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物联网智能家居实训系统的设计与实现

作者:江进 王浩存 来源:电子技术与软件工程 论文栏目:计算机论文     更新时间:2019-10-09   浏览

本学术论文《物联网智能家居实训系统的设计与实现》,转载自学术期刊《电子技术与软件工程》2014年20期 发表过的职称 论文,原文作者:江进王浩存,由中国学术论文网编辑整理录入,仅供您在物联网,智能家居,设计与实现法等方面参考学习。

江进王浩存

摘 要 随着计算机技术、网络技术和信息技术的不断发展,智能家居已成为人们关注的话题。文章提出了一套基于物联网的智能家居实训系统的设计方案,阐述了系统的组成、功能以及特色。实训系统支持智能家居设计、安装、调试以及应用编程等多种方式来锻炼师生的技术水平,是一套既能展示物联网智能家居应用,又能掌握相应技能和知识的实训系统。

【关键词】物联网 智能家居 设计与实现法

智能家居就是以住宅为平台,兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化,集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。智能家居系统可以为您提供家电控制、照明控制、窗帘控制、电话远程控制、室内外遥控、防盗报警、以及可编程定时控制等多种功能和手段,使您的生活更加舒适、便利和安全。笔者所在的课题组利用当前智能家居技术的新理念与技术,开发技术先进、性能卓越、实用性强的物联网智能家居实现系统,并指导学生掌握其管理与维护技术。

1 物联网智能家居实训系统组成和内涵

物联网智能家居实训系统由智能照明、智能安防、人脸识别门禁、智能音响、智能冰箱、能耗监测、环境监测、智能窗帘等子系统,及物联网应用上位机管理软件组成,各子系统通过连接电缆进线连接,采用 ZigBee、wifi、3G 多种网络技术传输传感及控制信息。系统支持智能家居设计、安装、调试以及应用编程等多种方式来锻炼师生的技术水平,是一套既能展示物联网智能家居应用,又能掌握相应技能和知识的实训系统。

本开发平台实现对物联网三层(感知层,网络层,应用层)的全方位技术运用,比较全面的兼顾了物联网所涉及的各类技术,包括无线传感器硬件、嵌入式软件系统、Wifi、Internet 端应用软件开发教学,设计提供了智能家居多个子系统的应用实训,该系统所涉及到的技术主要包括:电子电路、2.4GHz 高频通讯、ZigBee 无线网络、无线传感器、无线 SoC、嵌入式 ARM、UHF RFID 射频识别、3G、Ethernet、服务端软件开发。

开发平台提供了功能强大的以 ARM 处理器为内核的网关硬件和自主研发的网关核心软件,不仅能完成多种无线网络管理,传感器和射频识别信息处理,而且可以通过不同无线和有线网络路径,将数据传输到上位机管理平台,并存入数据库,支持远程访问,并运用虚拟技术仿真智能家居场景及设备解决场地及设备制约因素。

2 系统功能

针对职院学生,主要锻炼的是学生的动手能力和实际操作的技能。学生可以根据自己的设计想法改变模拟房间内环境,也可以通过一体式计算机通过因特网访问房间内自动化服务器,对智能设备、视频监控等远程控制、访问。该装置能进行智能家居系统设计、线路的设计与连接、调试、故障排除、系统配置等实验和实训。

在打分环节考虑到人为因素对比赛结果的影响,在系统中,特别设计了自动评分功能,对各个系统网络连通性、电源接线、软件配置进行自动化检测,为实训成绩提供客观的依据。

2.1 智能照明

包括智能照明管理软件模块、灯控模块/调光模块、通信模块、灯具,通过和网关通信,支持本地控制和管理软件远程控制,本地可以设置感应开/关闭,并和光敏检测模块联动,实现自动化。

2.2 智能安防

包括智能安防管理软件模块、窗磁、烟雾感应器、主动红外入侵探测器、摄像机、双鉴探测器对非法入侵、火情、烟尘等监测,针对突发事件做出紧急处理,与 GSM/GPRS 短息猫联动,当发现有异常时摄像机自动截取画面并发送消息至指定手机或报警。

