形成多動能一體化的綜合實訓平臺，以期為學生創造良好的實踐實訓條件，激發學生的學習熱情，提高實踐教學的效果。

1 當前社會對物聯網技術人才的用工需求

首先，我們要知道物聯網的定義，所謂物聯網就是通過各種信息傳感設備實現人與人、人與物、物與物之間的有效互聯，它的主要特征是借助傳感器以及射頻識別等方式來接收信息數據，并通過移動網絡進行信息的傳輸交互，借助智能技術對信息數據予以處理分析，提高對物質的感知功能，從而實現智能化的決策及控制[2]。當前，很多領域都應用到物聯網技術，其中包括醫療、交通、家居、工業、農業、服務業等?？梢哉f，未來物聯網技術與產業的進一步融合，將會引發新一輪智能化革命，驅動著信息產業的不斷升級。

物聯網作為新時期的新事物，無論在設備制造、產品研發還是系統集成等各方面都急缺大量的技術應用人才。隨著物聯網行業市場規模的不斷擴大，物聯網技術的應用會越來越普及化，而與物聯網相關的產業則會需求大量的人才。目前，經國家教育部批準開辦互聯網專業的高校有上百所，而專業教學的發展必須要以硬件的專業建設為基礎，實訓教學平臺的構建就是一個必然。

基于物聯網技術的智能家居實訓教學平臺將“任務驅動”與“工學結合”兩種教學方法有機結合，具備相應的國家教育及國家工業制造標準，把物聯網專業教學實訓、崗位技能以及工程經驗融合起來，具備教學所學的工程展示、設備認識、理論實踐、技能實訓等多項功能[3]。高校通過構建智能家居實訓平臺，緊跟新時期物聯網的技術前沿，從而最大化滿足高校物聯網專業“理實結合”的教學需求，尤其符合計算機網絡技術、物聯網工程、云計算等相關專業學生的實際需求。

2 物聯網智能家居實訓教學的重要性

通過物聯網智能家居實訓平臺，可針對高校物聯網專業《物聯網工程》、《計算機網絡技術》、《智能化工程設計》、《智能家居設備安裝與調試》、《物理網工程》、《綜合布線技術》等相關課程實施教學實訓活動，讓學生全面學習、理解并掌握物聯網智能家居工程的各項專業知識和技能，提高學生在專業方面的項目設計能力及施工技術[4]。在日常教學中實施物聯網智能家居實訓，幫助學生增加工程實踐經驗、強化項目設計思維、提高調式安裝能力，使其未來就業能夠順利從事與物聯網技術相關的各項工作，比如針對智能家居設計系統工程、繪制項目圖紙、進行安裝調試、維護應用系統等等，實現與崗位就業的有效對接。

在當前信息社會，物聯網作為信息產業的新勢力受到廣泛重視，預計未來物聯網還會不斷改變并優化我們的生活，讓“智能”無處不在。如今伴隨我國城鎮建設的飛速發展，社會和企業都迫切需求一批高精專的物聯網技術人才。而高校開展物聯網智能家居實訓教學，正是為順應社會發展的需求，為我國快速發展的物聯網行業輸送更多優秀的急需之才，致力于幫助高校提升教學效率、為學生提高就業能力。目前，物聯網、云計算、大數據等信息技術都需要高速互聯網為依托，在此需求下，建設物聯網工程、提高運營維護能力必定是未來信息熱門技術的重點。故此，高校構建物聯網智能家居實訓平臺、貫徹實訓教學將極為必要。

3 物聯網智能家居系統的關鍵技術

3.1 射頻識別技術

射頻識別技術是一種非接觸性智能化身份識別技術，通過系統中的射頻信號對定位目標進行自動化識別，從而獲取到需要的信息數據[5]。

3.2 無線傳感器網絡技術

無線傳感器網絡技術屬于一個微型通訊網絡信息系統，它的特點就是靈活性很強，通過組網并傳輸到系統，無線傳感器網絡將信息采集、傳送以及處理三功能融為一體，以此保障智能家居系統在信息管理應用層面的需求。

3.3 短距無線通信技術

短距無線通信技術由Wi-Fi、藍牙、近場通信以及紫峰技術組合而成，該項技術的應用特點就是安全性能穩定、信息傳輸速度飛快。

3.4 物聯網網絡安全技術

我們不僅要保障物聯網智能家居的網絡安全，還需針對感知點本地、無線傳感器網絡的傳輸安全、網絡核心層信息傳輸安全等問題進行處理，規避用戶在使用的過程中出現信息泄露的風險。

4 物聯網智能家居實訓平臺的構建需求

4.1 智能家居系統功能目標研究

智能家居系統不但要實現信息化和智能化的功能目標，還需突破傳統化的人工管理操作模式。因此，應用信息化管理手段替換原來的手工操作環節是首要之需；同時通過檢測實訓平臺的運行環境，借助傳感器用以監督實訓平臺的實際運作情況，并以物聯網應用技術為基礎，對實訓平臺中的門禁、窗簾、監控、空調等進行自動控制，從而有效減少家居用電的損耗。

4.2 智能家居系統功能需求

智能家居系統要同時具備設備信息管理、用戶信息管理、實時數據監測以及遠程遙控控制等功能，還需要有一定的節能效率[6]。因此在對各級用戶進行管理時要加以分區，從而保證授課教師及平臺管理員能夠及時更改有關信息。此外，設備信息管理應具備信息修改、刪除、增加等功能；并能及時采集實訓平臺數據，做好各項信息數據的實時監控工作。

