霧霾環(huán)境下的智能家居實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)分析

袁明蘭

摘 要：霧霾環(huán)境下的智能家居實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)模擬真實(shí)空氣質(zhì)量環(huán)境及體現(xiàn)真實(shí)智能家居的智能控制，有利于學(xué)生真實(shí)感受和學(xué)習(xí)掌握智能家居控制原理，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和學(xué)習(xí)效率。同時(shí)該系統(tǒng)還可用于智能家居實(shí)驗(yàn)研究，提供院校服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的能力。

關(guān)鍵詞：智能家居;環(huán)境模擬;教學(xué)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-9052（2020）03-0196-02

本教學(xué)系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)，涉及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和家居實(shí)驗(yàn)及教學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別是霧霾環(huán)境下的智能家居實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)?，F(xiàn)有的家居實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般是將學(xué)生帶到實(shí)際家居的樣板間內(nèi)參觀學(xué)習(xí)，本系統(tǒng)主要解決樣板間不能動(dòng)手實(shí)踐、家居實(shí)景沙盤不能真實(shí)反應(yīng)家居內(nèi)外部霧霾環(huán)境及其變化對(duì)家居設(shè)備智能調(diào)節(jié)的重要作用的問(wèn)題。同時(shí)，解決家居實(shí)景沙盤只能做實(shí)驗(yàn)教學(xué)、不能用于產(chǎn)品檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)研究的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

霧霾環(huán)境下的智能家居實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，包括霧霾環(huán)境模擬系統(tǒng)、家居房間、家居設(shè)備、房間環(huán)境傳感器終端模塊、房間環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊、房間環(huán)境控制模塊、數(shù)據(jù)處理中心、手持終端、視頻演示系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)系統(tǒng)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)箱[1]。如圖1所示：

霧霾環(huán)境模擬系統(tǒng)包括霧霾發(fā)生裝置、模擬太陽(yáng)光發(fā)生裝置、造風(fēng)發(fā)生裝置、造雨發(fā)生裝置、霧霾環(huán)境模擬空間、霧霾環(huán)境傳感器終端模塊、霧霾環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊、霧霾環(huán)境控制模塊。

家居房間包括家居地面、上隔墻、下隔墻、左隔墻、右隔墻和家居屋頂，形成封閉空間。

家居設(shè)備包括加濕器、空調(diào)器、排氣扇、空氣凈化器、報(bào)警器、LED燈、電動(dòng)窗戶和電動(dòng)窗簾。

房間環(huán)境傳感器終端模塊，用于采集家居房間內(nèi)的多個(gè)房間環(huán)境數(shù)據(jù)，包括PM2.5數(shù)據(jù)、PM10數(shù)據(jù)、風(fēng)速數(shù)據(jù)、風(fēng)向數(shù)據(jù)、光照度數(shù)據(jù)和色溫?cái)?shù)據(jù)。

房間環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊與房間環(huán)境傳感器終端模塊進(jìn)行通信，用于接收房間環(huán)境傳感器終端模塊上報(bào)的多個(gè)房間環(huán)境數(shù)據(jù)，并在所帶屏幕上實(shí)時(shí)顯示，將多個(gè)房間環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為預(yù)設(shè)通信協(xié)議類型的房間環(huán)境數(shù)據(jù)包，發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心，同時(shí)向房間環(huán)境控制模塊轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)處理中心傳來(lái)的房間告警指令和房間控制指令。

房間環(huán)境控制模塊與房間環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊進(jìn)行通信，用于接收房間環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊轉(zhuǎn)發(fā)的房間控制指令和房間告警指令，并根據(jù)房間控制指令和房間告警指令調(diào)用對(duì)應(yīng)的功能單元執(zhí)行相應(yīng)操作，以及將操作結(jié)果返回至網(wǎng)關(guān)模塊。

數(shù)據(jù)處理中心與霧霾環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊和房間環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊進(jìn)行通信，用于接收霧霾環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊轉(zhuǎn)發(fā)的模擬空間環(huán)境數(shù)據(jù)包和房間環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊轉(zhuǎn)發(fā)的房間環(huán)境數(shù)據(jù)包，通過(guò)對(duì)模擬空間數(shù)據(jù)包和房間環(huán)境數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析以獲取所述模擬空間環(huán)境數(shù)據(jù)和房間環(huán)境數(shù)據(jù)，對(duì)模擬空間環(huán)境數(shù)據(jù)和房間環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果向霧霾環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊和房間環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊發(fā)出對(duì)應(yīng)的模擬空間告警指令、模擬空間控制指令、房間告警指令和房間控制指令。

