资源简介

普 通 高 中 教 科 书
《通用技术》选择性必修6：智能家居应用设计
第一章 智能家居架构与功能
第三节 智能家居系统的分类、架构及技术标准
教学设计
教学背景
清晨，天慢慢亮了，卧室自动响起轻柔的音乐把你唤醒；房间亮起柔和的灯光；智能卫浴会为你自动调整洗浴水温；智能厨房会为你自动烹饪早餐……
你是不是觉得这样的智能生活离我们还很遥远？
实现人民对美好生活的向往是我们现代化建设的出发点和落脚点。随着国家坚持把发展经济的着力点放在实体经济上，推进新型工业化，加快建设制造强国、质量强国、航天强国、交通强国、网络强国、数字中国的进程，我国的科学技术得到了高速的发展。这种带有科幻色彩的生活场景，已经逐渐走进了人们的生活。小到智能电灯、智能门锁，大到智能卧室、智能厨房，各种各样的智能产品已经渐渐地融入了我们的生活，这些就是同学们将在本书学习的内容——智能家居。
教学目标：
知识与技能目标:
1.认识智能家居系统的分类和架构。
2.了解智能家居的技术标准及物联网通信标准在智能家居领域的应用。
教学内容分析:
第一章从与同学们生活密切相关的典型实例开始，通过调查、讨论等活动，使同学们了解智能家居的系统特征及技术标准，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。
第二章通过对物联网技术的技术构成、结构特征、技术标准及传感器的介绍，使同学们了解物联网通信标准在智能家居领域的应用，并通过简单的物联网系统的设计，了解物联网的应用，理解智能家居与物联网的关联性。
第三章通过实例展示了各种智能家居产品，并让同学们亲历一个智能家居产品的设计过程，掌握简易智能家居产品的安装与调试，同时理解组网、通信和传感器等的原理和功能。
第四章是一个较为完整的智能家居的设计、优化与搭建过程，通过情景描述的方式，使同学们掌握与用户进行沟通的方法，并学会需求分析。通过本章的学习，同学们还会学到智能家居的设计原则及对方案进行优化的方法。
学情分析:
学生对智能家居认识有限，他们需要感受先进技术在家庭生活中的运用，需要一个集通信、计算、控制等技术于一体的应用性学习窗口。
智能家居融合了物联网、人工智能、生物技术、大数据、自动控制等先进技术，意在创设一种智慧感知、协调控制、智能互联、方便快捷的家居生活环境。
教学重难点:
认识智能家居系统的分类和架构。
了解智能家居的技术标准及物联网通信标准在智能家居领域的应用。
教学策略:
始终强调实践，在书中设置了“讨论”“分析”“思考”“知识窗”等栏目。这些栏目的设置，为同学们自主学习、合作学习和探究学习提供了方便。
教学准备:
展示用的图片、其他技术产品、多媒体课件。
教学过程:
情景导入:
老师：本节课我们学习《通用技术》选择性必修6：智能家居应用设计　第一章 智能家居架构与功能　第三节 智能家居系统的分类、架构及技术标准。
一、智能家居系统的分类
智能家居是一个复杂而庞大的系统，其功能涉及人们生活起居的多个方面，目前分类方法众多，根据中国室内装饰协会智能化委员会《智能家居系统产品分类指导手册》的分类依据，智能家居系统产品共分为20个类别，其中主要有智能照明系统、智能环境监测系统、智能家电系统、智能安防报警系统、智能家庭影院系统等。
1．智能照明系统
智能照明系统实现对全家灯光的智能管理，可以用遥控等多种智能控制方式实现对全宅灯光的遥控开关、调光，以及会客、影院等多种一键式灯光场景效果，从而实现智能照明的节能、环保、舒适、方便的功能。根据环境及用户需求的变化，只需修改软件设置就可以实现灯光布局的改变和功能的扩充。
2．智能环境监测系统
智能环境监测系统由数据采集中心软件、数据采集器、温湿度传感器、地温传感器、噪声传感器、光传感器、气体传感器、PM2.5空气质量检测仪等组成。采集器收集各个传感器的数据发送到监测中心，在监测中心对数据进行处理、存储和实时显示等操作。
3．智能家电系统
智能家电系统可以通过遥控、定时等多种控制方式实现对家里的饮水机、插座、空调、地暖、投影机、新风系统等的智能控制，还可以通过有线或无线控制的方式实现场景控制、遥控控制、手机和电脑远程控制等。
4．智能安防报警系统
智能安防报警系统同家庭的各种传感器、紧急按钮、探测器、摄像头及执行器等共同构成家庭的安防体系。报警功能包括防火、防盗、煤气泄漏报警及紧急求助等，可实现对陌生人入侵、盗窃、火灾、煤气泄漏、紧急求助等意外事故的自动报警并及时通知主人。
5．智能家庭影院系统
智能家庭影院系统是指在传统家庭影院的基础上加入智能家居控制功能，把家庭影音室内所有影音设备（功放、音响、投影机、投影幕、高清电视机等）以及影院环境设备（空调、地暖、电动窗帘等）巧妙且完整地智能控制起来，创造更舒适、便捷、智能的家庭影院视听与娱乐环境，以达到最佳的观影、听音乐或者游戏娱乐的视听效果。
