基于物联网技术的智能家居实训教学平台的设计

叶建德

（泉州职业技术大学 福建省泉州市 362269）

近年来，伴随物联网与各个领域的融合发展，当前一些新的智能化产品和服务层出不穷，也在很大程度上推进了物联网技术的发展，因此高校的物联网专业教学也应顺应行业的需求，重视软硬件技术的有机融合教学，以物联网技术为基础的智能家居实训平台在构建理念上要符合国家工业的规范需求，通过强化实践实训教学环节，更好的培养学生的就业创业能力[1]。尽管当前教学中有了物联网实验箱等装置，然而基于其成本过高、系统控制方式单一，它还不具备完善的实训效果，鉴于此本文以智能家居为主线，采用紫蜂、Wi-Fi等先进的无线通信技术，建立形成多动能一体化的综合实训平台，以期为学生创造良好的实践实训条件，激发学生的学习热情，提高实践教学的效果。

1 当前社会对物联网技术人才的用工需求

首先，我们要知道物联网的定义，所谓物联网就是通过各种信息传感设备实现人与人、人与物、物与物之间的有效互联，它的主要特征是借助传感器以及射频识别等方式来接收信息数据，并通过移动网络进行信息的传输交互，借助智能技术对信息数据予以处理分析，提高对物质的感知功能，从而实现智能化的决策及控制[2]。当前，很多领域都应用到物联网技术，其中包括医疗、交通、家居、工业、农业、服务业等。可以说，未来物联网技术与产业的进一步融合，将会引发新一轮智能化革命，驱动着信息产业的不断升级。

物联网作为新时期的新事物，无论在设备制造、产品研发还是系统集成等各方面都急缺大量的技术应用人才。随着物联网行业市场规模的不断扩大，物联网技术的应用会越来越普及化，而与物联网相关的产业则会需求大量的人才。目前，经国家教育部批准开办互联网专业的高校有上百所，而专业教学的发展必须要以硬件的专业建设为基础，实训教学平台的构建就是一个必然。

基于物联网技术的智能家居实训教学平台将“任务驱动”与“工学结合”两种教学方法有机结合，具备相应的国家教育及国家工业制造标准，把物联网专业教学实训、岗位技能以及工程经验融合起来，具备教学所学的工程展示、设备认识、理论实践、技能实训等多项功能[3]。高校通过构建智能家居实训平台，紧跟新时期物联网的技术前沿，从而最大化满足高校物联网专业“理实结合”的教学需求，尤其符合计算机网络技术、物联网工程、云计算等相关专业学生的实际需求。

2 物联网智能家居实训教学的重要性

通过物联网智能家居实训平台，可针对高校物联网专业《物联网工程》、《计算机网络技术》、《智能化工程设计》、《智能家居设备安装与调试》、《物理网工程》、《综合布线技术》等相关课程实施教学实训活动，让学生全面学习、理解并掌握物联网智能家居工程的各项专业知识和技能，提高学生在专业方面的项目设计能力及施工技术[4]。在日常教学中实施物联网智能家居实训，帮助学生增加工程实践经验、强化项目设计思维、提高调式安装能力，使其未来就业能够顺利从事与物联网技术相关的各项工作，比如针对智能家居设计系统工程、绘制项目图纸、进行安装调试、维护应用系统等等，实现与岗位就业的有效对接。

在当前信息社会，物联网作为信息产业的新势力受到广泛重视，预计未来物联网还会不断改变并优化我们的生活，让“智能”无处不在。如今伴随我国城镇建设的飞速发展，社会和企业都迫切需求一批高精专的物联网技术人才。而高校开展物联网智能家居实训教学，正是为顺应社会发展的需求，为我国快速发展的物联网行业输送更多优秀的急需之才，致力于帮助高校提升教学效率、为学生提高就业能力。目前，物联网、云计算、大数据等信息技术都需要高速互联网为依托，在此需求下，建设物联网工程、提高运营维护能力必定是未来信息热门技术的重点。故此，高校构建物联网智能家居实训平台、贯彻实训教学将极为必要。

3 物联网智能家居系统的关键技术

3.1 射频识别技术

射频识别技术是一种非接触性智能化身份识别技术，通过系统中的射频信号对定位目标进行自动化识别，从而获取到需要的信息数据[5]。

3.2 无线传感器网络技术

无线传感器网络技术属于一个微型通讯网络信息系统，它的特点就是灵活性很强，通过组网并传输到系统，无线传感器网络将信息采集、传送以及处理三功能融为一体，以此保障智能家居系统在信息管理应用层面的需求。

3.3 短距无线通信技术

短距无线通信技术由Wi-Fi、蓝牙、近场通信以及紫峰技术组合而成，该项技术的应用特点就是安全性能稳定、信息传输速度飞快。

3.4 物联网网络安全技术

我们不仅要保障物联网智能家居的网络安全，还需针对感知点本地、无线传感器网络的传输安全、网络核心层信息传输安全等问题进行处理，规避用户在使用的过程中出现信息泄露的风险。

4 物联网智能家居实训平台的构建需求

4.1 智能家居系统功能目标研究

智能家居系统不但要实现信息化和智能化的功能目标，还需突破传统化的人工管理操作模式。因此，应用信息化管理手段替换原来的手工操作环节是首要之需；同时通过检测实训平台的运行环境，借助传感器用以监督实训平台的实际运作情况，并以物联网应用技术为基础，对实训平台中的门禁、窗帘、监控、空调等进行自动控制，从而有效减少家居用电的损耗。

