手机版|
二维码|
点击下图片即可查看大图
1.课程介绍
1.1 建设背景-通用技术课介绍
技术是指从人类需求出发，秉持一定的价值观念，运用各种物质及装置、工艺方法、知识技能与经验等，实现一定使用价值的创造性实践活动。技术是人类文明的重要组成部分，是社会生产力水平的主要标志之一，是人类物质财富和精神财富的积累形式。通用技术是指当代技术体系中较为基础、在日常生活中应用较为广泛、育人价值较为丰富并与专业技术相区别的技术，是学生适应社会、高等教育和职业发展所必须的技术。
技术教育是素质教育的基础组成部分，是学生技术素养形成的重要途径，对落实立德树人根本任务、实施创新驱动发展战略、弘扬中华传统文化和提高全民技术素养具有重要的作用。普通高中通用技术课程，以提高学生的学科核心素养为主旨，以设计学习，操作学习为主要特征，是一门立足实践、注重创造、体现科技与人文相统一的课程。通用技术课程有助于学生通过技术实践活动构建默会知识和程序性知识；有助于强化学生手脑并用和知行合一，增强技术思想和方法的学习与运用，发展工程思维和创造能力；有助于学生图样表达和物化能力的培养，提高解决技术问题的综合能力；有助于增强学生对技术文化的理解，形成良好的技术理性和个性品质。
2017版普通高中通用技术课程标准课程结构如图1.1所示，在选择性必修的技术与生活系列包含3个模块分别是“现代家政技术”、“服装及其设计”和“智能家居应用设计”。本方案围绕智能家居应用设计课程教学大纲开展设计，首先介绍了该课程的教学要求，其次围绕教学要求设计出满足该课程开设的整体化实验室建设解决方案。
1.2 智能家居应用设计课程介绍
智能家居融合了物联网、人工智能、大数据处理、建筑材料、自动控制等先进技术，意在创造一种智慧感知、协调控制、智能互联、方便快捷的家庭居住和农业生产环境。本课程旨在为学生感受先进技术在家庭生活和农业生产中的运用提供一个集通信、计算、控制与一体的应用性学习窗口。
本课程由“智能家居架构与功能”、“智能家居与物联通信”、“智能家居简易产品设计”、“智能家居系统设计与实现”四个单元组成。
1.3 智能家居应用设计课内容要求
（1）通过智能家居体验活动等理解智能家居的含义，说明系统的特性和标准，感悟智能科技应用对家庭生活方式的影响，形成亲近、运用智能科技的积极情感。
（2）通过搭建拆卸等实践活动，说明物联网的技术构成、结构特征及其技术标准，形成对嵌入式系统、无线通信组网原理和各种传感器的感性认识，熟悉并了解基于物联网开发系统的单片机及各种温度、湿度、光照、红外、烟雾等传感器。了解传感器的标准接口、物联网通信标准在智能家居领域的应用。
（3）理解智能家居与物联网技术的关联性；采用物联网组网技术，根据给定的应用场景，进行需求分析，画出系统控制的架构图，进行简易物联网系统的设计。对传感器进行选型和布局，初步掌握创意设计和布局的可视化方法，并运用工程思维进行合理性解释和分析。
（4）通过开源的设计平台构建智能家居产品原型。结合软硬件的接口标准和通信协议，理解组网、通信和传感器等的原理与功能。
（5）应用工具进行程序设计和智能产品的硬件配置，设计产品原型，并对系统的安全性、功耗进行分析。阐明智能家居的安全标准和安全性方案设计，从而设计安全可靠、低功耗的智能家居产品。
（6）从实际情况出发，确定智能家居系统的需求，对一些标准的传感器，如温度、湿度、光照、红外、烟雾等进行简单的组装和体验。
（7）对智能家居系统设计方案进行技术试验，从系统构成的灵活度、操作管理的便捷性、场景控制功能的丰富性、信息资源的共享性以及按照调试方便性出发对方案进行优化；通过比较和权衡，在多个方案中选定方案，或集中各方案的优点来改进原有方案。
（8）以模拟住宅为平台，以家居电器、家电设备，利用通信网络技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术等搭建环保节能的智能家居和智能农业系统，并进行操作和远程控制。
1.4 智能家居应用设计课教学提示
教学策略提示
