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2024-04-05

智能家居物联网实训室建设的探讨

智能家居物联网实训室是一个专注于智能家居和物联网技术的教学与实践环境。它主要提供给学生一个实际操作的平台,使他们能够更深入地理解和应用物联网技术。

在智能家居物联网实训室中,通常配备了各种先进的物联网设备和系统,如网络交换机、路由器、无线接入点等网络设备,用于搭建物联网设备之间的通信网络,实现设备之间的数据传输和交互。此外,还有各种智能家居子系统的设备,如IP路由器、调光驱动器、移动感应器、触摸屏、电话网关等,用于构建完整的智能家居系统。

在实训室内,学生可以学习和掌握物联网技术的基本原理和应用,包括智能家居系统的设计与配置、设备连接与调试、远程控制与管理等。同时,实训室也提供相关的软件工具和开发环境,供学生进行物联网应用的开发、管理和监控。这些软件工具可能包括物联网云平台、云服务平台和开发工具集等,帮助学生将理论知识应用于实际项目中。

通过智能家居物联网实训室的实践学习,学生可以提升自己的实践能力和解决问题的能力,为未来从事物联网工程相关工作打下坚实的基础。此外,实训室也为学生提供了一个展示自己创新能力的平台,他们可以设计和开发具有实际应用价值的智能家居解决方案,提升自己的竞争力。

1.智能家居物联网实训室方案
1.1实训室群建设论证思路
面向未来,围绕专业建设服务区域经济,构建可持续发展的产教融合模式;坚持为院校、师生、社会带来正向效应的共益思维;打造以点带面,领头发展的专业群建设,匹配人才培养方案,实现1+X的培养模式。

培养学生的应用能力和解决问题能力是教育的核心目标,相较于CDIO的工程教育理念,在物联网人才培养理念上,更倾向于培养融合创新型复合人才,因为物联网本身就是一门综合型应用学科,另外人才的发展是一个多层次立体的变化过程,中职物联网专业人才的核心能力应包括技术应用能力,方案设计能力和市场能力;即Engineering+Design+Business,对应到实训室建设,则应该建设三个实验室以适配多层次立体型的实训教学。
1.1.1 智能家居展厅建设必要性
一直以来物联网,智能家居,很多人觉得离我们都太遥远了,但智能家居展厅,也许可以让我们发现,这些概念、产品正走进我们千家万户,不同以往的展厅是产品不是直接摆放,而是实景应用摆放,比如智能无线门锁那它就装好在门上,智能无线开关那它就装在墙面上。

智能家居展厅为师生提供物联网学习环境和智能家居生活体验,让学生通过实践操作更为透彻地理解相关理论知识,并具备产业实践的能力。

为各级领导提供一个直观展示教学成果和教学方法的场所,更有利于表现物联网专业建设的先进示范和实用。

为社会合作伙伴提供现场观摩体验和洽谈合作的舒适环境。

1.2 实训室群建设的目标和意义
1.2.1 实训室群建设目标
实训室群建设的目标是建立体系完善的物联网智能家居职业技能培养与实训中心。建立集教学、实训、创新、演示和技能培养于一体的综合性平台,围绕物联网技术领域,同时兼顾当前流行前沿技术的发展趋势,注重各种技术之间的融合与灵活应用,既能满足日常教学要求,同时注重项目实训及创新实验需求,又可以灵活组合、并提供随主流技术不断发展的拓展性与升级。实训室群应能实现如下目标:

理论知识教学目标:

通过实训资源中物联网、智能家居、综合布线等知识库、硬件设备库、软件库、应用方案库的学习,让学生了解、并掌握物联网的理论知识。

系统选型设计目标:

通过实训系统,让学生能根据定制化产品设计方案,选型物联网智能家居系统设备,能从产品目标市场、功能需求、系统需求等方面进行物联网智能家居系统方案设计。

安装与调试目标:

通过技能实训,让学生能根据物联网智能家居方案,工作任务书要求,按照物联网智能家居规范与标准,实现物联网智能家居设备的安装与调试、网络环境搭建、整个智能家居系统的调试与测试。

系统检测与运维目标:

