普通高中教科書《通用技術(shù)》選擇性必修6：智能家居應(yīng)用設(shè)計第一章智能家居架構(gòu)與功能第三節(jié)智能家居系統(tǒng)的分類、架構(gòu)及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)設(shè)計教學(xué)背景清晨，天慢慢亮了，臥室自動響起輕柔的音樂把你喚醒；房間亮起柔和的燈光；智能衛(wèi)浴會為你自動調(diào)整洗浴水溫；智能廚房會為你自動烹飪早餐……你是不是覺得這樣的智能生活離我們還很遙遠(yuǎn)？實現(xiàn)人民對美好生活的向往是我們現(xiàn)代化建設(shè)的出發(fā)點和落腳點。隨著國家堅持把發(fā)展經(jīng)濟(jì)的著力點放在實體經(jīng)濟(jì)上，推進(jìn)新型工業(yè)化，加快建設(shè)制造強國、質(zhì)量強國、航天強國、交通強國、網(wǎng)絡(luò)強國、數(shù)字中國的進(jìn)程，我國的科學(xué)技術(shù)得到了高速的發(fā)展。這種帶有科幻色彩的生活場景，已經(jīng)逐漸走進(jìn)了人們的生活。小到智能電燈、智能門鎖，大到智能臥室、智能廚房，各種各樣的智能產(chǎn)品已經(jīng)漸漸地融入了我們的生活，這些就是同學(xué)們將在本書學(xué)習(xí)的內(nèi)容——智能家居。教學(xué)目標(biāo)：知識與技能目標(biāo):1.認(rèn)識智能家居系統(tǒng)的分類和架構(gòu)。2.了解智能家居的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及物聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)在智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用。教學(xué)內(nèi)容分析:第一章從與同學(xué)們生活密切相關(guān)的典型實例開始，通過調(diào)查、討論等活動，使同學(xué)們了解智能家居的系統(tǒng)特征及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，感悟智能科技應(yīng)用對家庭生活方式的影響，形成親近、運用智能科技的積極情感。第二章通過對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的技術(shù)構(gòu)成、結(jié)構(gòu)特征、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及傳感器的介紹，使同學(xué)們了解物聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)在智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用，并通過簡單的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計，了解物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，理解智能家居與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)聯(lián)性。第三章通過實例展示了各種智能家居產(chǎn)品，并讓同學(xué)們親歷一個智能家居產(chǎn)品的設(shè)計過程，掌握簡易智能家居產(chǎn)品的安裝與調(diào)試，同時理解組網(wǎng)、通信和傳感器等的原理和功能。第四章是一個較為完整的智能家居的設(shè)計、優(yōu)化與搭建過程，通過情景描述的方式，使同學(xué)們掌握與用戶進(jìn)行溝通的方法，并學(xué)會需求分析。通過本章的學(xué)習(xí)，同學(xué)們還會學(xué)到智能家居的設(shè)計原則及對方案進(jìn)行優(yōu)化的方法。學(xué)情分析:學(xué)生對智能家居認(rèn)識有限，他們需要感受先進(jìn)技術(shù)在家庭生活中的運用，需要一個集通信、計算、控制等技術(shù)于一體的應(yīng)用性學(xué)習(xí)窗口。智能家居融合了物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、生物技術(shù)、大數(shù)據(jù)、自動控制等先進(jìn)技術(shù)，意在創(chuàng)設(shè)一種智慧感知、協(xié)調(diào)控制、智能互聯(lián)、方便快捷的家居生活環(huán)境。教學(xué)重難點:認(rèn)識智能家居系統(tǒng)的分類和架構(gòu)。了解智能家居的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及物聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)在智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用。教學(xué)策略:始終強調(diào)實踐，在書中設(shè)置了“討論”“分析”“思考”“知識窗”等欄目。這些欄目的設(shè)置，為同學(xué)們自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)和探究學(xué)習(xí)提供了方便。