資源簡介

普 通 高 中 教 科 書
《通用技術》選擇性必修6：智能家居應用設計
第三章 智能家居簡易產品設計
第 二 節 產品方案設計
教學設計
教學背景
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；智能衛浴會為你自動調整洗浴水溫；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？
實現人民對美好生活的向往是我們現代化建設的出發點和落腳點。隨著國家堅持把發展經濟的著力點放在實體經濟上，推進新型工業化，加快建設制造強國、質量強國、航天強國、交通強國、網絡強國、數字中國的進程，我國的科學技術得到了高速的發展。這種帶有科幻色彩的生活場景，已經逐漸走進了人們的生活。小到智能電燈、智能門鎖，大到智能臥室、智能廚房，各種各樣的智能產品已經漸漸地融入了我們的生活，這些就是同學們將在本書學習的內容——智能家居。
教學目標：
知識與技能目標:
1.從實際情況出發，確定智能家居系統的需求，確定系統實現需要。
2.能對智能家居系統的安全性、功耗進行分析，設計安全可靠、低功耗的智能家居產品。
3.結合軟硬件的接口標準和通信協議，理解組網、通信的原理與功能。
教學內容分析:
第一章從與同學們生活密切相關的典型實例開始，通過調查、討論等活動，使同學們了解智能家居的系統特征及技術標準，感悟智能科技應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。
第二章通過對物聯網技術的技術構成、結構特征、技術標準及傳感器的介紹，使同學們了解物聯網通信標準在智能家居領域的應用，并通過簡單的物聯網系統的設計，了解物聯網的應用，理解智能家居與物聯網的關聯性。
第三章通過實例展示了各種智能家居產品，并讓同學們親歷一個智能家居產品的設計過程，掌握簡易智能家居產品的安裝與調試，同時理解組網、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計、優化與搭建過程，通過情景描述的方式，使同學們掌握與用戶進行溝通的方法，并學會需求分析。通過本章的學習，同學們還會學到智能家居的設計原則及對方案進行優化的方法。
學情分析:
學生對智能家居產品設計認識有限，他們需要學習有關智能家居產品設計的知識。
現代家庭通常都有電視機、音響、電冰箱、空調、洗衣機等各類家用電器，也有窗簾、門鎖、電燈等設備。通過應用計算機、通信和控制技術，將這些電器和設備互聯起來，構建一個智能家居系統，實現家居安防、互動娛樂、通信和電器設備的遠程控制等服務，已經成為未來家庭生活的發展趨勢。本章通過學習簡易智能家居產品的原型構建、程序設計、硬件配置，以達到初步掌握智能家居產品一般設計方法的目的。
教學重難點:
從實際情況出發，確定智能家居系統的需求，確定系統實現需要。
能對智能家居系統的安全性、功耗進行分析，設計安全可靠、低功耗的智能家居產品。
結合軟硬件的接口標準和通信協議，理解組網、通信的原理與功能。
教學策略:
始終強調實踐，在書中設置了“討論”“分析”“思考”“知識窗”等欄目。這些欄目的設置，為同學們自主學習、合作學習和探究學習提供了方便。
教學準備:
展示用的圖片、其他技術產品、多媒體課件。
教學過程:
情景導入:
老師：本節課我們學習《通用技術》選擇性必修6：智能家居應用設計　第三章 智能家居簡易產品設計第 二 節 產品方案設計。
從第一章的學習中，我們知道，智能家居主要有智能照明系統、智能家電系統、智能環境監測系統、智能安防報警系統、智能家庭影院系統等子系統，如圖3-13所示。
下面我們將通過設計一個簡易的智能家居產品——智能照明系統，讓同學們對智能家居系統設計做進一步的了解。
需求背景
小明家是五年前裝修的，家里電腦能通過無線路由器連接到外網，但沒有預留多余的有線網絡接口，他希望利用所學的智能家居方面的知識將家庭某房間的照明改裝成智能照明系統，可以通過手機移動終端來控制燈光開關。
