基于ZigBee的高校智能家居實(shí)訓(xùn)室建設(shè)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，社會信息化程度越來越高， 信息領(lǐng)域新產(chǎn)品、新服務(wù)大量涌現(xiàn)，人們對家庭生活、學(xué)習(xí)、 娛樂提出了更高的品質(zhì)要求，構(gòu)建智能、舒適、高效的家居生 活成為未來家居的發(fā)展方向。智能家居作為一個新興產(chǎn)業(yè)，在 物聯(lián)網(wǎng)大潮下蘊(yùn)含著巨大的市場潛力，預(yù)測在未來幾年內(nèi)全世 界將有近億家庭進(jìn)入智能的家居生活，而這需要大批具有智能 家居系統(tǒng)安裝、調(diào)試、維修等方面的技能人才。目前我國已有 50 多所高校設(shè)置了物聯(lián)網(wǎng)本科專業(yè)和 30 多所高職院校設(shè)置了 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)?？茖I(yè) [1]。 

1 智能家居概念 

智能家居（Smart Home）是以住宅為平臺，兼?zhèn)浣ㄖ?網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動化，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管 理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境 [2]。 利用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安 全防范技術(shù)、自動控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家中各種設(shè)備（照 明系統(tǒng)、窗簾控制、空調(diào)控制、安防系統(tǒng)、數(shù)字影院系統(tǒng)、網(wǎng) 絡(luò)家電等）有機(jī)結(jié)合，提供家電控制、照明控制、電話遠(yuǎn)程控 制、室內(nèi)外遙控、防盜報警、環(huán)境監(jiān)測等多種功能。 

2 ZigBee 技術(shù) 

ZigBee 技術(shù)是近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、 低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適合于自動控制和遠(yuǎn)程控 制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時支持地理定位功能 [3]。這 個名稱來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂 通過跳 ZigZag 形狀的舞蹈來分享新發(fā)現(xiàn)的食物源的位置、距 離和方向等信息 [4]。ZigBee 是基于 IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的低功 耗局域網(wǎng)協(xié)議，主要用于小型設(shè)備如溫濕度傳感器、照明控制 器、安防系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備等，其低功耗可以確保兩節(jié)五號電 池的使用壽命達(dá)到 6 個月至 2 年，其網(wǎng)絡(luò)容量可以實(shí)現(xiàn)數(shù)千個 傳感器之間的相互通信，一個 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)可以支持 254 個節(jié) 點(diǎn)，一個區(qū)域內(nèi)最多可以同時存在 100 個 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)。隨著 ZigBee 技術(shù)的不斷完善，它將在智能家居、樓宇自動化、工 業(yè)自動化、醫(yī)療領(lǐng)域等方面廣泛應(yīng)用。 

3 智能家居實(shí)訓(xùn)室建設(shè) 

智能家居實(shí)訓(xùn)平臺是物聯(lián)網(wǎng)開放型應(yīng)用環(huán)境之一，理論 與實(shí)踐相結(jié)合，使物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生掌握基本的工程布線技術(shù)、 網(wǎng)絡(luò)搭建、智能化項(xiàng)目的設(shè)備選型、工程設(shè)計、集成安裝與調(diào) 試。把教學(xué)實(shí)訓(xùn)和工程經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，具備工程展示、設(shè)備認(rèn)知、 理論實(shí)驗(yàn)、技能實(shí)訓(xùn)等功能 [5]。 

在實(shí)訓(xùn)室建設(shè)前期，學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)及物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教師對幾所 高校進(jìn)行了實(shí)地考察調(diào)研，并對幾家公司產(chǎn)品進(jìn)行對比，最終 選擇了廣州一家公司的智能家居沙盤。該智能家居沙盤實(shí)景模 型按照兩室三衛(wèi)一廳一花園戶型設(shè)計。智能家居沙盤裝配有 智能家居系統(tǒng)核心設(shè)備——智能家居網(wǎng)關(guān)、用于控制房間燈光 的智能開關(guān)、智能窗簾電機(jī)，智能插座。還可控制用于采集環(huán) 境數(shù)據(jù)的溫濕度傳感器，用于安防監(jiān)控的攝像頭、智能門磁、 人體感應(yīng)探測器以及用于遙控家電設(shè)備的紅外遙控器等設(shè)備。 本系統(tǒng)采用美國德州儀器 TI 公司生產(chǎn)的 CC2530 芯片來實(shí)現(xiàn) 家庭中各設(shè)備節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間的控制功能，所有設(shè)備之間均 采用 ZigBee 無線通信協(xié)議進(jìn)行互聯(lián)互通，如圖 1 所示。用戶 既可以直接使用配套提供的 Android App 軟件對整個智能家 居系統(tǒng)進(jìn)行控制，體驗(yàn)智能家居應(yīng)用，也可以根據(jù)配套提供二 次開發(fā)資源，設(shè)計并自行開發(fā)上位機(jī)軟件，完成物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的 課程實(shí)驗(yàn)。 