2.3 人脸识别门禁

人脸识别门禁系统由主人脸识别门禁机、门禁控制器和电锁组成(联网时外加电脑和网络通讯设备),使用方式属非接触方式,出入人只要在人脸识别门禁机附近(30-80 厘米)晃动一次,人脸识别门禁机就能将识别结果发送到门禁控制器上,然后由门禁控制器进行检查核对合法性,决定是否进行开门动作。整个过程只要在有效的使用范围内均可实现门禁管理功能。人脸识别门禁机安装门边墙内外,而不影响其工作。

人脸作为每个人身体的一部分、不能复制、安全可靠。并通过网络与电脑进行实时监控(可由电脑发指令开/关所有门,并可实时查看所有门的状态)、数据处理、查询、报表输出等。

2.4 智能音响

包括智能音响管理软件模块、情景音乐系统主机、高保真音箱,通过软件平台来控制音乐的播放。

2.5 智能冰箱

包括智能冰箱管理软件模块、RFID 读写器、食物冷藏柜。通过 RFID 技术实现食物管理功能,通过 PC管理平台访问,配合食品图示,能看到冰箱内的食物信息,食品提醒设置,一旦冰箱内食物短缺或过期,就会发送短息到指定手机。

2.6 能耗监测

包括能耗管理软件模块、智能插座、能耗统计模块。通过智能插座实现所有电器通过数据采集终端,无线网络,实现无线抄表、管理功能。可以定制统计分析功能,并通过监控系统控制台、智能手机实现可视化查看和管理,体现绿色节能理念。

2.7 环境监测

本系统包括环境监测管理软件模块、温湿度、光敏无线通信模块。实现温度、湿度、光敏等监测,针对环境参数设备智能开启相关设备自动调节环境温湿度或与其他系统进行联动,对突发事件做出紧急处理。

2.8 智能窗帘

本系统包括智能窗帘管理软件模块、窗帘控制器、电动窗帘,通过和网关通信,支持本地和管理软件远程控制, 本地可以设置感应开/关闭,并和光敏检测模块联动,实现自动化。

2.9 上位机管理软件

系统包括照明、窗帘、能耗、电器、安防、环境监测、实训评估模块,本实训管理平台是以上各个系统的一个综合性、集中管理平台。内容包括:系统的实时状态查看、远程控制、数据存储、统计分析、参数设置、预警。如图1所示。

3 系统特色

真实的家居环境需要投入大量的人力物力,从实训的角度来说,需要耗费大量的时间和经历建造样板房,投入巨大。因此,设计采用模拟家居环境的智能家居系统,将涉及到的应用及控制模块和设备安装部署在可收缩的网孔板机柜上,减少对空间的占用,并可应用于以后的实训教学中。

智能家居实训系统安装在一个网孔板机柜上,可以收拢展开,展开后尺寸为 2.4m*0.8m*1.9m(长*宽*高),收拢后尺寸为 0.8m*0.8m*1.9m(长*宽*高),实训设备可以自由安装,具有很大的灵活性。

各系统的控制模块均安装在 86 盒内,可灵活部署在网孔板的任意位置,方便师生根据自己的设计完成施工。

4 总结

本文介绍了一个物联网智能家居实训系统的设计与实现,系统中模拟了智能家居中的部分场景,并在实验室环境中做了大量的模拟测试,程序运行良好。总之,进行基于 ZigBee 技术的物联网智能家居系统的设计分析,有利于提升基于物联网智能家居系统设计水平,促进在实际中的推广应用,具有积极作用和价值意义。

参考文献

[1]沈彤,朱昊,胡静,宋铁成.物联网智能家居系统演示平台的设计与实现[J].南京师范大学学报(工程技术版),2013(01).

[2]向忠宏.智能家居[M].北京:人民邮电出版社.2002.

