基于智能家居的物联网技术实训平台设计研究

【摘要】信息化时代背景下，随着科学技术的飞速发展，智能家居已经成为了人们的一个热议话题。因此，为了符合高校物联网专业对实训设施提出的需求，应该构建一个以智能家居为基础的物联网技术实训平台，以此来培养学生的创新能力，提高他们的综合技能。基于此，文中重点分析了基于智能家居的物联网技术实训平台设计流程。

【关键词】智能家居;物联网技术;实训平台;设计

随着物联网产业同其他产业之间的相互融合，各种新型产品和服务形式开始不断涌现，从而在一定程度上推动了有关物联网技术专业的发展。另外，高校物联网技术专业课程也越来越注重硬件同软件技术的有机结合。物联网智能家居实训

平台的构建应该与国家工业与教育行业规范相符合，注重实训教学，以此来培养学生的就业能力。虽然我国生产教学设施的企业研发出了物联网实验箱等实训装置，但是由于这些装置的成本较高、系统控制方式过于单一，因此，无法使控制对象呈现出多样化。基于此，文中基于智能家居，应用ZigBee、WiFi等无线通信技术，构建了一个集多种功能于一体的综合实训平台，以此来激发学生的学习积极性，提升他们的实践操作能力。

1. 物联网智能家居系统的主要技术

第一，射频识别技術。此项技术属于一种非接触式智能身份识别技术，在系统中它通过射频信号，对目标进行自动识别，以此来获取有关数据。第二，无线传感器网络技术。此项技术是一个小型通信网络信息系统，它凭借自身的特点将非常灵活、可移动的组网方式提供给了系统，WSN集信息的采集、传输和处理功能于一体，从而符合了智能家居系统的信息管理需求。第三，短距无线通信技术。此项技术是由Wi-Fi、Bluetooth、NFC、ZigBee组成的，以上技术的特点为安全性较高、传输速度较快。第四，物联网网络安全。物联网智能家居不仅要应对安全问题，而且还需要对其他方面的问题加以解决，比方说，感知节点本地、无线传感器网络传输安全以及网络核心层信息传输安全问题，以免出现用户泄露信息的现象。

2.平台的构建需求

现如今，我国越来越注重物联网的发展，这主要是由于物联网在机器和设备制造以及产品研发方面发挥着至关重要的作用，现如今，行业也迫切需求此种类型的人才。另外，智能家居下的物联网实训平台还应该根据国家工业与教育行业规范，加强实训，以此来提高学生的就业能力。

2.1系统功能目标研究

从某种程度上来看，系统不仅要实现信息化与智能化的目标，而且还应该打破传统的人工管理模式。所以，不管是实训平台的人员，还是设备管理人员均应该采取信息化管理手段来代替之前的手工登记;另外，在检测实训平台环境的过程中，还应该利用传感器来监控实训平台的实际运行情况;并基于对物联网技术的应用，自动控制实训平台的门禁、窗帘、视频监控和空调等，以此来减少对电能的消耗。

2.2系统功能需求

系统不仅要具备用户和设备信息管理、实时监测数据、远程控制功能，而且还要具备一定的节能效率。所以，用户管理应该对各级用户加以区分，以此来确保教师与平台的管理者能够更改信息;另外，设备信息管理还应该能够修改、删除有关设备信息;就实训平台的情况而言，应该将各项数据的实时监控工作落实好，此外，还需要采集实训平台的数据。

2.3系统性能需求

要想确保平台的可用性，就应该构建完善的系统。因此，对系统进行设计前，应该将调研工作落实好，并建立需求分析文档。另外，在开发过程中，还应该对系统的延伸性加以考虑，并测试全部模块。其次，一定要确保系统的可靠性。由于系统需要监测实训平台的温度、湿度、光照，因此，实训平台一定要安全可靠，以防发生事故。最后，确保系统的兼容性与开放性。应用软件技术促使实训平台基于主流操作系统来运行，并确保其开放性，以此来实现系统升级。

3.系统结构设计

此实训平台的组成部分为设备域、云服务和应用域。整个实训平台以设备域控制系统为基础，该系统的组成部分是现场控制硬件和网关。由于涉及到通讯距离、费用、能耗和应用范围，因此，应用ZigBee技术对现场网络进行构建。