可播放相关视频短片或分析智能家居智能农业系统模型，带领学生走进智能化的世界，激发学生学习兴趣，使学生了解智能家居和智能农业的发展历程；可根据实际情况带领学生参观智能家居展厅，智能农业大棚，实景进行产品体验，让学生体验物联网技术的应用，感悟这些技术对人类美好生活的影响；可让学生开展前期调研，充分了解智能家居和智能农业系统的个性化需求，从智能照明系统，环境控制系统，安防控制系统，温控调节系统等入手，进行需求分析与功能界定，可针对智能家居的技术特点，以空调、电视机等设备的开关、播放、暂停等红外控制指令为例，演示并讲解感应器把控制信号转化成对应红外指令的现象和原理。
项目任务提示
可从学校、学生家庭实际出发选择“智能楼宇管理系统模型设计与运行”、“城市家庭旧房改造中的智能家居设计”、“新农村建设中的智能农业系统设计”等项目；可以“XX智能家居系统优化”为例，在向用户提供“一站式系统解决方案”，即将可视对讲、安全防范、信息家电控制、空调控制、灯光控制、窗帘控制、场景联动等多种功能进行一体化整体整合等方面进行优化和个性化的项目设计。
1.5 智能家居应用设计课学业要求
通过本课程的学习，学生能阐述智能家居和智能农业的定义、功能及其标准；能列举处生活中常见的智能家居产品，对现代智能家居和智能农业与传统的家居和农业进行对比，分析器优缺点；能阐述物联网技术的基本特征、功能及其标准，分析物联网技术在智能家居和智能农业方面的应用；能依据具体的生活问题情境，确定智能家居的系统需求，经历完整的智能家居系统设计过程，提出完整的设计方案；能依据设计方案选择匹配的硬件产品；能通过智能家居和智能农业系统的实现与优化的实训项目，完成系统硬件设备的安装、布线与调试，完成系统的无线组网。对方案的可行性、技术路线、关键技术以及技术难点进行分析、并提出解决方案。
2.实验室介绍
2.1 实验室概述
为配合学校《智能家居应用》课程的开设，建设智能家居应用设计实验室，并提供相关软硬件支持，为学生们创造动手实践的场地空间。标准的智能家居应用实验室效果图下图2-1所示，实验室整体空间为1间12*8米标准教室，定制六角桌4张，每张六角桌上摆设智能家居应用实训台和智能农业应用实训台各1台以及配套教学电脑2台，在教室后端摆设智能家居应用沙盘和智能农业应用沙盘各1台，并在角落装配智能家居VR体验设备一套，可供至少35名学生同时上课实验。
2.2 主要设备功能介绍
2.2.1 智能家居应用实训台
创造健康舒适的家居环境源于人们对幸福生活的追求。30年来的高速经济发展，使我国人民的生活水平和居住环境有了质的飞跃。生活设施日渐齐全，家居家电设备种类也愈加丰富。然而，家居能耗过大、安全系数低、家电操作不便等问题在低碳环保理念普及和人民追求高品质生活的今天愈发凸显。基于物联网技术的智能家居系统能够利用传感器、无线通信和智能控制技术，为人们提供舒适、便捷、安全、环保的家居生活环境，对于构建环境友好型、资源节约型的和谐社会具有重要意义。可以大胆畅想一下未来使用物联网技术的智能家居将呈现的面貌：每天回家时，它会打开灯光并调整合适的亮度；它会打开空调并调整合适的温度；它能自动感知气候变化、判断人的意图并调整家居设施，以帮助人们提高工作和生活的质量。一旦发生非法入侵、失火等意外情况，它会实时拍照和录像，在现场鸣笛警报，并将警报信息发送到主人的手机上，同时通知保安或采取必要的措施。
智能家居实训开发套件可以作为高中《智能家居应用设计》课程的实验平台，为师生提供了真实可靠的智能家居应用产品，使学生能够以理论与实践相结合的方式深刻理解物联网相关知识，提高学生的学习热情，激发学生的创新能力。
产品创新点
● 套件内传感器、执行器等各功能模块均采用工业级成品模块，直接将智能家居实景应用产品搬到实验室内，让老师和学生最真实贴切的感觉到物联网技术在实际智能家居中的应用；
● 套件内各功能模块均提供详细的通讯接口说明，供教师和学生进行实验、科研、二次开发使用；
● 便捷性：节点可移动，灵活拆分，连线设计方便快捷，传感器和控制系统操作便捷，学生学习，体验，实验方便快捷；
产品概述
如图2.1所示K12-P01-13型智能家居应用实训台。采用了以全钢制框架结构为基础，其上安装立式开放式网格板以及铝合金机架，节点采用可插拔方式安装，使学习者在使用时能够直接在网格板上进行实际工程操作，提高平台的教学的实用性与灵活性。在实训台中就能够完成各个分立工程模块的学习，安装、调试、接线以及工程项目的整体项目的开发与安装调试。
