雾霾环境下的智能家居实验教学系统架构分析

袁明兰

摘 要：雾霾环境下的智能家居实验教学系统，通过模拟真实空气质量环境及体现真实智能家居的智能控制，有利于学生真实感受和学习掌握智能家居控制原理，提高学生的学习主动性和学习效率。同时该系统还可用于智能家居实验研究，提供院校服务经济社会发展的能力。

关键词：智能家居;环境模拟;教学系统

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：2095-9052（2020）03-0196-02

本教学系统基于物联网，涉及物联网技术和家居实验及教学技术领域，特别是雾霾环境下的智能家居实验教学系统。现有的家居实验教学一般是将学生带到实际家居的样板间内参观学习，本系统主要解决样板间不能动手实践、家居实景沙盘不能真实反应家居内外部雾霾环境及其变化对家居设备智能调节的重要作用的问题。同时，解决家居实景沙盘只能做实验教学、不能用于产品检测和实验研究的问题。

1 系统架构

雾霾环境下的智能家居实验教学系统，包括雾霾环境模拟系统、家居房间、家居设备、房间环境传感器终端模块、房间环境网关模块、房间环境控制模块、数据处理中心、手持终端、视频演示系统、实验指导系统和学生实验箱[1]。如图1所示：

雾霾环境模拟系统包括雾霾发生装置、模拟太阳光发生装置、造风发生装置、造雨发生装置、雾霾环境模拟空间、雾霾环境传感器终端模块、雾霾环境网关模块、雾霾环境控制模块。

家居房间包括家居地面、上隔墙、下隔墙、左隔墙、右隔墙和家居屋顶，形成封闭空间。

家居设备包括加湿器、空调器、排气扇、空气净化器、报警器、LED灯、电动窗户和电动窗帘。

房间环境传感器终端模块，用于采集家居房间内的多个房间环境数据，包括PM2.5数据、PM10数据、风速数据、风向数据、光照度数据和色温数据。

房间环境网关模块与房间环境传感器终端模块进行通信，用于接收房间环境传感器终端模块上报的多个房间环境数据，并在所带屏幕上实时显示，将多个房间环境数据转换为预设通信协议类型的房间环境数据包，发送到数据处理中心，同时向房间环境控制模块转发数据处理中心传来的房间告警指令和房间控制指令。

房间环境控制模块与房间环境网关模块进行通信，用于接收房间环境网关模块转发的房间控制指令和房间告警指令，并根据房间控制指令和房间告警指令调用对应的功能单元执行相应操作，以及将操作结果返回至网关模块。

数据处理中心与雾霾环境网关模块和房间环境网关模块进行通信，用于接收雾霾环境网关模块转发的模拟空间环境数据包和房间环境网关模块转发的房间环境数据包，通过对模拟空间数据包和房间环境数据包进行解析以获取所述模拟空间环境数据和房间环境数据，对模拟空间环境数据和房间环境数据进行分析，根据分析结果向雾霾环境网关模块和房间环境网关模块发出对应的模拟空间告警指令、模拟空间控制指令、房间告警指令和房间控制指令。

手持终端与雾霾环境网关模块和房间环境网关模块进行通信，用于接收雾霾环境网关模块转发的模拟空间告警指令、模拟空间控制指令和房间环境网关模块转发的房间告警指令和房间控制指令，并根据模拟空间告警指令、模拟空间控制指令、房间告警指令和房间控制指令发送对应的控制指令到对应的所述雾霾环境网关模块或房间环境网关模块。

视频演示系统与雾霾环境网关模块和房间环境网关模块相连，用于根据雾霾环境网关模块和房间环境网关模块转发的对应的模拟空间告警指令、模拟空间控制指令、房间告警指令和房间控制指令向学生提供雾霾环境模拟系统、雾霾发生装置、模拟太阳光发生装置、造风发生装置、造雨发生装置、雾霾环境模拟空间、雾霾环境传感器终端模块、雾霾环境网关模块、雾霾环境控制模块、家居房间、家居设备、房间环境传感器终端模块、房间环境网关模块、房间环境控制模块、手持终端的性能指标的音频解说、工作过程和工作效果的视频展示，以及提供雾霾环境模拟系统、雾霾发生装置、模拟太阳光发生装置、造风发生装置、造雨发生装置、雾霾环境模拟空间、雾霾环境传感器终端模块、雾霾环境网关模块、雾霾环境控制模块、家居房间、家居设备、房间环境传感器终端模块、房间环境网关模块、房间环境控制模块、手持终端的工作相关的体验控制应用程序，用户通过选择并执行体验控制应用程序学习所述智能家居雾霾环境实验教学系统的各个功能。