通过技能实训,让学生能根据物联网智能家居方案,工作任务书要求,按照物联网智能家居运维手册,能使用专用仪器完成网络性能测试、物联网智能家居检测分析并完成 检测报告和撰写解决方案,能对设备进行管理、检验、日常运维、排除系统故障、安全防护等,能对数据进行备份、存储与加密。

系统开发目标:

通过开发学习,让学生能根据系统设计书要求,按照开发手册,实现云资源申请与部署,实现云接口设计与定义,实现云设备接入与管理,实现应用业务运行,实现数据备份、存储、加密与迁移等。

培养创新能力目标:

为学生提供宽松的学习环境、丰富多样的硬件设备及应用方案库,鼓励学生创新试验,培养学生创新、创意、开拓能力。

1.2.2 实训室群建设意义
通过物联网理实一体实训及技能培训室群的建设,我们所期望的愿景如下:

1、提升专业建设质量

支持院校深化教育教学改革,人才培养方案改革、一体化实训室建设做出探索。

整合各类资源,开拓性的建设集技能培训、技能鉴定、职场体验、技术服务、短期培训、系统设计、产品生产、应用试点8大功能于一身“认证培训基地”,系统设计、实施生产性实训和顶岗实习,强化教学过程的实践性、开放性和职业性,探索建立“校中企”、“企中校”等形式的实践教学基地,创建优秀技能型专门人才培养体系。

企业对培训合格的师生颁发物联网专业行业认证证书,也可以联合工业与信息化部、人力资源与设备保障部等相关部门,对有意向参加相关部委技能鉴定的学校学生提供培训机会,并颁发技能鉴定证书。

2、实理一体,创新工程教学模式

培养从事物联网智能家居领域的系统设计、安装调试、检测运维、系统分析及系统开发的高技能人才。培养学生合理的知识结构,具备扎实的物联网理论与实践知识,并具备在物联网领域跟踪新知识、新技术的能力以及较强的物联网应用能力。

通过理论课程的教学并结合实训室的实验,让学生亲自动手,接触各种实训室设备。最终达到能让学生独立构架各种物联网应用系统,能够对物联网设备进行安装调试、检测运维和分析设计。通过理论与实践的结合,感知体验及动手的结合、方案设计和实际验证的结合,提高学生的动手能力,积累实践经验,从而提高学生的水平。

3、产学研合一,提升科研服务能力

物联网、云计算、大数据、人工智能是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮,是“十三五”规划中引领中国经济再创奇迹,全面实现小康社会的重要推动力。这些全新的技术领域,包含RFID射频技术、有线传感技术、无线传感技术、数据交换与网络异构、终端管理等关键技术。实训室设备通过射频识别等设备与互联网连接起来,实现智能化识别和管理,通过建设各类型物联网实训室为教师提供行业应用研究的科研平台,通过实训室促进教师与科研人员进行更好的教学研究。

师资是学校提高教学质量的保证,师资是基础,有了专业的老师,能把物联网课程开办成精品课程。实训室群能为院校提供专门的师资培养系统,帮助学校培养物联网专业的教师,这些师资同时是院校的宝贵资源,他们在教学中的意见和建议是院校不断前进的动力。

4、搭建继续教育平台,构建学习型社会

继续教育是面向学校教育之后所有社会成员特别是成人的教育活动,是终身学习体系的重要组成部分。继续教育是指已经脱离正规教育,已参加工作和负有成人责任的人所接受的各种各样的教育。是对专业技术人员进行知识更新、补充、拓展和能力提高的一种高层次的追加教育。继续教育是人类社会发展到一定历史阶段出现的教育形态,是教育现代化的重要组成部分。在科学技术突飞猛进、知识经济已见端倪的今天,继续教育越来越受到人们的高度重视,它在社会发展过程中所起到的推动作用,特别是在形成全民学习、终身学习的学习型社会方面所起到的推动作用,越来越显现出来。

实训室为众多已步入社会的在职人员及教师,提供了继续教育的广阔平台,在提高自身工作技能、激发创业创新、获得技能资格认证方面都提供了专门的硬件与软件服务,是服务本地社会发展的又一重大贡献。

5、推动“双创”教育,培养创新人才

实训室的建成,一方面要推动有效地服务实体经济发展和转型升级。包括以科技成果转移转化为重点,扩大“双创”的源头供给;与“中国制造2025”等重大战略紧密结合,促进龙头骨干企业在研发、生产、营销、服务、管理等方面的改革创新;培育更多富有活力的中小微企业,为经济发展注入新技术、新装备、新模式,培育新业态,催生新产业。

