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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
第四章　 智能家居系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
第 二 節(jié) 方案設(shè)計與優(yōu)化
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？
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)濟的著力點放在實體經(jīng)濟上，推進新型工業(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：
知識與技能目標:
1.知道智能家居的設(shè)計原則。
2.設(shè)計智能家居系統(tǒng)并對方案進行優(yōu)化。
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)標準，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)標準及傳感器的介紹，使同學(xué)們了解物聯(lián)網(wǎng)通信標準在智能家居領(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)計原則及對方案進行優(yōu)化的方法。
學(xué)情分析:
學(xué)生對智能家居產(chǎn)品設(shè)計設(shè)計和實現(xiàn)認識有限，他們需要學(xué)習(xí)有關(guān)智能家居產(chǎn)品設(shè)計的知識。
智能家居綜合設(shè)計是整個項目實施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要整合用戶需求分析、功能選項、設(shè)備選項、系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)采集、信息傳輸、施工實施等多方技術(shù)、方式、方法，從而達到滿足用戶智能家居生活需求的目的。
智能家居系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的流程包括用戶需求分析、功能設(shè)計、方案設(shè)計、方案優(yōu)化、系統(tǒng)搭建實現(xiàn)等。
教學(xué)重難點:
知道智能家居的設(shè)計原則。
設(shè)計智能家居系統(tǒng)并對方案進行優(yōu)化。
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　第四章智能家居系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 第 二 節(jié) 方案設(shè)計與優(yōu)化。
一、方案設(shè)計
1．設(shè)計原則
衡量一個智能家居系統(tǒng)成功與否，不僅取決于智能化系統(tǒng)的先進性或集成度，而更多地取決于智能化系統(tǒng)的設(shè)計和配置是否經(jīng)濟、合理，智能化系統(tǒng)能否正常運行，智能化系統(tǒng)的使用、管理和維護是否方便，智能化系統(tǒng)或產(chǎn)品的技術(shù)是否成熟適用等。換句話說，就是要以最合理的投入、最簡單的實現(xiàn)路徑來換取最大的功效，實現(xiàn)便捷、高質(zhì)量的生活。因此，在設(shè)計智能家居時必須遵循一定的設(shè)計原則。
（1）實用性。
在設(shè)計智能家居系統(tǒng)時，應(yīng)根據(jù)用戶對智能家居功能的需求，整合最實用、最基本的家居控制功能，產(chǎn)品以實用性、易用性和人性化為主。
（2）方便性。
布線是否簡單直接關(guān)系到成本、可擴展性、可維護性等方面，盡量選擇布線簡單的系統(tǒng)；為了讓用戶操作便捷，設(shè)計用戶操作流程時需盡量簡單和方便；另外，系統(tǒng)在工程安裝調(diào)試中的方便性也是非常重要的。
（3）可靠性。
智能家居系統(tǒng)應(yīng)能每天24小時運轉(zhuǎn)，必須對系統(tǒng)的可靠性和容錯能力予以高度重視。對各個子系統(tǒng)中的電源、系統(tǒng)備份等方面采取相應(yīng)的容錯措施，保證系統(tǒng)正常、安全運行。
（4）安全性。
