高校智能家居物联网应用实验室建设研究

2017-11-18李林林孙良旭吴建胜王刚刘国莉

计算机时代 2017年11期

李林林+孙良旭+吴建胜+王刚+刘国莉

摘要：智能家居是与人们日常生活关系最密切的物联网应用，也是非常好的大学生创新、创业项目。但很多高校现有实验室没有足够的软硬件环境支持，严重影响了学生物联网技术的学习和实践。本文根据智能家居需求，设计了以智能家居为背景的物联网应用实验室建设方案，描述了系统网络拓扑结构、软硬件开发环境、通信协议、硬件模块，并进行了部署测试。测试结果表明，系统可以实现智能家居的一般需求。通过开放软硬件平台，可以满足教师进行物联网教学和学生进行自主学习的需要。

关键词：高校；智能家居；物联网；实验室

中图分类号：TP391.1 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2017）11-23-03

Research on the construction of smart home IoT application laboratory in universities

Li Linlin1， Sun Liangxu1， Wu Jiansheng1， Wang Gang1， Liu Guoli2

（1. School of Software， University of Science and Technology Liaoning， Anshan， Liaoning 114051， China；

2. School of Science， University of Science and Technology Liaoning）

Abstract： Smart home is an IoT（Internet of Things）application most closed to people's daily life， and is also a very good innovation and entrepreneurship project for students. However， many colleges and universities do not have enough support to software and hardware environment， which has seriously affected the student in the learning and practice of IoT technology. According to the requirements of smart home， this paper designs a laboratory construction scheme of IoT technology for smart home application， describes the system network topology， development environment of software and hardware， hardware modules etc.， and completes the deployment test. It is proved that the system can satisfy the normal requirements of smart home. The open platform of software and hardware can meet the IoT teaching and studying requirements of teachers and students.

Key words： university； smart home； IoT； laboratory

0 引言

物联网（Internet of Things， IoT）实现了物理设备、网络设备、智能设备、建筑物和嵌入式设备之间的互联。通过嵌入设备中的电子器件、软件、传感器、执行机构和网络连接，实现设备之间的数据采集和交换。2013年物联网全局标准倡议组（IoT-GSI）定义物联网为信息社会的基础设施。很多学者将物联网技术与高校实验室建设和设计相结合进行了研究[1-3]。智能家居是对智能建筑里与居住需求有关的扩展，包括光照、温度、通风、空调和安全控制，还包括通过Wi-Fi进行远程监控的家电。系统一般包括交换机和传感器，有时候连接到网关。通过网关提供的用户接口，通过网关应用、移动手机APP，PC网页进行交互，实现系统的控制。很多学者针对智能家居物联网应用也进行了研究[4-6]。除了智能家居之外，其他物联网应用也成为研究热点，例如智慧农业[7]。

国务院出台了大力推进大众创业万众创新若干政策措施的意见，各个高校积极响应，面对本科生和研究生，大力开展创新创业活动。创新创业活动会遇到一些问题。

⑴ 遇到的问题

① 研究课题的相关技术缺乏先进性，不能与当下最新的研究热点和流行技术，甚至未来发展趋势相结合。

② 研究课题的内容缺乏具体应用背景，不能将理论研究应用到工程实践中，解决生产生活实际问题。

③ 研究课题的软硬件环境支持有限，尤其是硬件，严重影响了课题开展的可行性和可操作性，部分研究内容无法有效开展。

④ 研究课题的研究方法更多采用理论推导结合模拟仿真的方式，研究成果是否适合实际问题难以确定，实际应用可能出现的问题，并没有得到研究和解决。

本文提出高校智能家居物联网应用实验室建设研究课题，为有效地解决上述问题提供了解决方案。

⑵ 解決问题的思路

① 智能家居是以物联网技术为基础，物联网技术是当下最流行的技术，无论学术界还是工业界都已经成为研究热点，是未来发展的基础支撑技术。

② 智能家居是典型的物联网应用，涉及目前主流多种IT技术，同时与人们生活密切相关，在实际使用中存在大量问题，可以作为非常好的研究背景。endprint

③ 智能家居实验室可以提供丰富的软硬件资源，为智能家居及其他物联网应用研发提供有力支持。

④ 智能家居实验室可以提供功能完整的物联网实验箱和开发板、各种类型的传感器和其他监控设备，同时提供有线和无线网络支持。所有的研发直接在物理设备上进行，直接解决实际应用中存在的问题，研究成果可以直接应用到实际项目中。