另一方面,要进一步提升服务于创新创业的能力。其中包括提供全程化的配套支持,为创新创业者提供工业设计、检验检测、模型加工、知识产权、专利标准等相关服务;为创新创业者提供个性化的高端、具专业特色和定制化的增值服务;为创业者提供专业化的创业辅导,通过凝聚一批熟悉产业领域的创业导师和培训机构,开展创业培训、举办各类创业活动,为创新创业者提供更加适合产业特点的创业辅导服务,提高创新创业者的专业素质和能力。

6、加强学术交流,推动国际合作

实训室将以多种形式来加强本地与全国,甚至世界范围在物联网、互联网+、云计算、智能家居、现代职业教育等方面的交流与合作,搭建广泛参与的学术交流平台。包括每年举办大型的研讨会、论坛、邀请全国及世界范围的有关专家学者,共同为中国经济转型发展、现代职业教育转型献计献策,同时也向外定期输出年轻的教师加强培训与学习。可以为优秀学生提供海外游学服务,或者师资的短期交换学习。

7、以赛促教,支持全国技能大赛

实训平台可以为师生提供物联网学习、项目开发、竞赛实训的条件,实训室的落成,具备了支持举办各类市级、省级和全国性院校大赛的硬件与软件环境。全国性职业学校技能大赛是中华人民共和国教育部发起,联合国务院有关部门、行业和地方共同举办的一项年度全国性职业教育学生竞赛活动。为充分展示职业教育改革发展的丰硕成果,集中展现职业学校师生的风采,努力营造全社会关心、支持职业教育发展的良好氛围,促进职业学校与行业企业的产教结合,更好地为中国经济建设和社会发展服务。是专业覆盖面最广、参赛选手最多、社会影响最大、联合主办部门最全的国家级职业学校技能赛事。

8、立足区域产业,服务特色经济

本实训室将真实展示出物联网技术、云计算大数据技术、互联网+如何服务于智慧物流、智能家居,包括智慧商超、智慧办公、智慧冷链物流与智能家居体系。并让学生体系化学习以上行业应用的部署、实施与开发等环节,紧密与当地经济特色结合,毕业即能为当地社会与经济发展做出积极贡献。

1.2.3实训室群建设愿景
考虑到当前的社会发展状况及学生就业和发展的现状,应加强对物联网实训教学和区域经济市场结合的探索。依托物联网实训室群建设,构建开放的、共同参与的、共益的、可持续的产教合作模式,合作的基础在于提升老师参与建设的积极性,在参与中提升师资队伍水平,在参与区域经济的过程中逐步打造特色高水平的物联网专业,并带动相关专业的同步提升。在条件允许的情况下,考虑物联网专业的国际化,提升学生综合素质和职业生涯质量。

1.3  智能家居展厅建设内容
1.3.1智能家居展厅
1.3.1.1 应用展厅设计概述
一直以来物联网,智能家居什么的,很多人觉得离我们都太遥远了,但智能家居展厅,可以让我们发现,这些概念、产品正走进我们千家万户,不同于传统展厅使用产品直接摆放方式,而是使用应用实景展示,比如智能无线门锁装好在门上,智能无线开关装在墙面上,而且跨界融合了灯光,安防,影音,家居等各类行业,有智能客厅,智能厨房,智能卧室,智能办公室等,是一站式物联网智能家居体验馆。

智能家居展厅为师生提供物联网学习环境和智能家居生活体验,让学生通过实践操作、场景体验更为透彻地理解相关物联网理论知识。

本实训室的建设原则遵循职业学校学生学习方式与就业方向特点,制定相应的建设原则,以达到实训室能真正全面满足学校日常教学、行业实训、技能培养等多方面的要求。故建议遵从以下三方面建设原则:

技术全面化

智能家居展厅引入物联网企业商业化级产品体系,融合产业发展趋势,项目设计模式吻合教学实训体系,全面覆盖当今及今后若干年主流物联网行业相关技术。实训室不仅可以支持物联网培训认证和职业技能认证所要求掌握的技术,还全面涵盖了物联网专业所涵括的基础课和专业课,诸如:物联网概论、智能家居系统设计、计算机网络、传感器原理、无线通信原理、无线传感器网络、近距无线传输技术、综合布线、物联网组网技术、智慧安防实训、环境监测实训、智能家居实训等均可在此完成,并可加以创新和拓展。