安全性是設(shè)計任何系統(tǒng)首先要考慮的問題，因此在設(shè)計智能家居時也必須考慮安全問題。一方面，在設(shè)計時確保智能家居系統(tǒng)不會被其他信息干擾或者被不法分子控制；另一方面，在設(shè)計時需要盡可能地提高住戶和家居的安全。
（5）標準性。
智能家居系統(tǒng)方案的設(shè)計應(yīng)依照國家和地區(qū)的有關(guān)標準進行，確保系統(tǒng)的擴充性和擴展性，在系統(tǒng)傳輸上采用標準的TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以保證不同廠商之間的系統(tǒng)可以兼容與互聯(lián)。
案例
小陳和張先生充分溝通后，根據(jù)張先生的場地情況、生活需求、預(yù)算及其家庭基本情況，確定了張先生對智能家居的綜合需求：簡單智能照明系統(tǒng)、簡單智能電動窗簾、簡單智能家電系統(tǒng)、簡單智能安防報警系統(tǒng)等，要達到下面幾項功能。
（1）通過觸摸智能開關(guān)控制照明燈光的開關(guān)，同時也可通過移動終端實現(xiàn)本地和遠程控制燈光的開關(guān)。
（2）通過遙控開關(guān)控制電動窗簾的開合及停止，同時也可通過移動終端實現(xiàn)本地和遠程控制窗簾的開合及停止。
（3）通過移動終端實現(xiàn)本地和遠程控制空調(diào)的開關(guān)、調(diào)溫，以及電視機的開關(guān)與調(diào)臺。
（4）實現(xiàn)當觸發(fā)紅外探測器時會報警，并可通過本地或遠程查看監(jiān)控攝像頭的圖像。
2．系統(tǒng)方案
根據(jù)案例中張先生家智能化改造要實現(xiàn)的功能，小陳設(shè)計的智能家居總體框架如圖4-5（參見教材P72）所示。
當用戶用移動終端（如手機、平板電腦）發(fā)出控制命令后，通過移動通信網(wǎng)絡(luò)或者本地Wi-Fi把該命令發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)先解析該命令，然后再將該命令通過各種無線或有線的方式與受控設(shè)備（如攝像頭）或控制設(shè)備（如智能開關(guān)）進行通信，受控設(shè)備（或控制設(shè)備）收到網(wǎng)關(guān)發(fā)出的控制命令后，執(zhí)行相應(yīng)的操作。相反，當受控設(shè)備的狀態(tài)發(fā)生變化時，會把自身的狀態(tài)信息反饋給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)再通過網(wǎng)絡(luò)反饋給手機或平板電腦。
3．系統(tǒng)設(shè)計
（1）要實現(xiàn)張先生家遠程控制家用電器和觀看監(jiān)控攝像頭的功能，需要引入智能家居網(wǎng)關(guān)并連入云平臺。為了縮短開發(fā)時間、節(jié)約成本，本設(shè)計直接采用商用家居網(wǎng)關(guān)。
立即行動
以小組為單位，調(diào)查市場上的商用家居網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品并進行對比，填寫在表4-3中。
表4-3 商用家居網(wǎng)關(guān)對比
參數(shù) 常見品牌
（2）所有控制設(shè)備采用無線通信控制方式來實現(xiàn)。
傳統(tǒng)的智能家居一般采用綜合布線的方式來實現(xiàn)家電設(shè)備之間互連，但是綜合布線方式不僅工程量大、成本高、線路復(fù)雜，同時由于有新的設(shè)備加入或者原有設(shè)備位置的移動，需要重新布線。當前無線通信技術(shù)飛速發(fā)展，基于無線通信的智能家居系統(tǒng)，具有免布線、安裝方便等優(yōu)點。無線通信方式多種多樣，特別適合案例中張先生提出“在施工的過程中不破壞原有的裝修，盡量少布線，施工工期不要太長，以免影響我們的正常生活”的要求。
在第一章，我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了當前智能家居無線通信技術(shù)的主流有射頻技術(shù)、Zigbee技術(shù)、Wi-Fi技術(shù)、藍牙技術(shù)等。
立即行動
1．通過互聯(lián)網(wǎng)查詢以及根據(jù)第一章學(xué)習(xí)的內(nèi)容，對射頻、Zigbee、Wi-Fi、藍牙等無線通信方式進行對比，填寫在表4-4中。
表4-4 無線通信方式對比
參數(shù) 無線通信方式
射頻 Zigbee Wi-Fi 藍牙
工作頻率
傳輸速率（bps）
傳輸距離
穿透能力
成本
功耗
2．討論：網(wǎng)關(guān)與攝像頭通信時，哪些通信參數(shù)是比較重要的？攝像頭、智能開關(guān)采用的通信方式一致嗎？
