智能家居开放性实验教学方案设计与实现

卢 瑾，顾东袁，杨东勇，任宏亮，何 伟

(浙江工业大学 信息学院，杭州 310023)

智能家居开放性实验教学方案设计与实现

卢 瑾，顾东袁，杨东勇，任宏亮，何 伟

(浙江工业大学 信息学院，杭州 310023)

针对传统物联网实验教学过程中知识理解与综合运用的脱节问题，提出一种开放性的智能家居实验教学方案。通过各种远程终端，利用无线通信功能，结合传感器技术、网络技术和接入技术，对实验室中的传感器及家电实现智能控制。智能家居系统是物联网技术的一种典型应用，有助于学生深入学习物联网基本技术。教学方案在实践指导过程中取得有效成果。

智能家居; 物联网; 实验教学;设计

所谓物联网是指通过传感器、射频识别技术(radio frequency IDentification，RFID)、全球定位系统(global positioning system，GPS)等技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体的各种信息，通过网络接入方式，建立物与物、物与人的泛在链接，实现对资产和过程的智能感知、识别和管理[1-5]。物联网技术是信息网络产业方向重点支持开办的专业之一。作为新兴专业，课程配套的实验基础相对比较薄弱，而教学过程中与实际脱节的纯理论教学无法满足学生对物联网技术的深入认识与理解，相关的实验项目建设迫在眉睫。

另外，物联网技术设计内容广泛，是传感器技术、接入技术、网络技术等多种技术的集成[6]，传统的验证性实验在教学过程中能使学生认识物联网各种组件的应用，但欠缺对物联网技术的整体理解，同时，学生的动手能力、应用能力得不到充分发展[7-8]。

智能家居系统实验整合了传感器节点、网关设备、无线模块等硬件设施，涉及传感器网络、计算机控制系统、应用软件系统等软件设计[9]，能充分体现物联网在实际生活中的具体应用。

针对以上情况，本文设计一种开放性的智能家居实验教学方案，采用以学生开发为主，教师启发指导为辅的实验教学模式，使得学生能综合运用各知识点，拓展学生的理论和实践能力。

1 智能家居系统结构

智能家居系统是集无线传感器网络通信、传感器节点状态与数据分析于一体的软硬件集成设备，是利用无线通信功能，将无线传感技术与局域网技术结合的系统网络。通过网络连接各种传感器并对传感器数据进行处理，实现对各种家用电器的控制，达到家居环境智能化的效果。

智能家居实验的目标是在实验室部署各种类型的传感器节点，将各个节点通过无线传感器网络关联，把收集到的数据发送给基于ARM的家庭网关，并进行集中式控制处理；家庭网关提供互联网和移动3G网络接入功能，远程客户端通过家庭网关实现对网络终端设备的访问查询与控制功能。智能家居系统总体结构如图1所示。

图1 智能家居系统结构图

2 智能家居实验教学方案设计

智能家居实验主要突出对知识的综合运用能力培养，围绕物联网基础技术，加强物联网工程系统分析与设计能力培养。实验包含硬件与软件两大部分，硬件设备仅为实验基础，重点为硬件的实验环境搭建以及各部分软件的具体实现。

2.1 硬件设备

根据图1所示，智能家居实验所涉及硬件分为下述四类：

(1)终端设备。终端设备包括温/湿度传感器、气体探测器、红外学习转发器以及实验室电灯、电动窗帘、电视、空调、电饭煲等家用电器。

(2)Sink节点。Sink节点是以CC2530射频芯片为核心的嵌入式模块。

(3)家庭网关。网关外围设备包括ZigBee模块、USB 3G模块、Wi-Fi模块和网卡芯片等。

(4)用户终端。包括手持终端(平板电脑、智能手机等)和PC机客户端。

2.2 实验内容

智能家居实验从功能上划分，分为数据采集、通信传输和控制查看三个部分，包括传感器、传感网，以及传感网接入等几个方面。根据上述系统架构，将实验内容分为以下部分：终端设备组建、ARM网关开发和客户端开发，如图2所示。