教學(xué)準(zhǔn)備:展示用的圖片、其他技術(shù)產(chǎn)品、多媒體課件。教學(xué)過程:情景導(dǎo)入:老師：本節(jié)課我們學(xué)習(xí)《通用技術(shù)》選擇性必修6：智能家居應(yīng)用設(shè)計第一章智能家居架構(gòu)與功能第三節(jié)智能家居系統(tǒng)的分類、架構(gòu)及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。一、智能家居系統(tǒng)的分類智能家居是一個復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)，其功能涉及人們生活起居的多個方面，目前分類方法眾多，根據(jù)中國室內(nèi)裝飾協(xié)會智能化委員會《智能家居系統(tǒng)產(chǎn)品分類指導(dǎo)手冊》的分類依據(jù)，智能家居系統(tǒng)產(chǎn)品共分為20個類別，其中主要有智能照明系統(tǒng)、智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、智能家電系統(tǒng)、智能安防報警系統(tǒng)、智能家庭影院系統(tǒng)等。1．智能照明系統(tǒng)智能照明系統(tǒng)實現(xiàn)對全家燈光的智能管理，可以用遙控等多種智能控制方式實現(xiàn)對全宅燈光的遙控開關(guān)、調(diào)光，以及會客、影院等多種一鍵式燈光場景效果，從而實現(xiàn)智能照明的節(jié)能、環(huán)保、舒適、方便的功能。根據(jù)環(huán)境及用戶需求的變化，只需修改軟件設(shè)置就可以實現(xiàn)燈光布局的改變和功能的擴(kuò)充。2．智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集中心軟件、數(shù)據(jù)采集器、溫濕度傳感器、地溫傳感器、噪聲傳感器、光傳感器、氣體傳感器、PM2.5空氣質(zhì)量檢測儀等組成。采集器收集各個傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測中心，在監(jiān)測中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲和實時顯示等操作。3．智能家電系統(tǒng)智能家電系統(tǒng)可以通過遙控、定時等多種控制方式實現(xiàn)對家里的飲水機(jī)、插座、空調(diào)、地暖、投影機(jī)、新風(fēng)系統(tǒng)等的智能控制，還可以通過有線或無線控制的方式實現(xiàn)場景控制、遙控控制、和電腦遠(yuǎn)程控制等。4．智能安防報警系統(tǒng)智能安防報警系統(tǒng)同家庭的各種傳感器、緊急按鈕、探測器、攝像頭及執(zhí)行器等共同構(gòu)成家庭的安防體系。報警功能包括防火、防盜、煤氣泄漏報警及緊急求助等，可實現(xiàn)對陌生人入侵、盜竊、火災(zāi)、煤氣泄漏、緊急求助等意外事故的自動報警并及時通知主人。5．智能家庭影院系統(tǒng)智能家庭影院系統(tǒng)是指在傳統(tǒng)家庭影院的基礎(chǔ)上加入智能家居控制功能，把家庭影音室內(nèi)所有影音設(shè)備（功放、音響、投影機(jī)、投影幕、高清電視機(jī)等）以及影院環(huán)境設(shè)備（空調(diào)、地暖、電動窗簾等）巧妙且完整地智能控制起來，創(chuàng)造更舒適、便捷、智能的家庭影院視聽與娛樂環(huán)境，以達(dá)到最佳的觀影、聽音樂或者游戲娛樂的視聽效果。二、智能家居系統(tǒng)的架構(gòu)從技術(shù)角度看，智能家居系統(tǒng)是由基于嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)（也稱為智能家居控制主機(jī)）、有線或者無線通信網(wǎng)絡(luò)、控制終端、傳感器、家用電器、智能插座等受控設(shè)備組成的。從控制方式角度看，智能家居架構(gòu)有本地控制、遙控控制、集中控制、遠(yuǎn)程控制、感應(yīng)控制、網(wǎng)絡(luò)控制、定時控制等。不同的架構(gòu)有不同的優(yōu)缺點，我們可以根據(jù)實際情況按需選擇。智能家居系統(tǒng)常見的架構(gòu)可以分為三種，如表13所示。案例智能家居套裝2014年，某公司推出了智能家居套裝，該套裝中包含一個家居網(wǎng)關(guān)，另配有四款智能家居產(chǎn)品：智能插座、多功能傳感器、門窗傳感器以及水浸傳感器（圖15）（參見教材P11）。多功能傳感器可用來測量室內(nèi)溫度、濕度，也可以紅外偵測到移動感應(yīng)。如果家中有陌生人闖入，多功能傳感器也能捕捉到，同時會立即向報警。門窗傳感器的兩個部分安裝時其相互間的距離為5cm左右，如果由于門窗打開而使門窗傳感器的兩個部分間距偏離15mm以上時，傳感器會向發(fā)出報警。通過APP可以滿足對家里水、電、煤氣以及非法入侵的實時安全監(jiān)測。討論該智能家居套裝采用的是哪種架構(gòu)？有什么優(yōu)點和缺點？三、智能家居的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)智能家居涉及很多技術(shù)，相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也非常多。