产品实物图
产品功能详解
智能家居实训开发套件包括4大功能模块：智能灯光控制模块、智能窗帘控制模块、智能家电控制模块、以及智能安防监控模块。
灯光控制模块
智能灯光控制模块结合WiFi无线网络、ZigBee无线网络、灯光控制面板等设备，实现对房屋内灯光的智能化管理。
●基于网络的远程控制功能，可实现灯光临时、定时自动开关等动作；
●手动灯光控制功能，通过灯光控制面板实现手动控制房间内灯光开关动作；
智能家电控制模块
智能家电控制模块结合WiFi无线网络、ZigBee无线网络、智能插座面板及红外转发器等设备，实现对房屋内多媒体设备的智能化管理。
● 通过智能插座面板远程控制音箱等多媒体设备的电源；
● 通过红外转发器模拟遥控器远程控制音箱等多媒体设备；
智能安防监控模块
智能安防监控模块结合WiFi无线网络、ZigBee无线网络、网关、无线摄像头、无线温湿度计、人体红外探测器以及无线门磁等设备，实现对房屋内部环境实时监控、房屋进出监控、重点区域实时监控等一系列智能化安防管理。
● 基于WiFi无线网络或有线网络的远程视频监控功能；
● 无线门磁、人体探测传感器、以及无线温湿度计实时监控室内各种环境信息，一旦监测到异常情况，自动生成报警信号；
● 配合其他功能模块进一步细化房屋内部智能化安防管理工作；
86两位智能开关
智能手机实时控制查看状态/局域网/远程控制/定时开关/支持场景/联动控制；
电动窗帘电机
无线摄像头
智能手机实时查看状态/支持WIFI连接/远程对讲/云台控制；
智能LED彩灯
智能手机实时控制查看状态/局域网控制/远程控制/可调亮度/可调颜色/支持场景/联动控制；
红外人体探测器
智能手机实时控制查看实时状况/支持场景/联动控制/局域网控制/远程控制；
无线温湿度计
智能手机实时控制查看实时温湿度/支持场景/联动控制/局域网控制/远程控制；
智能遥控器
能控制国内各种带红外遥控功能的电器，局域网/远程控制/定时开关；
无线门磁
智能手机实时查看状态/支持联动功能/支持场景/联动控制；
平板电脑
2.2.2 智能农业应用实训台
如图所示K12-P01-14型智能农业应用实训台。采用了以全钢制框架结构为基础，其上安装立式开放式网格板以及铝合金机架，节点采用可插拔方式安装，使学习者在使用时能够直接在网格板上进行实际工程操作，提高平台的教学的实用性与灵活性。在实训台中就能够完成各个分立工程模块的学习，安装、调试、接线以及工程项目的整体项目的开发与安装调试。
农作物生长传感数据采集
K12-P01-14型智能农业应用实训台装配有温湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器、土壤温湿度传感器、风速传感器以及风向传感器等农业生产中的六种工业级传感器，用户既可以直接使用配套提供的Android APP软件对传感器数据进行实时的观察和检测，也可以根据配套提供的各个传感器通信协议，设计并自行开发上位机软件，采集并显示传感器数据，完成课程实验。
上位机和传感器之间采用TCP通信模式，学生只要有Socket通信编程基础，即可完成此部分软件设计。
实训台执行器的自动控制
K12-P01-14型智能农业应用实训台配有灌溉、遮阳、通风、加光等四种执行机构，五种执行机构由安装在沙盘内的WiFi继电器统一控制。用户既可以直接使用配套提供的Android APP软件对各个执行器进行手动控制，也可以设置联动模式，将执行机构与某种传感器数据相连，当传感器数值到达某阈值时，自动执行动作，实现自动控制功能。与此同时，实训台配套光盘提供个执行器的控制协议，学生科设计并自行开发上位机软件完成课程实验。
2.2.3 智能家居应用沙盘
智能家居系统做为物联网技术应用的一个重要方面，是各个普通中学的拓展学习重点，但是由于场地、环境、装修等条件的影响，很多学校无法提供适合老师和学生学习、实验的智能家居真实物理环境。为了解决这个问题，智能家居沙盘来满足学校的教学和使用。智能家居沙盘集中体现了物联网的感知层、网络层和应用层。该沙盘装配有多种传感器和执行器，各传感器执行器之间通过Zigbee和Wi-Fi两种通信方式彼此相连，由智能手机上的App程序进行统一的控制和管理。