图2 智能家居实验教学内容

1)终端设备网络组建

包括各种传感器设备信息采集、传感器信号分析、红外控制类电器设备(如电视机、空调等)控制、无线传感器网络拓扑结构选择及控制命令传递机制设计、通信协议分析、通信帧结构设计等，重点让学生学习传感器及传感网络的相关知识。

2)ARM网关开发

ARM网关主要完成多种无线网络管理和传感器信息数据管理工作，涉及各种数据传输及数据库等技术，包括操作系统裁剪与移植、外设驱动程序编写、系统相关库移植及各种服务器端程序编写等。

系统相关库移植包括了嵌入式数据库移植和Android客户端的消息推送服务移植等内容。

网关服务器端的开发分别包含了Web服务器移植和Socket服务端设计。网关通过Socket 服务器和Web服务器分别为客户端提供Socket连接和Web服务。其中，Socket服务器既为Android客户端和Web服务器提供Socket接口，又能通过串口服务与Sink节点通信，以实现TCP/IP协议与串口通信协议的转换。

网关开发环节能够让学生对物联网的各种组建和应用有深刻的认识与理解。

3)客户端开发

用户终端开发分为Android客户端设计和Web浏览器客户端设计两种，用于提供对传感器的各种控制操作和数据信息显示界面。

4)通信帧设计

由于智能家居系统中涉及TCP/IP网络传输、串口传输和无线网络传输(如ZigBee)等多种传输协议，为加强系统的可扩展性，通信帧结构的统一化设计也就有必要作为实验的一部分。

3 结束语

本文提出一种开放性的智能家居实验教学方案，涵盖了网络、传感器、传感网接入等关键技术，是对物联网实验教学的一种探索与尝试。通过该实验方案能让学生直接感受到物联网的实际应用，同时，激发学生对物联网的学习兴趣。

在近两年的教学实践中，学生基于该实验方案进行设计开发，获得“利尔达”杯第二届全国物联网应用设计大赛一等奖，第三届全国高校电子信息实践创新作品教学成果一等奖等奖项，取得较好的教学成果。

[1]黄峥,古鹏.物联网实验室建设研究与探讨[J]. 实验技术与管理,2012，29(2):191-195.

[2]吕岑,毛云川,宋铁成，等.基于RFID和ZigBee技术的物联网实验系统硬件设计与实现[J].信息化研究,2012(2):13-16.

[3]宁黎苗,黎红友,彭舰.物联网的智能家居实验教学系统的设计与实现[J].实验科学与技术,2011,9(5):260-262.

[4]刘佳,刘柏全,宋铁成.一种物联网教学实验系统的设计与实现[J].电气电子教学学报,2010(12):89-100.

[5]胡彧,杨琳.基于自定义家电管理协议的家庭Web网关实现[J].计算机工程,2009(5):271-274.

[6]魏晓宁.物联网实验教学初探[J].计算机时代,2011(10):49-50.

[7]谌素华,王维民,黄和，等.实验项目开放式实验教学探索与实践[J]. 实验室研究与探索,2009，28(2):142-144.

[8]梁柏榉.物联网实验教学与战略性新兴产业高素质人才培养[J].计算机时代,2012(2):36-48.

[9]钱红燕,陈兵,燕雪峰.物联网教学实践体系研究[J].计算机教育,2011(12):21-25.

Design and Implementation of Smart Home Open Experimental Teaching Program

LU Jin，GU Dongyuan，YANG Dongyong，REN Hongliang，HE Wei

(College of Information Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023，China)

In the traditional Internet of Things experimental teaching process, the knowledge can’t be comprehensively used. An open experimental teaching program of smart home is proposed. Through a variety of remote terminal using wireless communication capabilities, combined with sensor technology, network technology and access technology, intelligent control sensors deployed in the laboratory and appliances. Smart home system is a typical application of the Internet of Things technology. It is contributed to deeply learning the basic techniques of Things for students. The teaching programs achieve effective results in the process of experiment

smart home; internet of things; experiment teaching; design

2013-12-19；修改日期: 2014-04-06

浙江省嵌入式系统实验教学示范中心实验教学改革与建设基金资助项目。

卢 瑾(1982-),女,硕士,实验师,研究方向:无线传感网技术。

G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2014.06.031