其中，組網(wǎng)技術(shù)是智能家居重要的技術(shù)，組網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是智能家居重要的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。智能家居組網(wǎng)技術(shù)有有線組網(wǎng)和無線組網(wǎng)兩種方式。這兩類技術(shù)各有優(yōu)缺點，可以互相補充。有線組網(wǎng)包括電力線載波（PLC）技術(shù)和總線技術(shù)。在早期的智能家居中，多數(shù)智能家居產(chǎn)品以有線連接為主，有線方式具有抗干擾能力強等優(yōu)點。而無線組網(wǎng)去掉了煩瑣的布線，且具有維修服務(wù)方便、綠色環(huán)保的優(yōu)點，是智能家居未來的發(fā)展趨勢。無線組網(wǎng)包括射頻、ZigBee、藍(lán)牙、WiFi、ZWave等無線技術(shù)。1．電力線載波技術(shù)電力線載波技術(shù)是一種利用電力線路來傳輸智能家居控制信號的技術(shù)。電線將電能傳輸?shù)郊抑忻總€房間的用電設(shè)備，同時也將家中所有的電器連成了家庭網(wǎng)絡(luò)。電力線載波技術(shù)的最大特點是不需要重新架設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)，只要家里有電線，就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，安裝設(shè)置比較簡單。運用電力線載波技術(shù)組網(wǎng)的智能家居能實現(xiàn)的功能一般都比較簡單，主要是智能照明控制和智能家電控制，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要有X10和PLCBUS兩種。知識窗X10為了在不同通信環(huán)境和不同的設(shè)備之間進(jìn)行通信，人們制定了很多協(xié)議。協(xié)議實際上是一種約定，設(shè)備之間遵循同一種約定才能夠互相接收和理解對方發(fā)送的信息。當(dāng)協(xié)議被相關(guān)機(jī)構(gòu)認(rèn)定或得到廣泛的認(rèn)可時，通常又稱為標(biāo)準(zhǔn)。X10是一種國際上通用的智能家居電力線載波協(xié)議。它具有良好的兼容性，只要產(chǎn)品廠商遵循這個協(xié)議，那么各個廠商之間的產(chǎn)品就可以相互通用。X10設(shè)置簡單，在使用時將控制盒和組件插入室內(nèi)不同的電源插座，家用電器設(shè)備就插在這些控制組件上，可以方便地構(gòu)建一個智能家居系統(tǒng)。但是，由于電網(wǎng)的波動、雜波的影響等電網(wǎng)特性的限制，X10傳輸?shù)姆€(wěn)定性得不到保證，系統(tǒng)的穩(wěn)定性比較差。另外，X10響應(yīng)速度較慢，不太適合對響應(yīng)速度要求較高的應(yīng)用場合。2．總線技術(shù)總線技術(shù)是指將所有設(shè)備的通信與控制都集中在一條總線上，總線技術(shù)要重新布線，適合新裝修用戶。智能家居中多采用雙絞線作為控制總線，主要總線標(biāo)準(zhǔn)有RS485、KNX、LonWorks、CAN等，這幾種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本相同，不同的只是通信協(xié)議和接口。在智能家居中，穩(wěn)定性、可靠性和可擴(kuò)展性是非常重要的性能指標(biāo)?？偩€技術(shù)相比無線技術(shù)，在穩(wěn)定性、可靠性方面具有絕對優(yōu)勢，特別對于別墅、大面積住宅和商業(yè)場所的環(huán)境，是不錯的選擇。知識窗RS485RS485是一種常見的總線標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)簡單、設(shè)計容易、實現(xiàn)方便、成本及維護(hù)費用較低，在通信距離為幾十米到上千米時，廣泛被采用。RS485總線收發(fā)器具有高靈敏度，能探測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù)。但是，由于RS485僅規(guī)定了物理層的電氣連接規(guī)范，導(dǎo)致每家使用該技術(shù)的公司都需要自行定義自己產(chǎn)品的通信協(xié)議，這樣也造成了盡管市場上的RS485的產(chǎn)品很多，但相互直接通信的能力較差。此外，RS485總線還存在抗干擾能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性不理想等問題，因此不適于構(gòu)建大中型的控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。3．射頻技術(shù)射頻技術(shù)中最為常見的是射頻通信技術(shù)與無線射頻識別技術(shù)（RFID），其中射頻通信技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的技術(shù)，其技術(shù)成熟，擁有多種工作頻段：315MHz、433MHz、868MHz、915MHz等，其中433MHz頻段是我國無須許可認(rèn)證、免費的專用收發(fā)的頻段。4．