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《通用技術(shù)》選擇性必修6：智能家居應(yīng)用設(shè)計(jì)
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(jì)
教學(xué)背景
清晨，天慢慢亮了，臥室自動(dòng)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(huì)為你自動(dòng)調(diào)整洗浴水溫；智能廚房會(huì)為你自動(dòng)烹飪?cè)绮汀?br/>你是不是覺得這樣的智能生活離我們還很遙遠(yuǎn)？
實(shí)現(xiàn)人民對(duì)美好生活的向往是我們現(xiàn)代化建設(shè)的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。隨著國(guó)家堅(jiān)持把發(fā)展經(jīng)濟(jì)的著力點(diǎn)放在實(shí)體經(jīng)濟(jì)上，推進(jìn)新型工業(yè)化，加快建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)、質(zhì)量強(qiáng)國(guó)、航天強(qiáng)國(guó)、交通強(qiáng)國(guó)、網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)、數(shù)字中國(guó)的進(jìn)程，我國(guó)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(chǎng)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(shí)與技能目標(biāo):
1.認(rèn)識(shí)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(shí)例開始，通過調(diào)查、討論等活動(dòng)，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(duì)家庭生活方式的影響，形成親近、運(yùn)用智能科技的積極情感。
第二章通過對(duì)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(jiǎn)單的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(shí)例展示了各種智能家居產(chǎn)品，并讓同學(xué)們親歷一個(gè)智能家居產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程，掌握簡(jiǎn)易智能家居產(chǎn)品的安裝與調(diào)試，同時(shí)理解組網(wǎng)、通信和傳感器等的原理和功能。
第四章是一個(gè)較為完整的智能家居的設(shè)計(jì)、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(huì)需求分析。通過本章的學(xué)習(xí)，同學(xué)們還會(huì)學(xué)到智能家居的設(shè)計(jì)原則及對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化的方法。
學(xué)情分析:
學(xué)生對(duì)智能家居認(rèn)識(shí)有限，他們需要感受先進(jìn)技術(shù)在家庭生活中的運(yùn)用，需要一個(gè)集通信、計(jì)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(dòng)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(diǎn):
認(rèn)識(shí)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(qiáng)調(diào)實(shí)踐，在書中設(shè)置了“討論”“分析”“思考”“知識(shí)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(jì)　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(gè)復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)，其功能涉及人們生活起居的多個(gè)方面，目前分類方法眾多，根據(jù)中國(guó)室內(nèi)裝飾協(xié)會(huì)智能化委員會(huì)《智能家居系統(tǒng)產(chǎn)品分類指導(dǎo)手冊(cè)》的分類依據(jù)，智能家居系統(tǒng)產(chǎn)品共分為20個(gè)類別，其中主要有智能照明系統(tǒng)、智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、智能家電系統(tǒng)、智能安防報(bào)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(shí)現(xiàn)對(duì)全家燈光的智能管理，可以用遙控等多種智能控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)全宅燈光的遙控開關(guān)、調(diào)光，以及會(huì)客、影院等多種一鍵式燈光場(chǎng)景效果，從而實(shí)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(shí)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(cè)系統(tǒng)
智能環(huán)境監(jiān)測(cè)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(cè)儀等組成。采集器收集各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測(cè)中心，在監(jiān)測(cè)中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)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(shí)等多種控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)場(chǎng)景控制、遙控控制、手機(jī)和電腦遠(yuǎn)程控制等。
4．智能安防報(bào)警系統(tǒng)
智能安防報(bào)警系統(tǒng)同家庭的各種傳感器、緊急按鈕、探測(cè)器、攝像頭及執(zhí)行器等共同構(gòu)成家庭的安防體系。報(bào)警功能包括防火、防盜、煤氣泄漏報(bào)警及緊急求助等，可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)報(bào)警并及時(shí)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(dòng)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、手機(jī)遠(yuǎn)程控制、感應(yīng)控制、網(wǎng)絡(luò)控制、定時(shí)控制等。
不同的架構(gòu)有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，我們可以根據(jù)實(shí)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1-3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(gè)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1-5）（參見教材P11）。多功能傳感器可用來測(cè)量室內(nèi)溫度、濕度，也可以紅外偵測(cè)到移動(dòng)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(shí)會(huì)立即向手機(jī)報(bào)警。門窗傳感器的兩個(gè)部分安裝時(shí)其相互間的距離為5 cm左右，如果由于門窗打開而使門窗傳感器的兩個(gè)部分間距偏離15 mm以上時(shí)，傳感器會(huì)向手機(jī)發(fā)出報(bào)警。通過手機(jī)APP可以滿足對(duì)家里水、電、煤氣以及非法入侵的實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)。
討論
該智能家居套裝采用的是哪種架構(gòu)？有什么優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)？
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(diǎn)，可以互相補(bǔ)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。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(diǎn)，是智能家居未來的發(fā)展趨勢(shì)。無線組網(wǎng)包括射頻、ZigBee、藍(lán)牙、Wi-Fi、Z-Wave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(hào)的技術(shù)。電線將電能傳輸?shù)郊抑忻總€(gè)房間的用電設(shè)備，同時(shí)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(diǎn)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(jiǎn)單。運(yùn)用電力線載波技術(shù)組網(wǎng)的智能家居能實(shí)現(xiàn)的功能一般都比較簡(jiǎn)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X-10和PLC-BUS兩種。