实验指导系统与雾霾环境网关模块、房间环境网关模块相连，用于提供雾霾环境模拟系统、雾霾发生装置、模拟太阳光发生装置、造风发生装置、造雨发生装置、雾霾环境模拟空间、雾霾环境传感器终端模块、雾霾环境网关模块、雾霾环境控制模块、家居房间、家居设备、房间环境传感器终端模块、房间环境网关模块、房间环境控制模块、手持终端的理论原理和相关专业知识进行视频和文本教学，实验指导系统用于根据学生选择的开发模块，向学生提供对应的学习内容。

学生实验箱用于学生体验开发测试雾霾环境传感器终端模块、雾霾环境网關模块、雾霾环境控制模块、房间环境传感器终端模块、房间环境网关模块、房间环境控制模块。

2 实施方式

本系统可用于研究室内雾霾、风、采光与室外雾霾、雨、风、太阳光的关系，在获得较好的生活环境质量的同时，有效利用自然资源节约能源。雾霾环境下的智能家居实验教学系统特征如下：

第一，彩色灯光发生装置。彩色灯光发生装置包括全彩LED灯和彩色灯光控制器，全彩LED灯安装在雾霾环境模拟空间，彩色灯光控制器控制与雾霾环境控制模块进行通信。雾霾环境控制模块根据模拟空间控制指令调用与模拟空间控制指令对应的彩色灯光控制器执行相应操作;彩色灯光控制器通过有线或无线方式接收所述雾霾环境控制模块、手持终端或视频演示系统的控制指令;雾霾环境模拟空间的中隔墙设置有一透明观察窗户口，用于观察彩色光的颜色和亮度。

第二，雾霾环境传感器终端模块以预设周期通过无线方式向所述雾霾环境网关模块发送多个模拟空间环境数据;房间环境传感器终端模块以预设周期通过无线方式向房间环境控制模块发送所述多个房间环境数据;房间环境网关模块通过以太网、无线保真Wi-Fi或通用分组无线服务技术GPRS将房间环境数据包发送给手持终端和视频演示系统;雾霾发生控制器通过有线或无线方式接收所述雾霾环境控制模块、手持终端或视频演示系统的控制指令;房间环境控制模块中的每个所述功能单元通过有线或无线方式接收房间环境控制模块、手持终端或视频演示系统的控制指令[2]。

第三，视频演示系统包括触摸屏和硬盘播放器。触摸屏用于接收用户的触摸操作，并根据触摸操作展示雾霾环境下的智能家居实验教学系统的组成、性能、参数和应用，以及提供与雾霾环境模拟系统、雾霾发生装置、模拟太阳光发生装置、雾霾环境模拟空间等与工作相关的体验控制应用程序，用户通过触摸操作选择并执行体验控制应用程序以便学习雾霾环境下的智能家居实验教学系统的各个功能;硬盘播放器用于向学生提供所述智能家居实景沙盘、雾霾环境传感器终端模块、房间环境网关模块、房间环境控制模块、手持终端等的性能指标的音频解说和工作效果的视频展示。

第四，学生实验箱包括串口、网口、电源接口、多个传感器模块开发底板、多个传感器、网关模块开发板和多个控制模块开发板。串口用于调试或下载程序、传输数据信息;网口用于接入网络信号;电源接口用于接入电源;传感器模块开发底板以无线方式与所述雾霾环境网关模块或房间环境网关模块进行通信，学生通过多个传感器模块开发底板对雾霾环境传感器终端模块或房间环境传感器终端模块进行体验开发测试，并且开发测试的结果通过雾霾环境网关模块或房间环境网关模块接入至网络中，以进行后续分析和控制;学生根据需要将所述传感器插入传感器模块开发底板，编写并下载对应的程序以实现该传感器的功能。

第五，智能家居雾霾环境实验教学系统还包括教学区。教学区紧邻雾霾环境模拟空间，两者之间为中隔墙。数据处理中心、手持终端、视频演示系统、实验指导系统和学生实验箱均放置在教学区。教学区还设置有讲台、课桌、凳子和电脑，用于教学。

3 结论

本系统通过模拟真实雾霾环境及对模拟空间环境数据和房间环境数据进行分析以智能控制家居设备，有利于学生真实感受和学习掌握智能家居控制与物联网技术的原理，提高學生的学习主动性和学习效率，有力支持院校实验教学，助力智能家居的推广，也给实际应用提供借鉴。同时该系统还可进行雾霾传感器等智能家居相关产品和控制系统的综合性能检测及实验研究，有助于提高院校服务经济社会发展的服务能力和科研能力，也提高了实验室的利用率。

参考文献：：

[1]Qiu Rong. Using RFID technology and Smart Sensor to build Smart home system[J].Applied Mechanics and Materials，2013，767（772）：341-342.

[2] Wenbo Y.， Quanyu W.， Zhenwei G. Smart Home Implementation Based on Internet and Wi FiTechnology.Proceedings of the 34th Chinese Control Conference[C].Hangzhou，China，2015.

（责任编辑：李凌峰）