1 系统网络拓扑结构

系统网络拓扑结构如图1所示。系统主要包括智能控制单元、环境安防单元、家电遥控单元、电动窗帘单元、门禁单元、灯光报警单元。

智能控制单元提供应用程序，使用ZigBee、GSM/GPRS、视频和RS485不同类型的协议和信号，实现门窗控制、环境监控、家电控制、智能灯光、视频监控和短信控制，同时还可以进行系统信息配置，主要包括电话设置、网络设置、模式设置、灯光学习、万能遥控、报警图片、报警记录和GPRS 记录。除了能够进行本地控制之外，单元还提供通过PC终端Web和Android手机APP，采用Wi-Fi、3G、4G通信技术，实现上述功能的远程控制。

环境安防单元包括温湿度、光照检测、水浸检测、震动检测、红外栅栏、人体感应、烟雾检测和可燃气体检测不同类型的传感器。通过ZigBee协议与智能控制单元进行通信，上传传感器数据到智能控制单元。除此之外，还包括云台摄像机，通过RS485协议与智能控制单元进行视频信号通信，实现视频监控。

家电遥控单元包括红外转发器。通过ZigBee协议与智能控制单元进行通信。当智能控制单元执行家电遥控指令时，根据预先学习的家电遥控指令与红外数据对应关系，下载家电遥控红外数据到家电遥控单元，通过红外转发器转发到家电设备，实现家电遥控。

电动窗帘单元包括窗帘控制器。其控制方式与家电遥控单元类似，预先学习电动窗帘遥控指令与红外数据对应关系，由红外转发器转发红外数据到窗帘控制器，实现电动窗帘控制。

门禁单元包括门磁、电磁锁、门禁机和出门按钮。其中门磁和电磁锁支持通过ZigBee协议与智能控制单元进行通信，上传门磁状态和下载电磁锁命令。

灯光报警单元包括紧急按钮、调色灯和报警灯。调色灯控制方式与家电遥控单元类似，预先学习调色灯遥控指令与红外数据对应关系，由红外转发器转发红外数据到调色灯，实现调色灯控制。紧急按钮和报警灯控制方式与门禁单元的门磁和电磁锁类似，通过ZigBee协议与智能控制单元进行通信，上传紧急按钮状态和下载报警灯命令。

2 系统软硬件设计

2.1 智能控制单元

智能控制单元使用Cortex-A8开发板，预装嵌入式Linux操作系统，内核版本2.6.35.7。在Windows下安装Qt Creator、MinGW和Qt-Opensource-Windows配置应用程序开发环境。软件开发采用客戶端/服务器模式，客户端与服务器之间通信遵循Linux Socket协议。数据包格式如表1所示。

SOF：值为0xFC，标识数据开始。

CMD：命令。

LEN：DATA域实际长度。

FCS：校验和，从CMD域到DATA域进行异或校验计算。

系统设备分为传感器设备和执行器设备，均支持ZigBee控制。为了描述设备，定义设备节点结构体如下：

typedef struct {

unsigned char NwkAddr[2]； //设备网络地址

unsigned char DeviceType； //设备类型

unsigned char DeviceIndex； //设备编号

unsigned char DevicePosition； //设备位置

unsigned int DeviceValue； //设备数据

unsigned char Res； //预留

} DeviceDesp，*pDeviceDesp；

客户端连接服务器后，服务器会自动按照此条协议上报在线设备节点、离线设备节点、状态变化设备节点给客户端。数据包各域分别为：

0xFC、0x01、0x0a、在线设备DeviceDesp结构体、校验和FCS

0xFC、0x02、0x0a、离线设备DeviceDesp结构体、校验和FCS

0xFC、0x03、0x0a、状态改变设备DeviceDesp结构体、校验和FCS

客户端连接服务器后，可以发送设备节点控制命令。数据包各域为：

0xFC、0x04、0x0a、控制设备DeviceDesp结构体、校验和FCS

2.2 传感器感知类型单元

环境安防单元为传感器感知类型单元。每个传感器单元使用STM8S103FS的开发板完成对传感器环境数据的读取和控制指令的写入。同时在开发板设计CC2530通讯模块，实现与智能控制单元的ZigBee通信，完成数据和指令的传递，如图2所示。