[3]陈龙涛,罗桂娥,周卫等.基于ZigBee 技术智能家居系统的研究与设计[J].微型机与应用,2010.29(20):100-102.

作者简介

江进(1981-),男,江苏省句容市人。硕士学位。现为江苏农林职业技术学院信息工程系教师。研究方向为计算机技术。

作者单位

江苏农林职业技术学院 江苏省句容市 212400

摘 要 随着计算机技术、网络技术和信息技术的不断发展,智能家居已成为人们关注的话题。文章提出了一套基于物联网的智能家居实训系统的设计方案,阐述了系统的组成、功能以及特色。实训系统支持智能家居设计、安装、调试以及应用编程等多种方式来锻炼师生的技术水平,是一套既能展示物联网智能家居应用,又能掌握相应技能和知识的实训系统。

【关键词】物联网 智能家居 设计与实现法

智能家居就是以住宅为平台,兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化,集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。智能家居系统可以为您提供家电控制、照明控制、窗帘控制、电话远程控制、室内外遥控、防盗报警、以及可编程定时控制等多种功能和手段,使您的生活更加舒适、便利和安全。笔者所在的课题组利用当前智能家居技术的新理念与技术,开发技术先进、性能卓越、实用性强的物联网智能家居实现系统,并指导学生掌握其管理与维护技术。

1 物联网智能家居实训系统组成和内涵

物联网智能家居实训系统由智能照明、智能安防、人脸识别门禁、智能音响、智能冰箱、能耗监测、环境监测、智能窗帘等子系统,及物联网应用上位机管理软件组成,各子系统通过连接电缆进线连接,采用 ZigBee、wifi、3G 多种网络技术传输传感及控制信息。系统支持智能家居设计、安装、调试以及应用编程等多种方式来锻炼师生的技术水平,是一套既能展示物联网智能家居应用,又能掌握相应技能和知识的实训系统。

本开发平台实现对物联网三层(感知层,网络层,应用层)的全方位技术运用,比较全面的兼顾了物联网所涉及的各类技术,包括无线传感器硬件、嵌入式软件系统、Wifi、Internet 端应用软件开发教学,设计提供了智能家居多个子系统的应用实训,该系统所涉及到的技术主要包括:电子电路、2.4GHz 高频通讯、ZigBee 无线网络、无线传感器、无线 SoC、嵌入式 ARM、UHF RFID 射频识别、3G、Ethernet、服务端软件开发。

开发平台提供了功能强大的以 ARM 处理器为内核的网关硬件和自主研发的网关核心软件,不仅能完成多种无线网络管理,传感器和射频识别信息处理,而且可以通过不同无线和有线网络路径,将数据传输到上位机管理平台,并存入数据库,支持远程访问,并运用虚拟技术仿真智能家居场景及设备解决场地及设备制约因素。

2 系统功能

针对职院学生,主要锻炼的是学生的动手能力和实际操作的技能。学生可以根据自己的设计想法改变模拟房间内环境,也可以通过一体式计算机通过因特网访问房间内自动化服务器,对智能设备、视频监控等远程控制、访问。该装置能进行智能家居系统设计、线路的设计与连接、调试、故障排除、系统配置等实验和实训。

在打分环节考虑到人为因素对比赛结果的影响,在系统中,特别设计了自动评分功能,对各个系统网络连通性、电源接线、软件配置进行自动化检测,为实训成绩提供客观的依据。

2.1 智能照明

包括智能照明管理软件模块、灯控模块/调光模块、通信模块、灯具,通过和网关通信,支持本地控制和管理软件远程控制,本地可以设置感应开/关闭,并和光敏检测模块联动,实现自动化。

2.2 智能安防

包括智能安防管理软件模块、窗磁、烟雾感应器、主动红外入侵探测器、摄像机、双鉴探测器对非法入侵、火情、烟尘等监测,针对突发事件做出紧急处理,与 GSM/GPRS 短息猫联动,当发现有异常时摄像机自动截取画面并发送消息至指定手机或报警。

