物联网智能家居工程实验系统

二、系统构成
系统利用各种传感器测量家居环境参数，结合嵌入式数据库存储技术将历史数据统一保存管理；利用无线传感器网络统一管理各个节点；利用自动控制理论和反馈控制理论实现智能控制与无人值守；利用嵌入式 Linux 系统实现智能网关；利用 Android 系统实现智能终端，促使学生了解物联网技术在智能家居等现实环境的应用。
三、硬件组成
智能家居网板实训系统主要由环境感知设备、安防门禁设备、控制设备、视频监控设备、智能网关、智能终端、以及铝合金钢架结构组成。
1、环境感知设备
主要由传感器调理板、ZigBee 通信模块（或 315M/433M 通信模块）以及接口底板组成。本系统传感器包括空气温湿度传感器、光照度传感器、二氧化碳传感器、燃气探测传感器、烟雾探测器、以及红外探测器等，用于检测家居环境状况。
2、安防门禁设备
由可视门镜机、视频显示器、密码系统，机械带反馈电子锁，一键开门按钮，指纹识别系统、门磁探测器组成，实现指纹录入权限解锁，密码解锁，密码加身份识别解锁，一键解锁、可视门镜等功能。
3、控制设备
主要由执行设备、ZigBee 通信模块以及接口底板组成。因被控对象不同，主要分为交流供电型控制设备、红外控制设备。交流供电型控制设备，主要包括控制器和交流电器，控制器封装在标准的 86 盒内，交流电器只需插入 86 盒的两相或三相插座内即可实现电器的开关控制，如照明灯、警笛、窗帘、电视、音响、空调等。红外控制设备主要是学习遥控器的编码，用一个红外控制设备代替多个遥控器，如电视、空调等。
4、视频监控设备
它是一种视频服务器，具有 IP 地址和 MAC 地址，用于视频监测居室内安全状况。
5、 智能网关
主要用于传感层设备的数据处理以及接入上层云服务平台。主要由 Cortex-A8 主板组成，可升级为 A9 四核主板，整体封装在模具内，美观大方。主板集成 ZigBee 无线路由器通信模块，用于维护 ZigBee 网络，接收 ZigBee 传感器采样信息，向 ZigBee 控制设备发送控制命令。主板还集成 WiFi 模块，用于连接无线路由器，降低以太网布线的复杂度。同时，主板可扩展 GPRS、3G 或 4G 模块，将智能网关接入互联网，实现信息的远程可靠传输。
6、智能终端
Android 平板电脑，运行智能家居软件，实现家居环境监测、设备远程控制、以及视频监控等功能。
四、软件组成
系统软件默认采用 C/S 结构，主要包括无线网络传感器数据透明传输软件、智能网关基于 Qt 的智能家居系统软件、基于 Android 的智能家居系统软件、基于 C#的智能家居系统软件。同时系统提供基于 B/S 体系结构的智能家居网络化远程监控软件。
1、无线网络传感器数据透明传输软件
主要实现 ZigBee 网络的建立、节点的自动入网、节点休眠与唤醒、节点之间数据的透明传输、传感器节点的采样与传输、以及执行节点驱动设备的功能。
2、基于 Qt 的智能家居系统软件
智能网关运行嵌入式 Linux 操作系统，上电后即运行基于 Qt 的智能家居系统软件。它主要用来汇聚传感层的各种传感器节点，控制节点，并通过嵌入式数据库，保存所有节点的网络属性、传感器采样值、控制器状态等，允许用户在本地查看智能家居环境参数、安防设备的状态，以及控制家电设备等。同时它作为服务器，允许客户端如平板电脑等设备与其建立连接，实现 TCP/IP 通信。
3、基于 Android 的智能家居系统软件
平板电脑运行基于 Android 操作系统的智能家居监控软件。用户可以在平板上浏览家居环境参数、安防设备状态，远程控制家用电器（开关控制、红外遥控）等，并且可以访问网络摄像机，实现远程视频监控。
4、基于 C#的智能家居系统软件
系统还支持 C#智能家居系统软件。该软件不用智能网关，而使用普通 PC 机，通过串口与 ZigBee 协调器通信。基于 C#的智能家居软件就是通过串口编程、及时读取串口缓冲数据实现对传感层节点的管理的，主要实现家居环境监测、家居安防监测、家电设备控制以及视频监控等功能。