手持終端與霧霾環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊和房間環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊進(jìn)行通信，用于接收霧霾環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊轉(zhuǎn)發(fā)的模擬空間告警指令、模擬空間控制指令和房間環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊轉(zhuǎn)發(fā)的房間告警指令和房間控制指令，并根據(jù)模擬空間告警指令、模擬空間控制指令、房間告警指令和房間控制指令發(fā)送對(duì)應(yīng)的控制指令到對(duì)應(yīng)的所述霧霾環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊或房間環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊。

視頻演示系統(tǒng)與霧霾環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊和房間環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊相連，用于根據(jù)霧霾環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊和房間環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊轉(zhuǎn)發(fā)的對(duì)應(yīng)的模擬空間告警指令、模擬空間控制指令、房間告警指令和房間控制指令向?qū)W生提供霧霾環(huán)境模擬系統(tǒng)、霧霾發(fā)生裝置、模擬太陽(yáng)光發(fā)生裝置、造風(fēng)發(fā)生裝置、造雨發(fā)生裝置、霧霾環(huán)境模擬空間、霧霾環(huán)境傳感器終端模塊、霧霾環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊、霧霾環(huán)境控制模塊、家居房間、家居設(shè)備、房間環(huán)境傳感器終端模塊、房間環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊、房間環(huán)境控制模塊、手持終端的性能指標(biāo)的音頻解說(shuō)、工作過(guò)程和工作效果的視頻展示，以及提供霧霾環(huán)境模擬系統(tǒng)、霧霾發(fā)生裝置、模擬太陽(yáng)光發(fā)生裝置、造風(fēng)發(fā)生裝置、造雨發(fā)生裝置、霧霾環(huán)境模擬空間、霧霾環(huán)境傳感器終端模塊、霧霾環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊、霧霾環(huán)境控制模塊、家居房間、家居設(shè)備、房間環(huán)境傳感器終端模塊、房間環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊、房間環(huán)境控制模塊、手持終端的工作相關(guān)的體驗(yàn)控制應(yīng)用程序，用戶通過(guò)選擇并執(zhí)行體驗(yàn)控制應(yīng)用程序?qū)W習(xí)所述智能家居霧霾環(huán)境實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的各個(gè)功能。

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)系統(tǒng)與霧霾環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊、房間環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊相連，用于提供霧霾環(huán)境模擬系統(tǒng)、霧霾發(fā)生裝置、模擬太陽(yáng)光發(fā)生裝置、造風(fēng)發(fā)生裝置、造雨發(fā)生裝置、霧霾環(huán)境模擬空間、霧霾環(huán)境傳感器終端模塊、霧霾環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊、霧霾環(huán)境控制模塊、家居房間、家居設(shè)備、房間環(huán)境傳感器終端模塊、房間環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊、房間環(huán)境控制模塊、手持終端的理論原理和相關(guān)專業(yè)知識(shí)進(jìn)行視頻和文本教學(xué)，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)系統(tǒng)用于根據(jù)學(xué)生選擇的開(kāi)發(fā)模塊，向?qū)W生提供對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)箱用于學(xué)生體驗(yàn)開(kāi)發(fā)測(cè)試霧霾環(huán)境傳感器終端模塊、霧霾環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊、霧霾環(huán)境控制模塊、房間環(huán)境傳感器終端模塊、房間環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊、房間環(huán)境控制模塊。

2 實(shí)施方式

本系統(tǒng)可用于研究室內(nèi)霧霾、風(fēng)、采光與室外霧霾、雨、風(fēng)、太陽(yáng)光的關(guān)系，在獲得較好的生活環(huán)境質(zhì)量的同時(shí)，有效利用自然資源節(jié)約能源。霧霾環(huán)境下的智能家居實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)特征如下：

第一，彩色燈光發(fā)生裝置。彩色燈光發(fā)生裝置包括全彩LED燈和彩色燈光控制器，全彩LED燈安裝在霧霾環(huán)境模擬空間，彩色燈光控制器控制與霧霾環(huán)境控制模塊進(jìn)行通信。霧霾環(huán)境控制模塊根據(jù)模擬空間控制指令調(diào)用與模擬空間控制指令對(duì)應(yīng)的彩色燈光控制器執(zhí)行相應(yīng)操作;彩色燈光控制器通過(guò)有線或無(wú)線方式接收所述霧霾環(huán)境控制模塊、手持終端或視頻演示系統(tǒng)的控制指令;霧霾環(huán)境模擬空間的中隔墻設(shè)置有一透明觀察窗戶口，用于觀察彩色光的顏色和亮度。