4.硬件设计

将CC2530作为硬件模块的核心板，配以ZigBee无线模块构建网络，网络呈星形结构，由1个协调器与多个终端节点组成。协调器的功能是对数据信息进行采集，对继电器加以控制，所获取的数据信息同网关进行通讯。将8051作为CC2530的内核，板载电压设定为3.3V。终端节点与协调器之间依托Zigbee进行网络通信，协调器和网关依托串口进行通信。

ZigBee网络中将终端节点作为基础节点，能够与传感器进行通讯，如果设置的程序不同，实现的功能也会有所不同。在终端节点模式下，ZigBee模块通电以后结合PanID等网络参数入网，然后保持休眠状态，待时序中断以后从传感器硬件中采集数据，并向协调器发送，或利用协调器的数据将唤醒中断，按照获取的数据对GPIO进行控制。

ZigBee网络以协调器为核心，其功能为向网关传送终端节点的数据，并对网关数据进行接收，结合数据种类向网络中的终端节点发送。ZigBee协调器只将串口作为输入和输出接口，要想与云服务器真正对接，就应该利用网关来转换协议，并对串口加以控制，然后将访问命令发出。所以，现场控制以网关为核心。

5.软件设计

5.1网关设计

“树莓派”硬件是网关运行的主阵地，其主要负责采用MQTT协议与云端应用进行数据通信。网关软件的模块内容体现如下：第一，串口数据访问;第二，报警规则定义;第三，设施设置管理;第四，实时控制;第五，数据同步。总而言之，网关不仅能够利用协调器接收传感器数据，而且还能够接收云端应用的指令，并向协调器发送，进而实现了对终端的控制。

5.2 云端软件设计

应用Java Web技术对云端应用模块进行构建，在云计算平台上运行，主要负责向用户提供远程控制、数据存储和可视化，另外，还能够将合适的API接口提供给手机应用。主要模块和功能具体体现如下：第一，报警规则定义;第二，数据同步;第三，远程控制（利用界面按钮开启、关闭用电器，运用MQTT下行主题将消息发送出去，通过网关对此主题接收消息进行订阅并让协调器对其加以处理。第四，历史数据（对保存在数据库里面的历史数据进行查询并将其呈现出来）;第五，数据可视化（将设施运行的全部数据与状态展示出来，构建数据分析报表与图形）;第六，移动API接口（采取RESTful形式将API接口提供给Android应用访问，其中可以采用HTTP协议对这些接口进行訪问）。网关和云端应用基于MQTT协议实现数据通信，并将MQTT服务器软件设置在云端服务器上，从而为网关与云端进行实时通讯创造条件。

5.3 手机端软件设计

应用Android技术设计手机端软件，依托于云端应用的RESTful API接口，在手机上对设备进行远程查看与控制。主要内容体现如下：第一，报警信息（将设备全部的报警信息显示出来，并对其加以处理）;第二，用电器控制（将启停电器的请求发给云端应用）;第三，安全模块（对设施防火、防盗等模块的开关加以控制）;第四，历史操作（根据各个时间段将报警信息显示出来，并对其加以处理）。

6. 结束语

综上所述，就当前而言，物联网在人们的生活和工作中发挥着至关重要的作用。所以，高校应该基于智能家居并结合实际需求构建一个实训平台，以此来帮助学生充分了解物联网以及智能家居。因此，文中基于智能家居，应用ZigBee、WiFi等无线通信技术设计出了不同类型的软件和硬件，另外，还构建了集多项功能于一体的实训平台。由于此平台具备开放性，因此，可以结合教学内容需求适当地增加或者是删减设备与软件模块。现如今，实训平台已经开始为物联网专业的实训教学提供服务。除此之外，大量实践教学表明，此平台还能够在有关的互联网技术专业课程的教学方面发挥出有效的辅助作用，从而不仅有助于培养学生的实践操作能力，让他们充分了解物联网技术应用项目，而且还能够推动其积极进行实践创新。

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作者简介：邓磊 四川江油人，中级讲师，从事嵌入式应用开发、无线传输技术研究.