智能家居實(shí)訓(xùn)平臺包含燈光控制系統(tǒng)，智能音箱控制系 統(tǒng)，智能安防控制系統(tǒng)，智能窗簾控制系統(tǒng)等。 

（1）燈光控制系統(tǒng) 

智能燈光控制系統(tǒng)結(jié)合 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)、燈光控制面板 等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對房間燈光的智能化管理?；?ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程燈光控制模式，可實(shí)現(xiàn)燈光臨時、定時自動開關(guān)等功能； 手動燈光控制模式通過動手指對燈光控制面板的操作實(shí)現(xiàn)房 間內(nèi)手動燈光開關(guān)控制。 

（2）智能音箱控制系統(tǒng) 

智能音箱控制系統(tǒng)結(jié)合 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)、智能插座面板 及紅外轉(zhuǎn)發(fā)器等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對房間的多媒體設(shè)備的智能化管理。 通過智能插座面板遠(yuǎn)程控制音箱的電源 ；通過紅外轉(zhuǎn)發(fā)器模 擬遙控器遠(yuǎn)程操作紅外音箱。 

（3）智能安防控制系統(tǒng) 

數(shù)字安防系統(tǒng)通過 WiFi 攝像頭實(shí)現(xiàn)對房間視頻監(jiān)控功 能?；?WiFi 無線網(wǎng)絡(luò)或有線網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控功能 ；配 合其他硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)房間內(nèi)安防監(jiān)控功能。 

（4）智能窗簾控制系統(tǒng) 

智能窗簾控制系統(tǒng)結(jié)合 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)、窗簾電 機(jī)及導(dǎo)軌、開關(guān)面板等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對房間窗簾的智能化管理。 基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程窗簾控制功能，可遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對房間內(nèi)窗簾的開 關(guān)動作；手動開關(guān)控制功能通過窗簾控制面板實(shí)現(xiàn)手動控制房 間內(nèi)窗簾開關(guān)動作的目的。

該智能家居系統(tǒng)在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的主要功能是作為物聯(lián)網(wǎng) 工程專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)平臺使用，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目見表 1 所列。學(xué)生完 成全部實(shí)驗(yàn)便可以使用擅長的上位機(jī)開發(fā)語言進(jìn)行基于智能家 居概念的物聯(lián)網(wǎng)軟件設(shè)計。

4 結(jié) 語

智能家居實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)能滿足物聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)專業(yè)的實(shí)踐 教學(xué)需求，支持學(xué)生創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)、科技競賽等活動，可以比 較全面的展示物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，支持物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)科研項(xiàng)目的 研發(fā) [6]。實(shí)踐證明，智能家居實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)能讓課堂教學(xué)的 效果落到實(shí)處，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，提高了學(xué)生的動手操作 能力，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作能力，取得了良好的教學(xué)效果。 讓我們暢想 ：當(dāng)您回到家中，隨著門鎖被開啟，家中的安防系 統(tǒng)自動解除警戒，廊燈緩緩點(diǎn)亮，空調(diào)自動啟動，喜歡的音樂 輕輕響起，每天晚上所有的窗簾都會定時自動關(guān)閉，您外出之 前按一個鍵就可以關(guān)閉家中所有的燈和電器，在辦公室或出差 時打開電腦上網(wǎng)，家中的安全設(shè)備和家用電器立即呈現(xiàn)在用戶 面前……智能家居正一步步走進(jìn)人們的生活。