（3）將原有的機械式電器控制開關(guān)更換為智能觸摸開關(guān)。
（4）將原有的窗簾導(dǎo)軌更換為射頻通信電動窗簾導(dǎo)軌。
（5）使用紅外線中繼轉(zhuǎn)發(fā)器控制空調(diào)、電視機。
（6）采用IP攝像頭查看家中情況；使用無線紅外探測器防盜。
最后完成的智能家居系統(tǒng)設(shè)計如圖4-6（參見教材P74）所示。
二、方案優(yōu)化
作為智能家居工程師，必須因地制宜，從用戶的需求出發(fā)，設(shè)計符合用戶需求的方案，并逐步完善和優(yōu)化方案。在進行系統(tǒng)方案優(yōu)化之前，我們可以聯(lián)系前面學(xué)習(xí)的智能家居系統(tǒng)具有的特性，對方案進行有的放矢的修改，實現(xiàn)理想的設(shè)計目標。
（1）在系統(tǒng)構(gòu)成的靈活度方面。智能家居系統(tǒng)是由各個子系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)通信等各種技術(shù)組合而成的，各個子系統(tǒng)應(yīng)能夠獨立地工作，當需要減少或者增加子系統(tǒng)時，其他系統(tǒng)的正常工作不應(yīng)受到影響，而且最好是以即插即用的方式實現(xiàn)增加子系統(tǒng)；設(shè)備采用無線組網(wǎng)方式來實現(xiàn)快速部署系統(tǒng)，減少家庭的布線，減少對家庭日常生活的影響。
（2）在操作管理便捷性方面。一方面，用戶可以用手機、平板電腦、觸摸屏、遙控器等多種操作方式來控制家中的設(shè)備；另一方面，用戶可在任何時間、任何地點、任何情況下對室內(nèi)外任何設(shè)備實現(xiàn)及時、全面的了解和控制。兩者的實現(xiàn)都需要軟件系統(tǒng)的支撐，軟件系統(tǒng)是智能家居實現(xiàn)智能的根本所在。
（3）場景控制功能豐富。通過把各種設(shè)備聯(lián)系在一起，可以設(shè)置各種控制模式，如離家模式、回家模式、下雨模式、生日模式、宴會模式、節(jié)能模式等，極大地滿足了人們的生活品質(zhì)需求。
（4）信息資源共享，開放資源接口。可以將家里的溫度、濕度、干燥度發(fā)布到網(wǎng)上，形成整個區(qū)域的環(huán)境監(jiān)測點，為環(huán)境監(jiān)測提供有價值的參考信息。也可以把家里的安防報警的視頻監(jiān)控分享給家庭的所有成員，實現(xiàn)信息資源共享。
智能家居的設(shè)計方案具體的細節(jié)優(yōu)化還有設(shè)備選型優(yōu)化、施工方案優(yōu)化等。
（1）設(shè)備選型優(yōu)化包括網(wǎng)關(guān)設(shè)備優(yōu)化、執(zhí)行器模塊優(yōu)化、終端設(shè)備優(yōu)化等。優(yōu)化的原則是在不改變安全性和穩(wěn)定性的前提下實現(xiàn)更高的性價比。
（2）施工方案優(yōu)化包括設(shè)計圖紙優(yōu)化、管線鋪設(shè)優(yōu)化等。優(yōu)化的原則是保證設(shè)計圖的合理性和完整性，管線鋪設(shè)的合理性和經(jīng)濟性。
立即行動
以設(shè)備選型優(yōu)化為例，對圖4-6（參見教材P74）方案中的設(shè)備還有哪些優(yōu)化的選擇？填寫在表4-5中。
表4-5 設(shè)備選型優(yōu)化
原有設(shè)備 優(yōu)化后的設(shè)備 優(yōu)化的理由 優(yōu)化后的效果
課后作業(yè)
習(xí) 題
1．智能家居系統(tǒng)設(shè)計的原則是什么？
2．智能家居系統(tǒng)的優(yōu)化可以從哪些方面進行？
板書設(shè)計
第四章 智能家居系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
第 二 節(jié) 方案設(shè)計與優(yōu)化
一、方案設(shè)計
1.設(shè)計原則
2.系統(tǒng)方案
3.系統(tǒng)設(shè)計
二、方案優(yōu)化
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
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 主 編：謝勝利 周衛(wèi)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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