了解了小明的需求背景及要求后，小明家的智能照明系統應該如何設計？我們要結合小明的需求，確定設計方案。
一、可行性分析
由于小明家不屬于新家裝用戶，所以設計的方案將不選用有線組網方式，而是全部選用無線組網方式，這樣既安裝便利，又盡量減少對原有裝修的破壞。通過前面的學習，我們知道有藍牙、Wi-Fi、射頻等無線組網方式。針對小明的需求，我們可以設計兩個方案。
1．方案1
開源硬件可以作為智能家居的控制主機，我們可以使用價格較便宜、性能較簡單的開源硬件Arduino UNO主控板作為方案1的控制主機，手機作為控制終端。編寫程序，用手機通過藍牙去控制Arduino UNO主控板，再通過Arduino UNO主控板去控制燈泡，從而達到用手機控制燈泡的目標。
2．方案2
方案1需要用戶自己有一定的程序編寫能力，且Arduino UNO主控板性能較簡單，不利于后期功能的拓展。因此，我們可以使用商用智能家居網關作為控制主機，觸摸開關、手機、平板電腦等作為控制終端，直接使用商用智能家居網關現成的軟件平臺進行設置控制，后期系統功能如果需要拓展也非常方便。
二、關鍵技術
通信技術是智能家居的關鍵技術之一。在方案1中，手機通過藍牙技術與接有藍牙模塊的Arduino UNO主控板進行通信，Arduino UNO主控板控制直接相連的繼電器模塊，繼電器模塊再控制直接相連的燈泡。在方案2中，手機、平板電腦等移動終端通過移動通信技術或Wi-Fi技術與路由器通信，路由器通過網線與網關通信，網關通過射頻技術與帶有RF433無線通信模塊的觸摸開關通信，觸摸開關控制直接相連的燈泡。
立即行動
上網查找資料，想一想RF433無線傳輸與Wi-Fi無線傳輸有什么區別？
知識窗
繼電器是一種電控制的開關器件（圖3-14），它用一個小電流（低電壓）去控制一個大電流（高電壓）的開與關。它有一個輸入回路，一般接低壓電源；還有一個輸出回路，一般接高壓電源。
繼電器的輸出回路一般有三個觸點，中間的觸點是動觸點（公共端），其他兩個觸點是靜觸點。輸入回路不通電時，動觸點總是與一個靜觸點斷開（稱為常開），與另一個靜觸點閉合（稱為常閉）。輸入回路通電后，動觸點與常開觸點閉合，與常閉觸點斷開。
三、產品方案
方案1系統框圖如圖3-15所示。
方案2系統框圖如圖3-16所示。
立即行動
1．上網查詢資料，設計表格，從實用性、可靠性、安裝簡易性、經濟性、安全性等方面比較方案1和方案2的優缺點。
2．智能照明系統方案2的主要耗電來自哪些方面，可通過什么途徑或方法降低功耗？
3．你覺得智能家居的安全隱患主要來自哪些方面？怎樣預防？
知識窗
我國有關智能家居的安全標準在很長時間內都處于空白，2018年，中國智能家居產業聯盟正式發布《智能家居網絡系統安全技術要求》。它對智能家居系統中的設備按照安全的重要程度進行了分級，區分了關鍵設備和一般設備，對家庭主機、云控制平臺等設備提出了高等級的安全要求，對電加熱器、大功率設備提出了可靠操作和有害操作識別的要求，對一般設備也提出了基本的信息安全要求。
藍牙技術
藍牙技術是一種無線數據和語音通信開放的全球規范，它是基于低成本的近距離無線連接，為固定和移動設備建立通信環境的一種特殊的近距離無線技術連接。
藍牙使當前的一些便攜移動設備和計算機設備能夠不需要電纜就能連接到互聯網，并且可以無線接入互聯網。
原理
藍牙是一種無線技術標準，可實現固定設備、移動設備和樓宇個人域網之間的短距離數據交換(使用2.4~2.485GHz的ISM波段的UHF無線電波)。藍牙可連接多個設備，克服了數據同步的難題。