智能家居沙盘不仅可以作为课程的实验平台，同时，产品设计美观精细，拥有的展示效果。
（1）创新点
沙盘内各功能模块(传感器模块，执行器)均采用工业级成品模块，直接将智能家居实景应用产品搬到实验室内，让老师和学生最真实贴切的感觉到物联网技术在实际智能家居中的应用；
沙盘内各功能模块均提供详细的通讯接口说明，供教师和学生进行实验、科研、二次开发使用；
便捷性：节点可移动，灵活拆分，连线设计方便快捷，传感器和控制系统操作便捷，学生学习，体验，实验方便快捷；
沙盘设计精细美观大方，拥有优越的展示和演示效果，如图所示，设计人员对沙盘上的每一个模型，每一处细节都做了精雕细琢，精益求精；
（2） 产品概述
如图所示，智能家居沙盘结构部分由不锈钢底座和亚克力家居实景模型两部分组成，实景模型按照两室三卫一厅一花园户型设计。智能家居沙盘装配有-智能家居系统核心设备智能家居网关，用于控制房间灯光的智能两位开关，用于控制房间窗帘的智能窗帘电机，用于控制家电设备的智能插座，用于采集环境数据的温湿度传感器，用于安防监控的摄像头、智能门磁、人体感应探测器以及用于遥控家电设备的红外遥控器等设备。所有设备之间均采用Zigbee无线通信协议进行互联互通，如图所示。用户既可以直接使用配套提供的Android APP软件对整个智能家居系统进行控制体验智能家居应用，也可以根据配套提供的二次开发资源，设计并自行开发上位机软件，完成课程实验。
（3）功能详解
智能家居沙盘系统包括：灯光控制系统，智能音箱控制系统，智能安防控制系统，智能窗帘控制系统等。
1）灯光控制系统
智能灯光控制系统结合ZigBee无线网络、灯光控制面板等设备，实现对房间的灯光的智能化管理。
基于ZigBee无线网络远程灯光控制模式，可实现灯光临时、定时自动开关等功能；
手动灯光控制模式，通过动动手指对灯光控制面板的操作可实现房间内手动灯光开关控制；
2）智能音箱控制系统
智能音箱控制系统结合ZigBee无线网络、智能插座面板及红外转发器等设备，实现对房间的多媒体设备的智能化管理。
通过智能插座面板远程控制音箱的电源；
通过红外转发器模拟遥控器远程操作红外音箱；
3）智能安防控制系统
数字安防系统通过WiFi摄像头实现对房间视频监控功能。
基于WiFi无线网络或有线网络的远程视频监控功能；
配合其他硬件系统实现房间内安防监控功能；
4）智能窗帘控制系统
智能窗帘控制系统结合ZigBee无线网络、网关、窗帘电机及导轨、开关面板等设备，实现对房间窗帘的智能化管理。
基于网络的远程窗帘控制功能，可远程实现对房间内窗帘的开关动作；
手动开关控制功能，通过窗帘控制面板实现手动控制房间内窗帘开关动作；
2.2.4 智能农业应用沙盘
如图所示，智能农业应用沙盘由上下两部分组成，下半部分为不锈钢底座，上半部分为亚克力材质透明模拟温室大棚，大棚装配有温湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器、土壤温湿度传感器、风速传感器，风向传感器以及土壤pH值传感器等农业生产中的七种工业级传感器，执行器包括灌溉、遮阳、通风、加温，加光等五个系统。各传感器和执行器通过Zigbee无线通信模块相连，实现实时联动功能，与此同时沙盘可通过WiFi通信模块与上位机或智能终端保持通信，实现传感器数据的实时采集以及各执行器的主动控制。此外沙盘还配置有高性能摄像头一台，可以对整个沙盘系统进行实时的视频监控。
2.2.5 智能家居虚拟仿真及VR教学软件
根据智能家居虚拟实训系统采用虚拟仿真虚拟现实技术，再现家居的真实场景智能操作，以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境，更并通过与专业智能家居功能点体验无缝对接，实现的现场实操体验。让学生在真实的家居模拟环境中掌握智能家居的原理项目流程和服务内容。家居流程部分结合家居管理信息系统，功能原理的使用，使学生掌握现代智能家居方式和内容。
（1）系统能够支持自助模式和案例选择。
（2）系统实训流程分为：自主模式包括：（我的客厅、我的卧室、我的厨房、我的书房、智能总控、其他）；案例选择包括：（家庭安全方案、智能照明方案、家庭健康方案、家电控制智能用电方案、空气质量控制方案、空气质量控制方案、老人、儿童关怀方案、自动灌溉喂宠方案）；