4.2 智能家居系统功能需求

智能家居系统要同时具备设备信息管理、用户信息管理、实时数据监测以及远程遥控控制等功能，还需要有一定的节能效率[6]。因此在对各级用户进行管理时要加以分区，从而保证授课教师及平台管理员能够及时更改有关信息。此外，设备信息管理应具备信息修改、删除、增加等功能；并能及时采集实训平台数据，做好各项信息数据的实时监控工作。

4.3 智能家居系统性能需求

要保证智能家居实训教学平台的适用性，我们需要建立全面完善的系统。故此在针对系统设计时，必须要将教学调研工作落实明确，形成平台应用需求的分析文件。同时，在开发系统的过程中，要对系统自身的延展性进行合理考虑，对所有应用模块都要采取测试和验证；其次，要保证系统的可靠性，鉴于系统要对实训平台的温湿度、光照度进行检测，保证其安全可靠性才能更好的规避实训操作中事故的产生；最后还有保证系统的开发性、兼容性，借助软件技术让实训平台始终以主流操作系统运行，并使其具备开发性便于后期系统进行维护升级[7]。

5 智能家居系统结构设计

智能家居实训平台由设备域、云服务以及应用域组成，通过设备域控制整个实训平台的系统，而系统的组成包括现场的控制硬件及网关。因为涉及到费用能耗、通信距离以及应用方位，所以要应用紫峰技术来建立现场网络。

6 智能家居系统硬件设计

系统硬件的核心板使用CC2530，配置紫蜂无线模块建立网络，网络呈现出星状，通过一个协调器和多个不同终端节点形成。系统协调器主要功能是采取信息数据、控制继电器设备，将获取到的信息数据通过网关进行通讯。将8051单机片作为CC2530的内核，同时设定3.3V的板载电压，借助紫峰无线模块将终端节点和协调器进行网络联通，协调器及网关通过串口进行通讯。

在紫蜂网络中把终端节点作为基础节点，使其与传感器相互通信，在程序设置不同的前提下所能实现的功能就可不同。在终端节点模式下，通电之后的紫峰模块结合panid网络参数入网，随即它会保持休眠的状态，等待时序中断再采集数据并往协调器发送数据，或通过协调器的数据唤醒中断，根据获取到的数据对GP IO接口进行控制[8]。

紫峰网络的核心是协调器，它的主要功能是向网关传递终端节点数据并予以接收数据，再结合数据类型发送到网络中的终端节点上。紫蜂协调器只会把串口当做输入输出的接口，而要让云端服务器真正实现对接功能，则要利用网关转换协议，同时对串口进行控制，才能发出访问命令。因此，实训平台现场控制要以网关为主要核心。

7 智能家居系统软件设计

7.1 网关设计

树莓派微型电脑硬件是网关运行的重要载体，它主要负责将MQTT协议和云端进行连接通讯。网关软件模块主要功能有很多，包括串口数据访问、设定报警规则、管理设施设备、数据实时监控及同步等。总之，网关不但可以应用协调器来接收传感器的信息数据，还可接收云端指令并往协调器进行传输发送，从而实现对系统中断的有效控制。

7.2 云端软件设计

利用Java Web技术构建云端应用模块，通过云计算平台的运作负责向用户提供远程监控、数据存储以及可视化功能，同时还可将适用的API接口提供给手机用户。其主要模块及功能体现在六个部分：

（1）制定报警规则；

（2）让信息数据同步；

（3）进行远程监控，通过界面的按钮开关、利用MQTT协议下方主题把信息传送出去，借助网关订阅该主题接收的消息，并指使协调器予以处理；

（4）进行数据存储，对保留到信息数据库中的历史数据予以查询并展示；

（5）将数据可视化，把所有运行的信息数据和状态进行呈现，形成数据分析报表或图表；

（6）连接移动API接口，应用RESTful架构将API接口提供到安卓应用平台进行访问，其中也可利用HTTP协议对接口予以访问[9]。

基于MQTT协议让网关和云端实现了数据通讯，同时在云端服务器上设置MQTT服务器软件，以此为网关和云端相互实时通讯提供条件。

7.3 手机端软件设计

利用安卓技术对手机端软件进行设计，借助云端的RESTful API接口通过手机对设备予以远程监视。其主要作用有四个：

（1）及时报警信息，设备所有的报警信息传送显示到手机上，并可对信息进行有效处理；

（2）对设备进行控制，将开启、停止电器的请求指令发送给云端；

（3）形成安全模式，对设施设备防火防盗等模块开关进行控制；

（4）进行历史操作，将各个不同时间段的报警信息显示出来并对其加以处理。

8 结束语

总而言之，当前信息时代背景下，人们所生活的环境已离不开对物联网技术的广泛应用，未来互联网技术会更为普及、发挥更多的应用优势。因此，为培养高精专的物联网技术人才，高校应积极构智能家居实训教学平台，帮助学生更好的学习物联网知识和技术。本文围绕智能家居实训教学平台，提出了应用Wi-Fi、紫蜂等无线通信技术来设计不同类型的系统硬件、软件，建立形成多功能一体化的实训平台。基于平台的良好开发性，高校可结合教学目标、教学内容合理增减相关的设备及软件应用模块。此外，智能家居实训教学平台还可在互联网技术专业课程的实践教学中发挥辅助功能，不但有利于培养学生的实践应用能力，还让他们了解到一定的物联网知识并应用于项目当中，促进学生积极开展实践创新。