ZigBee技術(shù)ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低速率的雙向無線通信技術(shù)，ZigBee可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（歐洲流行）和915MHz（美國流行）三個頻段上，分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率。它的傳輸距離為10～75m，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee采用的是IEEE802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。5．藍(lán)牙技術(shù)藍(lán)牙技術(shù)是一種短距離的無線通信技術(shù)，其通信距離一般在10m以內(nèi)，能讓、平板電腦、筆記本電腦等設(shè)備之間進(jìn)行方便、快速的無線信息交換。藍(lán)牙技術(shù)采用的是IEEE802.15.1和IEEE802.15.1a技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。6．WiFi技術(shù)WiFi俗稱無線寬帶，是一種短距離、高速、無線傳輸技術(shù)。在信號較弱或有干擾的情況下，帶寬能自動降低，以保障網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。在開放性區(qū)域，通信距離可達(dá)305m；在封閉性區(qū)域，通信距離為76～122m。目前很多電子產(chǎn)品本身都支持WiFi。WiFi采用的是IEEE802.11技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。表14不同組網(wǎng)技術(shù)的比較特性種類電力載波類總線類無線類典型技術(shù)X10、PLCBUS等RS485、LonWorks等ZigBee、WiFi等是否需要重新布線不需要需要不需要安裝周期幾個小時幾天到一個月不等幾個小時設(shè)備方便性方便需專業(yè)人員配置方便兼容性比較好比較好易受無線信號干擾是否可按需選配隨意選配可選配空間較小隨意選配是否便于升級即插即升級很難比較容易是否適合大眾消費是不是是知識窗IEEE及IEEE802系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)IEEE（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers），即電氣和電子工程師協(xié)會，是一個國際性的電子技術(shù)與信息科學(xué)工程師的協(xié)會，是目前全球最大的非營利性專業(yè)技術(shù)學(xué)會，其會員人數(shù)超過40萬人，遍布160多個國家。IEEE致力于電氣、電子、計算機(jī)工程和與科學(xué)有關(guān)的領(lǐng)域的開發(fā)和研究，在太空、計算機(jī)、電信、生物醫(yī)學(xué)、電力及消費性電子產(chǎn)品等領(lǐng)域已制定了900多個行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)已發(fā)展成為具有較大影響力的國際學(xué)術(shù)組織。IEEE802委員會成立于1980年2月，IEEE802系列標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802LAN/MAN標(biāo)準(zhǔn)委員會制定的局域網(wǎng)、城域網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這一系列標(biāo)準(zhǔn)中的每一個子標(biāo)準(zhǔn)都由委員會中的一個專門工作組負(fù)責(zé)。無線組網(wǎng)技術(shù)中的ZigBee、藍(lán)牙、WiFi技術(shù)采用的都是IEEE802系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。立即行動在兩臺不同之間嘗試通過藍(lán)牙技術(shù)來實現(xiàn)文件的傳遞。學(xué)習(xí)評價評價內(nèi)容評價方式自評互評師評理解智能家居的含義，能比較智能家居生活與傳統(tǒng)家居生活的不同，感受到智能科技對家庭生活方式的影響認(rèn)識智能家居系統(tǒng)的基本功能，了解智能家居系統(tǒng)的特性認(rèn)識智能家居系統(tǒng)的分類和架構(gòu)，了解智能家居的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及物聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)在智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用說明：A—優(yōu)秀，B—良好，C—合格，D—待改進(jìn)通過本章的學(xué)習(xí)，你的核心素養(yǎng)得到了哪些發(fā)展？課后作業(yè)習(xí)題1．在家里嘗試用路由器搭建一個WiFi無線網(wǎng)絡(luò)，并用連接該網(wǎng)絡(luò)。2．用安裝一款智能家居遙控軟件，實際操作體驗一下，并分析其界面設(shè)計的優(yōu)缺點。板書