2.3 人脸识别门禁

人脸识别门禁系统由主人脸识别门禁机、门禁控制器和电锁组成(联网时外加电脑和网络通讯设备),使用方式属非接触方式,出入人只要在人脸识别门禁机附近(30-80 厘米)晃动一次,人脸识别门禁机就能将识别结果发送到门禁控制器上,然后由门禁控制器进行检查核对合法性,决定是否进行开门动作。整个过程只要在有效的使用范围内均可实现门禁管理功能。人脸识别门禁机安装门边墙内外,而不影响其工作。

人脸作为每个人身体的一部分、不能复制、安全可靠。并通过网络与电脑进行实时监控(可由电脑发指令开/关所有门,并可实时查看所有门的状态)、数据处理、查询、报表输出等。

2.4 智能音响

包括智能音响管理软件模块、情景音乐系统主机、高保真音箱,通过软件平台来控制音乐的播放。

2.5 智能冰箱

包括智能冰箱管理软件模块、RFID 读写器、食物冷藏柜。通过 RFID 技术实现食物管理功能,通过 PC管理平台访问,配合食品图示,能看到冰箱内的食物信息,食品提醒设置,一旦冰箱内食物短缺或过期,就会发送短息到指定手机。

2.6 能耗监测

包括能耗管理软件模块、智能插座、能耗统计模块。通过智能插座实现所有电器通过数据采集终端,无线网络,实现无线抄表、管理功能。可以定制统计分析功能,并通过监控系统控制台、智能手机实现可视化查看和管理,体现绿色节能理念。

2.7 环境监测

本系统包括环境监测管理软件模块、温湿度、光敏无线通信模块。实现温度、湿度、光敏等监测,针对环境参数设备智能开启相关设备自动调节环境温湿度或与其他系统进行联动,对突发事件做出紧急处理。

2.8 智能窗帘

本系统包括智能窗帘管理软件模块、窗帘控制器、电动窗帘,通过和网关通信,支持本地和管理软件远程控制, 本地可以设置感应开/关闭,并和光敏检测模块联动,实现自动化。

2.9 上位机管理软件

系统包括照明、窗帘、能耗、电器、安防、环境监测、实训评估模块,本实训管理平台是以上各个系统的一个综合性、集中管理平台。内容包括:系统的实时状态查看、远程控制、数据存储、统计分析、参数设置、预警。如图1所示。

3 系统特色

真实的家居环境需要投入大量的人力物力,从实训的角度来说,需要耗费大量的时间和经历建造样板房,投入巨大。因此,设计采用模拟家居环境的智能家居系统,将涉及到的应用及控制模块和设备安装部署在可收缩的网孔板机柜上,减少对空间的占用,并可应用于以后的实训教学中。

智能家居实训系统安装在一个网孔板机柜上,可以收拢展开,展开后尺寸为 2.4m*0.8m*1.9m(长*宽*高),收拢后尺寸为 0.8m*0.8m*1.9m(长*宽*高),实训设备可以自由安装,具有很大的灵活性。

各系统的控制模块均安装在 86 盒内,可灵活部署在网孔板的任意位置,方便师生根据自己的设计完成施工。

4 总结

本文介绍了一个物联网智能家居实训系统的设计与实现,系统中模拟了智能家居中的部分场景,并在实验室环境中做了大量的模拟测试,程序运行良好。总之,进行基于 ZigBee 技术的物联网智能家居系统的设计分析,有利于提升基于物联网智能家居系统设计水平,促进在实际中的推广应用,具有积极作用和价值意义。

参考文献

[1]沈彤,朱昊,胡静,宋铁成.物联网智能家居系统演示平台的设计与实现[J].南京师范大学学报(工程技术版),2013(01).

[2]向忠宏.智能家居[M].北京:人民邮电出版社.2002.

[3]陈龙涛,罗桂娥,周卫等.基于ZigBee 技术智能家居系统的研究与设计[J].微型机与应用,2010.29(20):100-102.