业务典型化

智能家居展厅应着眼于解决物联网技术实际应用与就业层面的问题。将物联网行业多年成功的商业模式及成熟的行业应用如智能家居、智能安防、综合布线、智慧小区等转化为典型的业务场景用于支撑物联网行业应用实训,使学生在实训的同时,了解、融入真实行业产业应用。

应用教学化

智能家居展厅将以上所述全面涵盖物联网主流与行业标准技术,转化为能全面结合教学的解决方案,硬件与软性教学资源相结合,解决学生培养和定位的问题。通过物联网实训平台、展示墙、行业应用实训场景等多种形态、多种应用的设备以及物联网技术体验中心,实现理论与实践的结合,感知体验与动手的结合、方案设计与实际验证的结合。最终让职业学校学生在“学中做,做中学”,牢牢掌握就业所需相关知识与技能。


一、系统主要组成
智能家居实训系统为一套标准两室一厅智能家居实验平台。应包含七大家庭控制中心(门庭控制中心、客厅控制中心、厨房餐厅控制中心、卫生间过道控制中心、主卧室控制中心、次卧室控制中心、阳台控制中心),以及一套智能家居管理软件。
七大家庭控制中心通过以太网与家庭信息互联处理中心联系,达到家庭安全防护系统、网络服务系统和家庭自动化系统组成的家庭综合服务与管理集成系统的目的,从而实现全面的安全防护、便利的通讯网络以及舒适的居住环境的家庭住宅。
部分家庭控制中心说明
(1)餐厅、厨房控制中心
餐厅、厨房控制中心包含智能家居控制器、多功能面板、节能灯、排气扇、智能插座、电饭锅、电茶壶、烟火灾探测器、可燃气体探测器。多功能面板控制灯及排气扇;烟火灾探测器、可燃气体探测器配合组成安防系统;智能插座控制和采集电饭锅、电茶壶的电源和电量信息,可合理分配用电负荷。多功能面板和智能插座通过总线与智能家居控制器通讯,也可独立工作。
(2)卫生间、过道控制中心
卫生间、过道控制中心包含智能家居控制器、多功能面板、节能灯、排气扇、智能插座、洗衣机、电热水器。多功能面板控制灯及排气扇;烟火灾探测器、可燃气体探测器配合组成安防系统;智能插座控制和采集洗衣机、电热水器的电源和电量信息,可合理分配用电负荷。多功能面板和智能插座通过总线与智能家居控制器通讯,也可独立工作。
(3)主卧室控制中心
主卧室控制中心包含智能家居控制器、扩展模块、触摸屏、多功能面板、智能调光开关、红外转发器、空调电视机、智能插座、智能光强及温湿度计、电动窗户及电动窗帘。触摸屏与智能家居控制器通讯,可实现遥控、遥信、遥调及情景模式的设定;智能调光开关调节白炽灯的亮度、也可通过总线与智能家居控制器通讯,通过情景模式智能调节白炽灯的亮度;红外探测器配合组成安防系统;智能插座控制和采集相关用电设备电源和电量信息,可合理分配用电负荷;智能光强及温湿度计显示采集主卧室温湿度及光照度,并通过总线传递给智能家居控制器;电动窗帘、电动窗户配合阳台控制中心的风雨探测器、光强及温湿度计自动开合窗帘及窗户,并通过总线与智能家居控制器通讯。
(4)次卧室控制中心
次卧室安装配置控制中心,包含智能家居控制器、触摸屏、多功能面板、节能灯、智能插座。触摸屏通过总线与智能家居控制器通讯,可实现遥控、遥信、遥调及情景模式的设定;多功能面板控制灯;智能插座控制和采集相关用电设备电源和电量信息,可合理分配用电负荷;多功能面板和智能插座通过总线与智能家居控制器通讯,也可独立工作。
(5)门庭控制中心
门庭控制中心安装包含智能家居控制器、多功能面板、节能灯、门铃、摄像头。多功能面板控制节能灯;智能家居控制器控制门铃;摄像头连接路由器。
(6)客厅控制中心
客厅控制中心安装包含智能家居控制器、多功能面板、节能灯、空调电视机、智能插座、红外转发器、路由器。多功能面板控制节能灯的开启和关闭、也可通过与智能家居控制器通讯开启和关闭;智能插座控制和采集相关用电设备电源和电量信息,可合理分配用电负荷;红外转发器可控制电视机和空调的远程开启和关闭,路由器提供家庭WIFI组装应用,用于设备联网和摄像头连接。
(7)阳台控制中心
阳台控制中心安装包含智能家居控制器、多功能面板、节能灯、风雨探测器、智能温湿度计。多功能面板控制节能灯,可以通过智能家居控制器进行联网控制,风雨探测器检测是否有风雨、智能温湿度计监测温湿度通过智能家居控制器进行数据上传。
(8)电脑桌
铝型材框架,钢制托盘及挡板。
二、能够完成的实验科目
1.搭建基本框架
(1)系统组成和基本原理认识
(2)系统布局、安装和综合布线
(3)各传感单元的测试
(4)各智能单元的测试
(5)系统网络搭建、网络配置和测试
2.智能模块实验(本地控制)
(1)HOME-STM32 智能家居控制器基础实验