5、基于 Web 的智能家居网络化监控软件
该软件以智能网关为 Web 服务器，结合 CGI 应用程序接口、检测与控制应用程序、以及 HTML 网页，为用户提供 B/S 方式的访问与控制传感层节点的平台。
6、可接入理工云服务平台
五、系统功能
1、多种采集控制终端
2、环境自动监测与调节功能
通过温湿度传感器、光照度传感器对室内居住环境的状态进行 24 小时实时监测，所有监测数据可以实时显示在智能网关、PC 监控服务器、平板电脑监控终端的 GUI 界面上。系统可以通过预置的上下限，自动控制空调、窗帘的开关状态，调节居室环境。
3、安全自动监测与报警功能
通过烟雾探测器、燃气探测器模拟对居室火情、煤气泄漏等进行实时监测，所有监测数据可以实时显示在智能网关、PC 监控服务器、平板电脑监控终端、Web 监控终端的 GUI 界面上。系统可以通过预置的联动关系和设置异常气体浓度上下限，自动控制警笛报警，控制加湿器、窗帘等设备打开，调节居室环境。
4、安防自动监测与报警功能
通过门磁探测器、人体感应探测器、指纹识别器、可视门禁系统等对居室进行全方位实时监测，所有监测数据可以实时显示在智能网关、PC 监控服务器、平板电脑监控终端、Web监控终端的 GUI 界面上。一旦出现危险情况（如火灾、煤气泄漏或紧急求助）或非法入侵，智能家居控制系统就会通过预置的联动关系，自动控制警笛报警，及时播放险情，发送警情短信。用户可以通过平板电脑启动网络摄像头查看居室环境，远程控制窗帘、门锁，处理警情等。另外，门口机和室内机之间可实现可视对讲。
5、智能家电控制功能
智能控制支持自动控制与手动控制两种方式。自动控制由用户设置传感器节点与控制设备的对应、以及阈值设置即可实现。手动控制可通过智能网关、Android 智能终端、PC 监控服务器、Web 监控终端等四种不同的方式对吸顶灯、台灯、警笛、窗帘等进行开关控制，对电视、音响、空调等遥控开关类设备进行红外远程开关、调节控制。
（1）智能灯光控制系统
把所有能控制的电器组成一个管理系统，除了可以实现本地对家电的控制之外，还可以通过遥控、场景以及互联网等多种控制方式实现对电器的智能管理与控制。并且可以与环境监控系统结合，实现自动智能化管理。
（2）灯光情景控制模式：通过对智能开关的组合学习，可以对家庭单元的各个房间定义个性化的灯光场景需要。如：全开全关模式、家庭影院模式、会客模式、起早模式等；
（3）联动控制：灯光、电器(模拟空调)、电动窗帘三者的控制可以通过情景 控制模式联动，如门磁可以设定与灯光、窗帘、电器等设备的联动工作。比如：回家开门后，灯光打开、窗帘开启、空调开启等联动工作。
（4）电动窗帘系统：对窗帘进行智能控制和管理，可用软件遥控实现对窗帘的开关、停止等控制，以及一键式场景效果的实现。
6、Web 远程监控功能
系统支持网络化远程监测与控制功能。将智能网关与 PC 机处于同一个局域网内，在 PC的浏览器上输入智能网关 Web 服务器地址，如 192.168.1.20/FTRemote.html，即可打开 A8 web服务器的主页，主要实现传感器实时采集、历史数据、设备控制、视频监控等功能。互联网远程实时动态摄像监控，可通过手机、电脑实时动态监控样板间的情况。
六、教学资源
智能家居监控系统覆盖了 ZigBee 无线传感器网络、Linux 智能网关、Android 智能终端、PC 监控服务器、Web 远程监控等五部分，因此系统提供了丰富的课程实验，包括 zigbee 基础采集传输实验，网关智能家居应用实验，Android 智能家居应用实验，PC 智能家居应用实验、Web 的智能家居网络远程监控实验等，一条线贯穿，让学生在实验中逐步领悟物联网的体系结构，关键技术以及实现方式，适合不同课程，不同侧重点的教学、实验和实训。为方便用户教学和学习，系统还提供了一本使用手册和一本实验指导书。
1、基础实验能力