二、智能家居系统的架构
从技术角度看，智能家居系统是由基于嵌入式系统的网关（也称为智能家居控制主机）、有线或者无线通信网络、控制终端、传感器、家用电器、智能插座等受控设备组成的。
从控制方式角度看，智能家居架构有本地控制、遥控控制、集中控制、手机远程控制、感应控制、网络控制、定时控制等。
不同的架构有不同的优缺点，我们可以根据实际情况按需选择。
智能家居系统常见的架构可以分为三种，如表1-3所示。
案例
智能家居套装
2014年，某公司推出了智能家居套装，该套装中包含一个家居网关，另配有四款智能家居产品：智能插座、多功能传感器、门窗传感器以及水浸传感器（图1-5）（参见教材P11）。多功能传感器可用来测量室内温度、湿度，也可以红外侦测到移动感应。
如果家中有陌生人闯入，多功能传感器也能捕捉到，同时会立即向手机报警。门窗传感器的两个部分安装时其相互间的距离为5 cm左右，如果由于门窗打开而使门窗传感器的两个部分间距偏离15 mm以上时，传感器会向手机发出报警。通过手机APP可以满足对家里水、电、煤气以及非法入侵的实时安全监测。
讨论
该智能家居套装采用的是哪种架构？有什么优点和缺点？
三、智能家居的相关技术标准
智能家居涉及很多技术，相应的技术标准也非常多。其中，组网技术是智能家居重要的技术，组网技术标准是智能家居重要的技术标准。
智能家居组网技术有有线组网和无线组网两种方式。这两类技术各有优缺点，可以互相补充。有线组网包括电力线载波（PLC）技术和总线技术。在早期的智能家居中，多数智能家居产品以有线连接为主，有线方式具有抗干扰能力强等优点。而无线组网去掉了烦琐的布线，且具有维修服务方便、绿色环保的优点，是智能家居未来的发展趋势。无线组网包括射频、ZigBee、蓝牙、Wi-Fi、Z-Wave等无线技术。
1．电力线载波技术
电力线载波技术是一种利用电力线路来传输智能家居控制信号的技术。电线将电能传输到家中每个房间的用电设备，同时也将家中所有的电器连成了家庭网络。电力线载波技术的最大特点是不需要重新架设有线网络，只要家里有电线，就能进行数据传递，安装设置比较简单。运用电力线载波技术组网的智能家居能实现的功能一般都比较简单，主要是智能照明控制和智能家电控制，其技术标准主要有X-10和PLC-BUS两种。
知识窗
X-10
为了在不同通信环境和不同的设备之间进行通信，人们制定了很多协议。协议实际上是一种约定，设备之间遵循同一种约定才能够互相接收和理解对方发送的信息。当协议被相关机构认定或得到广泛的认可时，通常又称为标准。
X-10是一种国际上通用的智能家居电力线载波协议。它具有良好的兼容性，只要产品厂商遵循这个协议，那么各个厂商之间的产品就可以相互通用。
X-10设置简单，在使用时将控制盒和组件插入室内不同的电源插座，家用电器设备就插在这些控制组件上，可以方便地构建一个智能家居系统。但是，由于电网的波动、杂波的影响等电网特性的限制，X-10传输的稳定性得不到保证，系统的稳定性比较差。另外，X-10响应速度较慢，不太适合对响应速度要求较高的应用场合。
2．总线技术
总线技术是指将所有设备的通信与控制都集中在一条总线上，总线技术要重新布线，适合新装修用户。
智能家居中多采用双绞线作为控制总线，主要总线标准有RS-485、KNX、
LonWorks、CAN等，这几种技术标准的网络拓扑结构基本相同，不同的只是通信协议和接口。
在智能家居中，稳定性、可靠性和可扩展性是非常重要的性能指标。总线技术相比无线技术，在稳定性、可靠性方面具有绝对优势，特别对于别墅、大面积住宅和商业场所的环境，是不错的选择。
知识窗
RS-485
RS-485是一种常见的总线标准，该标准技术简单、设计容易、实现方便、成本及维护费用较低，在通信距离为几十米到上千米时，广泛被采用。RS-485总线收发器具有高灵敏度，能探测低至200 mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。但是，由于RS-485仅规定了物理层的电气连接规范，导致每家使用该技术的公司都需要自行定义自己产品的通信协议，这样也造成了尽管市场上的RS-485的产品很多，但相互直接通信的能力较差。此外，RS-485总线还存在抗干扰能力和系统稳定性不理想等问题，因此不适于构建大中型的控制网络系统。
3．射频技术