1.1 GPIO通用IO口蜂鸣器实验
1.2十路隔离IO输入-EXTI中断实验
1.3八路IO继电器输出实验
1.4 Systick系统滴答定时例程实验
1.5 普通定时器TIM1—TIM8实验
1.6 IWDG看门狗系统定时复位实验
1.7通用定时器TIMx实验
1.8 SPI FLASH(SST25VF016B)读写例程实验
1.9 USART通信实验
1.10 DMA串口通信实验
1.11 系统通信实验
(2)HOME-AC DIMMER 交流调光灯实验
2.1脉冲编码开关原理及计数实验
2.2脉冲编码开关控制调光灯的亮度实验
(3)HOME-INFR 热释电模块实验
3.1人体红外热释电感应实验
(4)HOME-INFRARED 红外转发器实验
4.1红外发射实验
4.2红外接收实验
4.3基于IIC存储器读写实验
4.4空调、电视机红外遥控实验
(5)HOME-LIGHT多功能面板实验
5.1基于TS04触摸按键控制实验
5.2 LED灯及白炽灯的开关控制实验
(6)HOME-SOCKET智能插座实验
6.1 基于空调、洗衣机、电茶壶、电饭煲控制及电能检测综合实验
(7)HOME-MOT 窗帘窗户模块实验
7.1电动窗帘控制实验
7.2电动窗户控制实验
7.3 基于电动窗帘窗户联合控制综合实验
(8)HOME-RS485 RS485扩展实验
8.1 RS485通信扩展实验
(9)HOME-TEMP 温湿度光强模块实验
9.1基于TSL2561T(IIC)传感器的光强测量实验
9.2 基于DHT11传感器的温湿度测量实验
9.3 光强、温湿度及时钟实时显示综合实验
3.系统连网实验(远程监控)
(1)上位机软件的安装及使用说明
(2)开关量传感单元连网实验
(3)开光量实验(红外、烟雾探测器、玻璃破碎、风雨光感应器等)
(4)智能单元连网实验(交流调光灯、电动窗帘窗户等)
(5)网络摄像头连网实验
(6)基于MCGS触摸屏和Labview同步显示和控制的单个房间连网系统实验
(7)基于MCGS触摸屏和Labview同步显示和控制多个房间连网系统实验
(8)用户自己可以扩展做各种情景模式(回家模式、度假模式、睡觉模式等)
三、技术参数
1.输入电源:单相AC220V±10%  50±2%Hz;
2.整机容量:≤2kVA;
3.外形结构:铝型材框架,钢制网孔板;
4.装置提供RS-485和以太网两种通讯接口;
5.智能电源管理系统具有过温、短路、过流、过压、欠压、失压、功率限定7大保护功能;电源具有一键锁定功能,处理故障时,防止漏电保护器合闸,造成触电危险;电源具有故障锁定功能,发生故障导致跳闸时,不能人为上电,只能通过远程清除故障后,才能上电成功;能通过无线4G和有线以太网与手机APP和PC端云平台通讯,没有网络的情况下,教室整套智能电源管理系统可离线独立运行。
1)智能终端:智能电源管理系统以32位ARM为核心,采用4.3寸彩色触摸屏为人机交互界面,实时监控设备运行情况,提供Zigbee、CAN等多种通信模式,具备语音播报功能。能实时监测三相电压、电流、功率,功率因数、频率、电能等参数,液晶触摸屏监测数值。能监控实验室电源的故障类型和故障次数;设备时间管理包含年月日时间的显示;用户通过刷卡方式请求开启设备,PC端进行授权之后,设备可启动使用,PC端可分时预约设备的启动和停止。
2)手机APP:用电状态界面实时显示当前电压、电流、有无功功率、电能、设备温度、漏电电流值等;用电数据界面能智能查找近2年用电数据,设置界面能设置限定电能值、负载值、设备超温值、过欠压值、过欠压恢复时间值等。后台查看报警日志、操作日志、故障日志等。控制:可在微信小程序中远程控制智能开关的通断。
3)PC端软件:每个设备状态信息显示,具有多个子界面,具有故障分析,用电能效分析、集中管理、个人中心资料管理、用户报警定位跟踪与信息统计;具有管理员信息修改与权限管理等功能。可一键开启和关闭所有设备,可单独控制每台设备的开关。
4)后台系统:包含账号管理、设备管理、报修管理、用户管理,设备管理:①、包含监控管理:实时视频监控每个教室,可一键预览所有设备的在线和运行情况,分析设备使用率及运行时间。②、包含设备节点:可显示设备所在位置、编码名称、挂载情况、用户编辑、用户查询等。报修管理:用户可进行远程报修,反应设备故障信息,编辑报修情况,后台可进行远程维护,及时跟进,以有效解决用户设备维护。用户管理:可连通手机号,对账户进行一对一的安全加密,实名认证,防止账户泄密、防盗,现场数据连接云平台后台数据库管理。
四、设备配置清单