2.3 继电器控制类型单元

家电遥控单元、电动窗帘单元、门禁单元、灯光报警单元为继电器控制类型单元。其设计与传感器感知类型单元类似，只是将STM8S103FS引脚PD4作为IO继电器控制引脚，取消引脚PD3接线。将控制设备与开发板的继电器控制端口P3进行连接，实现继电器控制。

3 系统部署测试

3.1 智能控制单元控制程序下载

用串口线连接PC机与智能控制单元串口，以便在智能控制单元Linux系统启动后，对Linux系统进行操作。将网线连接PC机与智能控制单元网口，以便通过TFTP协议将智能控制单元控制程序从PC机下载到智能控制单元。endprint

在Windows7系统中，打开X-SHELL软件，新建串口终端，选择Serial方式，配置串口为COM1，波特率为115200。按下智能控制单元电源，系统上电，启动到Linux系统下。在PC机打开TFTP32软件启动TFTP服务器，将智能控制单元控制程序文件放入TFTP服务器根目录下。在智能控制单元Linux系统下，使用tftp -g -r file ip命令下载控制程序文件，其中file为控制程序文件名，ip为PC机网口IP地址。如果控制程序文件为tar格式，需要进行解压，然后启动运行控制程序。

3.2 智能控制单元控制程序测试

控制程序启动后，自动通过ZigBee协议与环境安防单元、家电遥控单元、电动窗帘单元、门禁单元和灯光报警单元进行组网，实现通信。控制程序运行界面如图3所示，通过切换门窗、环境、家电、灯光、视频和系统按钮，完成环境信息的采集、家居设备的控制和系统参数配置。

4 结束语

高校学生在物联网智能家居实验室中，在基础软件和硬件支持下，了解和熟悉了物联网的基础理论和开发技术，按照实际工程项目要求，首先收集整理智能家居业务需求，然后进行软件和硬件的设计，最后在实验室中真实模拟家居生活场景，进行系统部署和测试，解决遇到的实际问题。通过这样类型的实验室，学生既可以学习到理论知识和开发技术，又能够积累某种物联网应用场景开发和实施经验，解决高校学生开展科研遇到的软硬件环境、研究课题背景和技术先进性等问题。实验室的建设方案也可以为其他计算机相关专业课程提供软硬件支持，提供一个开放平台，支持跨专业学习和研究。硬件的高损耗和低利用率是日后实验室建设有待解决的问题，充分利用虚拟化等最新软件技术和科学合理的实验内容组织，可以是解决该问题的一种方法。

参考文献（References）：

[1] 曲娜，盛桂珍，杨海波. 基于物联网技术的智慧开放实验室管

理系统设计[J]. 实验技术与管理，2015.12：140-142

[2] 韩方珍，俞守华，方永美，徐东风，肖媚燕.基于物联网技术的

实验室管理系统设计[J].实验室研究與探索，2015.12：238-240，259

[3] 吴蓬勃，李学海，杨斐，张金燕.基于物联网的智能实验室研究

与实践[J].实验室研究与探索，2015.3：78-85

[4] 胡军，赵国军.基于ZigBee的智能家居体验中心系统组网方

案[J].实验室研究与探索，2016.5：130-133，235

[5] 杨璐，刘宝栋，王银涛.基于ZigBee技术的智能家居系统门窗

联动设计与实现[J].实验室研究与探索，2013.8：297-300，306

[6] 高同辉，刘东晓.智能家居实训平台开发与应用[J]. 实验技术