家庭照明和电器智能控制
智能安防
通过智能门禁、入侵报警、摄像监控，远程监控和联网报警等技术构筑多层防护网，确保家人和财产安全。
智能照明方案
用户可根据个人喜好添加和设置不同场景和模式，比如离家模式、就寝模式、起夜场景、叫醒模式、回家模式等；可编程控制不同位置的灯具、开关时间和照明亮度，操作简单。
家庭健康方案
在家里使用电子化测量仪器，测量体温，脉搏、血压，血糖，血氧浓度，心电图，身高，体重等数据，然后通过智能家居系统传输到合作医院数据中心长期保存。
家电控制方案
在家中，一部手机(平板电脑)可控制家中所有家电设备。
空气质量控制方案
家庭影音系统方案
老人、儿童关怀方案
智能家居从安全、健康、教育等多方面提供全面的解决方案，为家中的老人和孩子提供可靠的保护和理想的生活环境。
自动灌溉喂宠方案
2.2.6 智能农业虚拟仿真及VR教学软件
软件采用虚拟仿真虚拟现实技术，再现现代化智能农业的真实场景智能操作，现代化智能农业大棚为应用背景，实现的现场实操体验。让学生在真实的农业生产模拟环境中掌握农作物生长的原理项目流程和服务内容。
农业实验操作台界面
在实验选择界面点击“大棚采集实验”按钮图片，进入大棚实验操作界面。
顶部功能菜单
该系统顶部为全局功能菜单，下面对单个菜单进行详细介绍。
“保存规则”按钮，用于保存实验过程中所设置的相应规则。输入规则名称及其描述，系统默认为该规则信息添加时间戳，点击保存后即可将相应的规则信息（含规则关系和设备属性）保存到数据库，方便以后读取和加载。
“加载规则”按钮，用于加载以前保存的规则列表。点击加载按钮弹出系统保存的所有规则列表。鼠标移动到特定行，该行高亮显示。点击该行操作中的加载按钮，系统自动加载相应的规则列表，并实例化相关设备。点击该行操作中的删除按钮，则在数据库中删除该行规则记录。点击右上角的关闭按钮，可关闭加载规则列表界面。
“截图”按钮，用于截取系统操作三维场景视口内容。点击“截图”按钮，弹出保存截图对话框，输入截图名称点击保存即可将当前视口下的三维场景进行截图保存到系统目录下。
“2D/3D”切换按钮，用于在三维场景视角和二维场景正交顶视角之间进行切换。（实验模式下不可用）
聚焦按钮，在飞行视角下选中某一设备时，视角聚焦到选中设备。（实验模式下不可用）
设置按钮，设置系统参数，主要是太阳光方向调整（实验模式下不可用）
搜索功能，用于搜索场景中的设备。搜索关键词采用模糊搜索，输入关键词后点击Enter回车系统列出所有包含关键词的设备。点击特定设备，系统可以在三维场景中高亮选中该设备。点击右侧“x”按钮，关闭搜索功能。
右侧资源菜单
系统右侧为资源库及其相关操作区域，下面对其进行详细说明。
资源库菜单，进入实验操作界面后，系统右侧默认显示资源库列表。
资源库采用三级目录组织结构，资源库显示内容为读取数据库内容确定，即资源库内容可通过数据库变更完成资源库更新。点击二级菜单（上图为传感器和控制器）即可展开菜单内容。鼠标滑过三级菜单项时会显示该菜单项所对应的设备名称，点击三级菜单项即可在三维场景中实例化选中菜单项所对应的设备。
设备属性设置菜单，点击按钮进入操作界面。属性设置界面默认显示为空，当鼠标点击选中设备后，属性面板会显示相应的属性信息，并可以对属性进行编辑和保存。
材质变换按钮，（实验模式不可用）
资源库搜索，用于在资源库中搜索含有关键词的所有资源
物体操作菜单
物体操作菜单用于对选中物体进行编辑操作。
平移操作，鼠标左键按住该按钮在屏幕空间中拖动，选中物体将按照鼠标拖动方向在三维场景中进行移动。
旋转操作，鼠标左键按住该按钮并围绕选中物体中心旋转拖动，选中物体将按照鼠标旋转的方向在三维场景中旋转。
升降操作，鼠标左键按住该按钮并上下移动，选中物体将按照鼠标拖动的方向上下升降。
镜像操作，用于对选中物体进行镜像操作。
复制操作，对选中物体进行复制（新复制的物体与原物体保持一定的间隙，便于选择）。
删除操作，删除选中的物体。
设置操作，设置选中物体属性信息，包括名称、位置和角度等。点击右上角的关闭按钮，系统默认将更改应用到选中的模型。