作者简介

江进(1981-),男,江苏省句容市人。硕士学位。现为江苏农林职业技术学院信息工程系教师。研究方向为计算机技术。

作者单位

江苏农林职业技术学院 江苏省句容市 212400

摘 要 随着计算机技术、网络技术和信息技术的不断发展,智能家居已成为人们关注的话题。文章提出了一套基于物联网的智能家居实训系统的设计方案,阐述了系统的组成、功能以及特色。实训系统支持智能家居设计、安装、调试以及应用编程等多种方式来锻炼师生的技术水平,是一套既能展示物联网智能家居应用,又能掌握相应技能和知识的实训系统。

【关键词】物联网 智能家居 设计与实现法

智能家居就是以住宅为平台,兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化,集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。智能家居系统可以为您提供家电控制、照明控制、窗帘控制、电话远程控制、室内外遥控、防盗报警、以及可编程定时控制等多种功能和手段,使您的生活更加舒适、便利和安全。笔者所在的课题组利用当前智能家居技术的新理念与技术,开发技术先进、性能卓越、实用性强的物联网智能家居实现系统,并指导学生掌握其管理与维护技术。

1 物联网智能家居实训系统组成和内涵

物联网智能家居实训系统由智能照明、智能安防、人脸识别门禁、智能音响、智能冰箱、能耗监测、环境监测、智能窗帘等子系统,及物联网应用上位机管理软件组成,各子系统通过连接电缆进线连接,采用 ZigBee、wifi、3G 多种网络技术传输传感及控制信息。系统支持智能家居设计、安装、调试以及应用编程等多种方式来锻炼师生的技术水平,是一套既能展示物联网智能家居应用,又能掌握相应技能和知识的实训系统。

本开发平台实现对物联网三层(感知层,网络层,应用层)的全方位技术运用,比较全面的兼顾了物联网所涉及的各类技术,包括无线传感器硬件、嵌入式软件系统、Wifi、Internet 端应用软件开发教学,设计提供了智能家居多个子系统的应用实训,该系统所涉及到的技术主要包括:电子电路、2.4GHz 高频通讯、ZigBee 无线网络、无线传感器、无线 SoC、嵌入式 ARM、UHF RFID 射频识别、3G、Ethernet、服务端软件开发。

开发平台提供了功能强大的以 ARM 处理器为内核的网关硬件和自主研发的网关核心软件,不仅能完成多种无线网络管理,传感器和射频识别信息处理,而且可以通过不同无线和有线网络路径,将数据传输到上位机管理平台,并存入数据库,支持远程访问,并运用虚拟技术仿真智能家居场景及设备解决场地及设备制约因素。

2 系统功能

针对职院学生,主要锻炼的是学生的动手能力和实际操作的技能。学生可以根据自己的设计想法改变模拟房间内环境,也可以通过一体式计算机通过因特网访问房间内自动化服务器,对智能设备、视频监控等远程控制、访问。该装置能进行智能家居系统设计、线路的设计与连接、调试、故障排除、系统配置等实验和实训。

在打分环节考虑到人为因素对比赛结果的影响,在系统中,特别设计了自动评分功能,对各个系统网络连通性、电源接线、软件配置进行自动化检测,为实训成绩提供客观的依据。

2.1 智能照明

包括智能照明管理软件模块、灯控模块/调光模块、通信模块、灯具,通过和网关通信,支持本地控制和管理软件远程控制,本地可以设置感应开/关闭,并和光敏检测模块联动,实现自动化。

2.2 智能安防

包括智能安防管理软件模块、窗磁、烟雾感应器、主动红外入侵探测器、摄像机、双鉴探测器对非法入侵、火情、烟尘等监测,针对突发事件做出紧急处理,与 GSM/GPRS 短息猫联动,当发现有异常时摄像机自动截取画面并发送消息至指定手机或报警。