第二，霧霾環(huán)境傳感器終端模塊以預(yù)設(shè)周期通過(guò)無(wú)線方式向所述霧霾環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊發(fā)送多個(gè)模擬空間環(huán)境數(shù)據(jù);房間環(huán)境傳感器終端模塊以預(yù)設(shè)周期通過(guò)無(wú)線方式向房間環(huán)境控制模塊發(fā)送所述多個(gè)房間環(huán)境數(shù)據(jù);房間環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊通過(guò)以太網(wǎng)、無(wú)線保真Wi-Fi或通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)GPRS將房間環(huán)境數(shù)據(jù)包發(fā)送給手持終端和視頻演示系統(tǒng);霧霾發(fā)生控制器通過(guò)有線或無(wú)線方式接收所述霧霾環(huán)境控制模塊、手持終端或視頻演示系統(tǒng)的控制指令;房間環(huán)境控制模塊中的每個(gè)所述功能單元通過(guò)有線或無(wú)線方式接收房間環(huán)境控制模塊、手持終端或視頻演示系統(tǒng)的控制指令[2]。

第三，視頻演示系統(tǒng)包括觸摸屏和硬盤播放器。觸摸屏用于接收用戶的觸摸操作，并根據(jù)觸摸操作展示霧霾環(huán)境下的智能家居實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的組成、性能、參數(shù)和應(yīng)用，以及提供與霧霾環(huán)境模擬系統(tǒng)、霧霾發(fā)生裝置、模擬太陽(yáng)光發(fā)生裝置、霧霾環(huán)境模擬空間等與工作相關(guān)的體驗(yàn)控制應(yīng)用程序，用戶通過(guò)觸摸操作選擇并執(zhí)行體驗(yàn)控制應(yīng)用程序以便學(xué)習(xí)霧霾環(huán)境下的智能家居實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的各個(gè)功能;硬盤播放器用于向?qū)W生提供所述智能家居實(shí)景沙盤、霧霾環(huán)境傳感器終端模塊、房間環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊、房間環(huán)境控制模塊、手持終端等的性能指標(biāo)的音頻解說(shuō)和工作效果的視頻展示。

第四，學(xué)生實(shí)驗(yàn)箱包括串口、網(wǎng)口、電源接口、多個(gè)傳感器模塊開(kāi)發(fā)底板、多個(gè)傳感器、網(wǎng)關(guān)模塊開(kāi)發(fā)板和多個(gè)控制模塊開(kāi)發(fā)板。串口用于調(diào)試或下載程序、傳輸數(shù)據(jù)信息;網(wǎng)口用于接入網(wǎng)絡(luò)信號(hào);電源接口用于接入電源;傳感器模塊開(kāi)發(fā)底板以無(wú)線方式與所述霧霾環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊或房間環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊進(jìn)行通信，學(xué)生通過(guò)多個(gè)傳感器模塊開(kāi)發(fā)底板對(duì)霧霾環(huán)境傳感器終端模塊或房間環(huán)境傳感器終端模塊進(jìn)行體驗(yàn)開(kāi)發(fā)測(cè)試，并且開(kāi)發(fā)測(cè)試的結(jié)果通過(guò)霧霾環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊或房間環(huán)境網(wǎng)關(guān)模塊接入至網(wǎng)絡(luò)中，以進(jìn)行后續(xù)分析和控制;學(xué)生根據(jù)需要將所述傳感器插入傳感器模塊開(kāi)發(fā)底板，編寫并下載對(duì)應(yīng)的程序以實(shí)現(xiàn)該傳感器的功能。

第五，智能家居霧霾環(huán)境實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)還包括教學(xué)區(qū)。教學(xué)區(qū)緊鄰霧霾環(huán)境模擬空間，兩者之間為中隔墻。數(shù)據(jù)處理中心、手持終端、視頻演示系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)系統(tǒng)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)箱均放置在教學(xué)區(qū)。教學(xué)區(qū)還設(shè)置有講臺(tái)、課桌、凳子和電腦，用于教學(xué)。

3 結(jié)論

本系統(tǒng)通過(guò)模擬真實(shí)霧霾環(huán)境及對(duì)模擬空間環(huán)境數(shù)據(jù)和房間環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以智能控制家居設(shè)備，有利于學(xué)生真實(shí)感受和學(xué)習(xí)掌握智能家居控制與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的原理，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和學(xué)習(xí)效率，有力支持院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)，助力智能家居的推廣，也給實(shí)際應(yīng)用提供借鑒。同時(shí)該系統(tǒng)還可進(jìn)行霧霾傳感器等智能家居相關(guān)產(chǎn)品和控制系統(tǒng)的綜合性能檢測(cè)及實(shí)驗(yàn)研究，有助于提高院校服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的服務(wù)能力和科研能力，也提高了實(shí)驗(yàn)室的利用率。

參考文獻(xiàn)：：

[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.

（責(zé)任編輯：李凌峰）