4.3 智能家居系統性能需求

要保證智能家居實訓教學平臺的適用性，我們需要建立全面完善的系統。故此在針對系統設計時，必須要將教學調研工作落實明確，形成平臺應用需求的分析文件。同時，在開發系統的過程中，要對系統自身的延展性進行合理考慮，對所有應用模塊都要采取測試和驗證；其次，要保證系統的可靠性，鑒于系統要對實訓平臺的溫濕度、光照度進行檢測，保證其安全可靠性才能更好的規避實訓操作中事故的產生；最后還有保證系統的開發性、兼容性，借助軟件技術讓實訓平臺始終以主流操作系統運行，并使其具備開發性便于后期系統進行維護升級[7]。

5 智能家居系統結構設計

智能家居實訓平臺由設備域、云服務以及應用域組成，通過設備域控制整個實訓平臺的系統，而系統的組成包括現場的控制硬件及網關。因為涉及到費用能耗、通信距離以及應用方位，所以要應用紫峰技術來建立現場網絡。

6 智能家居系統硬件設計

系統硬件的核心板使用CC2530，配置紫蜂無線模塊建立網絡，網絡呈現出星狀，通過一個協調器和多個不同終端節點形成。系統協調器主要功能是采取信息數據、控制繼電器設備，將獲取到的信息數據通過網關進行通訊。將8051單機片作為CC2530的內核，同時設定3.3V的板載電壓，借助紫峰無線模塊將終端節點和協調器進行網絡聯通，協調器及網關通過串口進行通訊。

在紫蜂網絡中把終端節點作為基礎節點，使其與傳感器相互通信，在程序設置不同的前提下所能實現的功能就可不同。在終端節點模式下，通電之后的紫峰模塊結合panid網絡參數入網，隨即它會保持休眠的狀態，等待時序中斷再采集數據并往協調器發送數據，或通過協調器的數據喚醒中斷，根據獲取到的數據對GP IO接口進行控制[8]。

紫峰網絡的核心是協調器，它的主要功能是向網關傳遞終端節點數據并予以接收數據，再結合數據類型發送到網絡中的終端節點上。紫蜂協調器只會把串口當做輸入輸出的接口，而要讓云端服務器真正實現對接功能，則要利用網關轉換協議，同時對串口進行控制，才能發出訪問命令。因此，實訓平臺現場控制要以網關為主要核心。

7 智能家居系統軟件設計

7.1 網關設計

樹莓派微型電腦硬件是網關運行的重要載體，它主要負責將MQTT協議和云端進行連接通訊。網關軟件模塊主要功能有很多，包括串口數據訪問、設定報警規則、管理設施設備、數據實時監控及同步等?？傊?，網關不但可以應用協調器來接收傳感器的信息數據，還可接收云端指令并往協調器進行傳輸發送，從而實現對系統中斷的有效控制。

7.2 云端軟件設計

利用Java Web技術構建云端應用模塊，通過云計算平臺的運作負責向用戶提供遠程監控、數據存儲以及可視化功能，同時還可將適用的API接口提供給手機用戶。其主要模塊及功能體現在六個部分：

（1）制定報警規則；

（2）讓信息數據同步；

（3）進行遠程監控，通過界面的按鈕開關、利用MQTT協議下方主題把信息傳送出去，借助網關訂閱該主題接收的消息，并指使協調器予以處理；

（4）進行數據存儲，對保留到信息數據庫中的歷史數據予以查詢并展示；

（5）將數據可視化，把所有運行的信息數據和狀態進行呈現，形成數據分析報表或圖表；

（6）連接移動API接口，應用RESTful架構將API接口提供到安卓應用平臺進行訪問，其中也可利用HTTP協議對接口予以訪問[9]。

基于MQTT協議讓網關和云端實現了數據通訊，同時在云端服務器上設置MQTT服務器軟件，以此為網關和云端相互實時通訊提供條件。

7.3 手機端軟件設計

利用安卓技術對手機端軟件進行設計，借助云端的RESTful API接口通過手機對設備予以遠程監視。其主要作用有四個：

（1）及時報警信息，設備所有的報警信息傳送顯示到手機上，并可對信息進行有效處理；

（2）對設備進行控制，將開啟、停止電器的請求指令發送給云端；

（3）形成安全模式，對設施設備防火防盜等模塊開關進行控制；

（4）進行歷史操作，將各個不同時間段的報警信息顯示出來并對其加以處理。

8 結束語

總而言之，當前信息時代背景下，人們所生活的環境已離不開對物聯網技術的廣泛應用，未來互聯網技術會更為普及、發揮更多的應用優勢。因此，為培養高精專的物聯網技術人才，高校應積極構智能家居實訓教學平臺，幫助學生更好的學習物聯網知識和技術。本文圍繞智能家居實訓教學平臺，提出了應用Wi-Fi、紫蜂等無線通信技術來設計不同類型的系統硬件、軟件，建立形成多功能一體化的實訓平臺?；谄脚_的良好開發性，高?？山Y合教學目標、教學內容合理增減相關的設備及軟件應用模塊。此外，智能家居實訓教學平臺還可在互聯網技術專業課程的實踐教學中發揮輔助功能，不但有利于培養學生的實踐應用能力，還讓他們了解到一定的物聯網知識并應用于項目當中，促進學生積極開展實踐創新。