2.3 人脸识别门禁

人脸识别门禁系统由主人脸识别门禁机、门禁控制器和电锁组成(联网时外加电脑和网络通讯设备),使用方式属非接触方式,出入人只要在人脸识别门禁机附近(30-80 厘米)晃动一次,人脸识别门禁机就能将识别结果发送到门禁控制器上,然后由门禁控制器进行检查核对合法性,决定是否进行开门动作。整个过程只要在有效的使用范围内均可实现门禁管理功能。人脸识别门禁机安装门边墙内外,而不影响其工作。

人脸作为每个人身体的一部分、不能复制、安全可靠。并通过网络与电脑进行实时监控(可由电脑发指令开/关所有门,并可实时查看所有门的状态)、数据处理、查询、报表输出等。

2.4 智能音响

包括智能音响管理软件模块、情景音乐系统主机、高保真音箱,通过软件平台来控制音乐的播放。

2.5 智能冰箱

包括智能冰箱管理软件模块、RFID 读写器、食物冷藏柜。通过 RFID 技术实现食物管理功能,通过 PC管理平台访问,配合食品图示,能看到冰箱内的食物信息,食品提醒设置,一旦冰箱内食物短缺或过期,就会发送短息到指定手机。

2.6 能耗监测

包括能耗管理软件模块、智能插座、能耗统计模块。通过智能插座实现所有电器通过数据采集终端,无线网络,实现无线抄表、管理功能。可以定制统计分析功能,并通过监控系统控制台、智能手机实现可视化查看和管理,体现绿色节能理念。

2.7 环境监测

本系统包括环境监测管理软件模块、温湿度、光敏无线通信模块。实现温度、湿度、光敏等监测,针对环境参数设备智能开启相关设备自动调节环境温湿度或与其他系统进行联动,对突发事件做出紧急处理。

2.8 智能窗帘

本系统包括智能窗帘管理软件模块、窗帘控制器、电动窗帘,通过和网关通信,支持本地和管理软件远程控制, 本地可以设置感应开/关闭,并和光敏检测模块联动,实现自动化。

2.9 上位机管理软件

系统包括照明、窗帘、能耗、电器、安防、环境监测、实训评估模块,本实训管理平台是以上各个系统的一个综合性、集中管理平台。内容包括:系统的实时状态查看、远程控制、数据存储、统计分析、参数设置、预警。如图1所示。

3 系统特色

真实的家居环境需要投入大量的人力物力,从实训的角度来说,需要耗费大量的时间和经历建造样板房,投入巨大。因此,设计采用模拟家居环境的智能家居系统,将涉及到的应用及控制模块和设备安装部署在可收缩的网孔板机柜上,减少对空间的占用,并可应用于以后的实训教学中。

智能家居实训系统安装在一个网孔板机柜上,可以收拢展开,展开后尺寸为 2.4m*0.8m*1.9m(长*宽*高),收拢后尺寸为 0.8m*0.8m*1.9m(长*宽*高),实训设备可以自由安装,具有很大的灵活性。

各系统的控制模块均安装在 86 盒内,可灵活部署在网孔板的任意位置,方便师生根据自己的设计完成施工。

4 总结

本文介绍了一个物联网智能家居实训系统的设计与实现,系统中模拟了智能家居中的部分场景,并在实验室环境中做了大量的模拟测试,程序运行良好。总之,进行基于 ZigBee 技术的物联网智能家居系统的设计分析,有利于提升基于物联网智能家居系统设计水平,促进在实际中的推广应用,具有积极作用和价值意义。

参考文献

[1]沈彤,朱昊,胡静,宋铁成.物联网智能家居系统演示平台的设计与实现[J].南京师范大学学报(工程技术版),2013(01).

[2]向忠宏.智能家居[M].北京:人民邮电出版社.2002.

[3]陈龙涛,罗桂娥,周卫等.基于ZigBee 技术智能家居系统的研究与设计[J].微型机与应用,2010.29(20):100-102.

作者简介

江进(1981-),男,江苏省句容市人。硕士学位。现为江苏农林职业技术学院信息工程系教师。研究方向为计算机技术。

作者单位

江苏农林职业技术学院 江苏省句容市 212400

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