藍牙技術是世界著名的5家大公司一愛立信(Ericsson)、諾基亞(Nokia)、東芝(Toshiba)、國際商用機器公司(IBM)和英特爾(Intel)，于1998年5月聯合宣布的一種無線通信新技術。藍牙設備是藍牙技術應用的主要載體，常見藍牙設備比如電腦、手機等。藍牙產品容納藍牙模塊，支持藍牙無線電連接與軟件應用。藍牙設備連接必須在一定范圍內進行配對。這種配對搜索被稱之為短程臨時網絡模式，也被稱之為微微，可以容納設備最多不超過8臺。藍牙設備連接成功，主設備只有一臺，從設備可以多臺。藍牙技術具備射頻特性。采用了TDMA結構與網絡多層次結構，在技術上應用了跳頻技術、無線技術等，具有傳輸效率高、安全性高等優勢，所以被各行各業所應用。
特點
藍牙技術及藍牙產品的特點主要有：
1 藍牙技術的適用設備多，無需電纜，通過無線使電腦和電信連網進行通信。
2 藍牙技術的工作頻段全球通用，適用于全球范圍內用戶無界限的使用，解決了蜂窩式移動電話的國界障礙。藍牙技術產品使用方便，利用藍牙設備可以搜索到另外一個藍牙技術產品，迅速建立起兩個設備之間的聯系，在控制軟件的作用下，可以自動傳輸數據。
3 藍牙技術的安全性和抗干擾能力強，由于藍牙技術具有跳頻的功能，有效避免了ISM頻帶遇到干擾源。藍牙技術的兼容性較好，藍牙技術已經能夠發展成為獨立于操作系統的一項技術，實現了各種操作系統中良好的兼容性能。
4 傳輸距離較短：現階段，藍牙技術的主要工作范圍在10米左右，經過增加射頻功率后的藍牙技術可以在100米的范圍進行工作，只有這樣才能保證藍牙在傳播時的工作質量與效率，提高藍牙的傳播速度。另外，在藍牙技術連接過程中還可以有效的降低該技術與其他電子產品之間的干擾，從而保證藍牙技術可以正常運行。藍牙技術不僅有較高的傳播質量與效率，同時還具有較高的傳播安全性特點。
5 通過跳頻擴頻技術進行傳播：藍牙技術在實際應用期間，可以原有的頻點進行劃分、轉化，如果采用一些跳頻速度較快的藍牙技術，那么整個藍牙系統中的主單元都會通過自動跳頻的形式進行轉換，從而將其以隨機的進行跳頻。由于藍牙技術的本身具有較高的安全性與抗干擾能力，在實際應用期間可以藍牙運行的質量。
系統組成
1 底層硬件模塊。
藍牙技術系統中的底層硬件模塊由基帶、跳頻和鏈路管理。其中，基帶是完成藍牙數據和跳頻的傳輸。無線調頻層是不需要授權的通過2.4GHz ISM頻段的微波，數據流傳輸和過濾就是在無線調頻層實現的，主要定義了藍牙收發器在此頻帶正常工作所需要滿足的條件。鏈路管理實現了鏈路建立、連接和拆除的安全控制。
2 中間協議層。
藍牙技術系統構成中的中間協議層主要包括了服務發現協議、邏輯鏈路控制和適應協議、電話通信協議和串口仿真協議四個部分。服務發現協議層的作用是提供上層應用程序一種機制以便于使用網絡中的服務。邏輯鏈路控制和適應協議是負責數據拆裝、復用協議和控制服務質量，是其他協議層作用實現的基礎。
3 高層應用。
在藍牙技術構成系統中，高層應用是位于協議層最上部的框架部分。藍牙技術的高層應用主要有文件傳輸、網絡、局域網訪問。不同種類的高層應用是通過相應的應用程序通過一定的應用模式實現的一種無線通信。
課后作業
習 題
1．從用戶需求的角度去看，智能家居單品和智能家居系統各有什么優缺點？小明的需求能否采用市場上的智能家居單品來滿足？
2．如果小明希望走進洗手間，洗手間的燈就會自動亮起來，需要使用什么傳感器？如果需要客廳的燈能隨著自然光線的強度而自動調節到合適的亮度，需要使用什么傳感器？
嘗試在方案2的基礎上設計添加傳感器。
板書設計
第三章 智能家居簡易產品設計
第 二 節 產品方案設計
一、可行性分析
方案1
方案2
二、關鍵技術
三、產品方案
方案1
方案2
教學反思
通用技術
選擇性必修6：智能家居應用設計
普 通 高 中 教 科 書
主 編 劉瓊發
副 主 編：李 榕 周衛星 朱美健 席春玲
本 冊 主 編：謝勝利 周衛星
本冊副主編：肖 明 毛潤政
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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