射频技术中最为常见的是射频通信技术与无线射频识别技术（RFID），其中射频通信技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的技术，其技术成熟，拥有多种工作频段：315 MHz、433 MHz、868 MHz、915 MHz等，其中433 MHz频段是我国无须许可认证、免费的专用收发的频段。
4．ZigBee技术
ZigBee是一种近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低速率的双向无线通信技术，ZigBee可工作在2.4 GHz（全球流行）、868 MHz（欧洲流行）和915 MHz（美国流行）三个频段上，分别具有最高250 kbit/s、20 kbit/s和40 kbit/s的传输速率。它的传输距离为10～75 m，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输。
ZigBee采用的是IEEE 802.15.4技术标准。
5．蓝牙技术
蓝牙技术是一种短距离的无线通信技术，其通信距离一般在10 m以内，能让手机、平板电脑、笔记本电脑等设备之间进行方便、快速的无线信息交换。蓝牙技术采用的是IEEE802.15.1和IEEE 802.15.1a技术标准。
6．Wi-Fi技术
Wi-Fi俗称无线宽带，是一种短距离、高速、无线传输技术。在信号较弱或有干扰的情况下，带宽能自动降低，以保障网络的稳定性和可靠性。在开放性区域，通信距离可达305 m；在封闭性区域，通信距离为76～122 m。目前很多电子产品本身都支持Wi-Fi。
Wi-Fi采用的是IEEE 802.11技术标准。
表1-4 不同组网技术的比较
特性 种类
电力载波类 总线类 无线类
典型技术 X-10、PLC-BUS等 RS-485、LonWorks等 ZigBee、Wi-Fi等
是否需要重新布线 不需要 需要 不需要
安装周期 几个小时 几天到一个月不等 几个小时
设备方便性 方便 需专业人员配置 方便
兼容性 比较好 比较好 易受无线信号干扰
是否可按需选配 随意选配 可选配空间较小 随意选配
是否便于升级 即插即升级 很难 比较容易
是否适合大众消费 是 不是 是
知识窗
IEEE及IEEE 802系列技术标准
IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers），即电气和电子工程师协会，是一个国际性的电子技术与信息科学工程师的协会，是目前全球最大的非营利性专业技术学会，其会员人数超过40万人，遍布160多个国家。IEEE致力于电气、电子、计算机工程和与科学有关的领域的开发和研究，在太空、计算机、电信、生物医学、电力及消费性电子产品等领域已制定了900多个行业标准，现已发展成为具有较大影响力的国际学术组织。
IEEE 802委员会成立于1980年2月，IEEE 802系列标准是IEEE 802 LAN/MAN 标准委员会制定的局域网、城域网技术标准，这一系列标准中的每一个子标准都由委员会中的一个专门工作组负责。无线组网技术中的ZigBee、蓝牙、Wi-Fi技术采用的都是IEEE 802系列技术标准。
立即行动
在两台不同手机之间尝试通过蓝牙技术来实现文件的传递。
学习评价
　　　　　　　　　评价内容 评价方式
自评 互评 师评
理解智能家居的含义，能比较智能家居生活与传统家居生活的不同，感受到智能科技对家庭生活方式的影响
认识智能家居系统的基本功能，了解智能家居系统的特性
认识智能家居系统的分类和架构，了解智能家居的相关技术标准及物联网通信标准在智能家居领域的应用
说明：A—优秀，B—良好，C—合格，D—待改进
通过本章的学习，你的核心素养得到了哪些发展？
课后作业
习 题
1．在家里尝试用路由器搭建一个Wi-Fi无线网络，并用手机连接该网络。
2．用手机安装一款智能家居遥控软件，实际操作体验一下，并分析其界面设计的优缺点。
板书设计
第一章 智能家居架构与功能
第三节 智能家居系统的分类、架构及技术标准
一、智能家居系统的分类
智能照明系统
智能环境监测系统
智能家电系统
智能安防报警系统
智能家庭影院系统
......
二、智能家居系统的架构
三、智能家居的相关技术标准
电力线载波技术
总线技术
射频技术
ZigBee技术
蓝牙技术
Wi-Fi技术
教学反思
通用技术
选择性必修6：智能家居应用设计
普 通 高 中 教 科 书
主 编 刘琼发
副 主 编：李 榕 周卫星 朱美健 席春玲
本 册 主 编：谢胜利 周卫星
本册副主编：肖 明 毛润政
编 写 人 员：凌星星 曹宏钦 朱志琦 刘 方
广东教育出版社
广东科技出版社

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