知識(shí)窗
X-10
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(shí)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(duì)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(shí)，通常又稱為標(biāo)準(zhǔn)。
X-10是一種國(guó)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(gè)協(xié)議，那么各個(gè)廠商之間的產(chǎn)品就可以相互通用。
X-10設(shè)置簡(jiǎn)單，在使用時(shí)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(gè)智能家居系統(tǒng)。但是，由于電網(wǎng)的波動(dòng)、雜波的影響等電網(wǎng)特性的限制，X-10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，X-10響應(yīng)速度較慢，不太適合對(duì)響應(yīng)速度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)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RS-485、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)。總線技術(shù)相比無線技術(shù)，在穩(wěn)定性、可靠性方面具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，特別對(duì)于別墅、大面積住宅和商業(yè)場(chǎng)所的環(huán)境，是不錯(cuò)的選擇。
知識(shí)窗
RS-485
RS-485是一種常見的總線標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)容易、實(shí)現(xiàn)方便、成本及維護(hù)費(fèi)用較低，在通信距離為幾十米到上千米時(shí)，廣泛被采用。RS-485總線收發(fā)器具有高靈敏度，能探測(cè)低至200 mV的電壓，故傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)。但是，由于RS-485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(chǎng)上的RS-485的產(chǎn)品很多，但相互直接通信的能力較差。此外，RS-485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(shí)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：315 MHz、433 MHz、868 MHz、915 MHz等，其中433 MHz頻段是我國(guó)無須許可認(rèn)證、免費(fèi)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2.4 GHz（全球流行）、868 MHz（歐洲流行）和915 MHz（美國(guó)流行）三個(gè)頻段上，分別具有最高250 kbit/s、20 kbit/s和40 kbit/s的傳輸速率。它的傳輸距離為10～75 m，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IEEE 802.15.4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10 m以內(nèi)，能讓手機(jī)、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IEEE 802.15.1a技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
6．Wi-Fi技術(shù)
Wi-Fi俗稱無線寬帶，是一種短距離、高速、無線傳輸技術(shù)。在信號(hào)較弱或有干擾的情況下，帶寬能自動(dòng)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)305 m；在封閉性區(qū)域，通信距離為76～122 m。目前很多電子產(chǎn)品本身都支持Wi-Fi。
Wi-Fi采用的是IEEE 802.11技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
表1-4 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) X-10、PLC-BUS等 RS-485、LonWorks等 ZigBee、Wi-Fi等
是否需要重新布線 不需要 需要 不需要
安裝周期 幾個(gè)小時(shí) 幾天到一個(gè)月不等 幾個(gè)小時(shí)
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(hào)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(jí) 即插即升級(jí) 很難 比較容易
是否適合大眾消費(fèi) 是 不是 是
知識(shí)窗
IEEE及IEEE 802系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers），即電氣和電子工程師協(xié)會(huì)，是一個(gè)國(guó)際性的電子技術(shù)與信息科學(xué)工程師的協(xié)會(huì)，是目前全球最大的非營(yíng)利性專業(yè)技術(shù)學(xué)會(huì)，其會(huì)員人數(shù)超過40萬人，遍布160多個(gè)國(guó)家。IEEE致力于電氣、電子、計(jì)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(jì)算機(jī)、電信、生物醫(yī)學(xué)、電力及消費(fèi)性電子產(chǎn)品等領(lǐng)域已制定了900多個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)已發(fā)展成為具有較大影響力的國(guó)際學(xué)術(shù)組織。
IEEE 802委員會(huì)成立于1980年2月，IEEE 802系列標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 802 LAN/MAN 標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)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(gè)子標(biāo)準(zhǔn)都由委員會(huì)中的一個(gè)專門工作組負(fù)責(zé)。無線組網(wǎng)技術(shù)中的ZigBee、藍(lán)牙、Wi-Fi技術(shù)采用的都是IEEE 802系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
立即行動(dòng)
在兩臺(tái)不同手機(jī)之間嘗試通過藍(lán)牙技術(shù)來實(shí)現(xiàn)文件的傳遞。
學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)
　　　　　　　　　評(píng)價(jià)內(nèi)容 評(píng)價(jià)方式
自評(píng) 互評(píng) 師評(píng)
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(duì)家庭生活方式的影響
認(rèn)識(shí)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(shí)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(gè)Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)，并用手機(jī)連接該網(wǎng)絡(luò)。
2．用手機(jī)安裝一款智能家居遙控軟件，實(shí)際操作體驗(yàn)一下，并分析其界面設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)。
板書設(shè)計(jì)
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
智能照明系統(tǒng)
智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
智能家電系統(tǒng)
智能安防報(bào)警系統(tǒng)
智能家庭影院系統(tǒng)
......
二、智能家居系統(tǒng)的架構(gòu)
三、智能家居的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
電力線載波技術(shù)
總線技術(shù)
射頻技術(shù)
ZigBee技術(shù)
藍(lán)牙技術(shù)
Wi-Fi技術(shù)
教學(xué)反思
通用技術(shù)
選擇性必修6：智能家居應(yīng)用設(shè)計(jì)
普 通 高 中 教 科 書
主 編 劉瓊發(fā)
副 主 編：李 榕 周衛(wèi)星 朱美健 席春玲
本 冊(cè) 主 編：謝勝利 周衛(wèi)星
本冊(cè)副主編：肖 明 毛潤(rùn)政
編 寫 人 員：凌星星 曹宏欽 朱志琦 劉 方
廣東教育出版社
廣東科技出版社

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