序号 控制中心名称 装置名称 数量 备注
1 餐厅厨房控制中心 智能家居控制器 1  
多功能面板 1  
节能灯控制主板 1  
排气扇控制主板 1  
节能灯 1  
排气扇 1  
智能插座主板 1  
电饭锅 1  
电茶壶 1  
烟火探测器 1  
可燃气体探测器 1  
空开、漏电保护 1  
电源/5A 1  
2 卫生间过道控制中心 智能家居控制器 1  
多功能面板 1  
节能灯控制主板 1  
排气扇控制主板 1  
节能灯 1  
排气扇 1  
智能插座主板 1  
洗衣机 1  
电热水器 1  
空开、漏电保护 1  
电源/5A 1  
3 主卧室控制中心 智能家居控制器 1  
扩展模块 1  
触摸屏 1  
多功能面板 1  
节能灯控制主板 1  
节能灯 1  
智能调光开关 1  
红外转发器 1  
空调电视机 1  
智能插座(2个) 2  
智能光强计 1  
智能温湿度计 1  
电动窗户及主板 1  
电动窗帘及主板 1  
风雨探测器 1  
空开、漏电保护 1  
电源/5A 1  
4 次卧控制中心 智能家居控制器 1  
触摸屏 1  
多功能面板 1  
节能灯控制主板 1  
节能灯 1  
智能插座主板 1  
空开、漏电保护 1  
电源/5A 1  
5 门庭控制中心 智能家居控制器 1  
多功能面板 1  
节能灯控制主板 1  
节能灯 1  
IC门禁控制器 1  
门铃主板 1  
人体感应模块 1  
空开、漏电保护 1  
电源/5A 1  
摄像头 1  
6 客厅控制中心 智能家居控制器 1  
多功能面板 1  
节能灯控制主板 1  
节能灯 1  
空调电视机 1  
智能插座(2个) 2  
红外转发器主板 1  
4G路由器 1  
空开、漏电保护 1  
电源/5A 1  
7 阳台控制中心 智能家居控制器 1  
多功能面板 1  
节能灯控制主板 1  
节能灯 1  
风雨探测器 1  
智能温湿度计 1  
空开、漏电保护 1  
电源/5A 1  
8 上位机软件 定制设计 1  
9 工具 香蕉连接线 1  
仿真器 1  
485、串口调试器 1  
测试网线 1