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
第四章　 智能家居系统设计与实现
第 一 节 确定需求
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.掌握与用户进行智能家居设计沟通的方法，学会需求分析。
2.根据用户的需求，懂得基本的智能家居功能规划。
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:
学生对智能家居产品设计设计和实现认识有限，他们需要学习有关智能家居产品设计的知识。
智能家居综合设计是整个项目实施的关键环节，需要整合用户需求分析、功能选项、设备选项、系统集成、数据采集、信息传输、施工实施等多方技术、方式、方法，从而达到满足用户智能家居生活需求的目的。
智能家居系统设计与实现的流程包括用户需求分析、功能设计、方案设计、方案优化、系统搭建实现等。
教学重难点:
掌握与用户进行智能家居设计沟通的方法，学会需求分析。
根据用户的需求，懂得基本的智能家居功能规划。
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　第四章智能家居系统设计与实现 第 一 节 确定需求。
一、需求分析
随着我国社会主义现代化的逐步推进，人们对家居的要求也越来越高，家居智能化的设计和建设将变得越来越重要。
智能家居系统设计的核心内容是满足不同用户群体对智能家居生活的需求，设计的对象住宅包括豪华别墅、普通别墅、大平层住宅、普通住宅等。
小陈是某智能科技有限公司的职员。主管刘经理给小陈分配了一项任务：本市某小区业主张先生计划给家里安装智能家居系统。张先生家是五年前装修的，户型是三房两厅（图4-1）（参见教材P63），现计划投入资金用于智能化改造。刘经理安排小陈与客户张先生联系，充分沟通后为张先生设计一套智能家居方案。
讨论
1．如何向用户介绍智能家居与传统家居的区别？
2．以小组为单位，讨论如何与用户沟通才能明确用户对智能家居生活的需求。
案例
用户的需求多种多样，主要有安全需求、健康需求和提高生活品质需求等。
（1）安全需求包括人身安全需求和财产安全需求。人身安全需求主要有针对老人、婴幼儿的安全看护和防止非法入侵；财产安全需求包括财产监护和防盗。
（2）健康需求包括人体健康需求和环境健康需求。人体健康需求主要有人体健康数据采集、健康指导和健康信息互动；环境健康需求包括户内环境健康质量监测和户内环境健康控制和调节。
（3）提高生活品质需求包括生活舒适度需求和生活便捷性需求。生活舒适度需求主要有空气质量、温湿度等环境质量是否满足用户的健康和生活习惯；生活便捷性需求主要有自动感应控制、自动程序控制、本地集中控制、本地遥控和远程控制等。
小陈接到任务后与张先生取得了联系，并到张先生家实地考察与沟通。
小陈：张先生，您好！我是某智能科技有限公司的售前工程师小陈，很高兴为您服务。
张先生：小陈，您好！我家是三口人，有个4岁的女儿。我这房子是五年前装修的，现在流行智慧生活，我也计划将家里改造得舒适、安全、智能一些。不知道你们有哪些家庭智能化改造的方案？
小陈：我们公司提供的智能化改造方案一般有总线解决方案与无线通信解决方案。总线解决方案稳定、可靠，但价格较高，一般工程价格为8万～10万元，适合未装修过的房子。而无线通信解决方案则比较适合您的家庭情况。无线通信解决方案也有很多种，这需要根据您的具体需求来确定，如您的投入预算、期望实现的功能、房间数量等。
张先生：我的预算约2万元。我家是三房两厅，总面积大概100 m 2 ，希望你们在施工的过程中不破坏原有的装修，尽量少布线，施工工期不要太长，以免影响我们的正常生活。我希望在家庭生活的便捷性、舒适性、安全性方面进行提高。
小陈：按照我们以往的工程实施经验，实施一套无线通信解决方案的智能家居系统预算估计在5万元左右。若您的预算只有2万元，我们在部分功能上可能需要进行取舍。请填一下这份表格（表4-1），这样我们可以较清晰地了解您对智能家居的综合需求。我回去后会根据您的需求设计一份智能家居系统方案……
表4-1 智能家居生活需求
基本信息 位置 户型 家庭人员组成 预算
1. 安全需求
需求分析 监控对讲 家人安全看护 紧急按钮 烟雾报警 可燃气体探测
迫切需求
一般需求
没有需求
2. 健康需求
需求分析 PM2.5等空气质量 温湿度 电动开窗 空气净化 通风
迫切需求
一般需求
没有需求
3. 提高生活品质需求
需求分析 照明控制 家电控制 家庭影院 背景音乐 个性化
迫切需求
一般需求
没有需求
说明：迫切需求（√），一般需求（△），没有需求（×）
讨论
1．除了表4-1中的需求分析外，还可以增加哪些方面的需求？
2．如果是别墅项目，该如何设计、修改表4-1？
二、功能规划
智能家居功能规划的主要依据是对用户需求的分析。经过前面章节的学习，我们知道智能家居是一个庞大而复杂的系统，涉及的功能非常多。下面是智能家居中最基础的几个子系统。
（一）智能照明系统
家庭照明系统设计主要实现对家庭内外的灯光进行各种智能控制与管理，其基本功能有：
（1）在任何一个地方的终端均可控制不同地方的灯，或者是在不同地方的终端可以控制同一个灯。
（2）在会客、看电视、听音乐或看电影时，能够调节不同灯光的亮度或色温，营造或舒适、或宁静、或热闹的气氛。
（3）整个照明系统可以实现一键全开或一键全关的功能。当入睡或者回家之前，可以按一下全关或全开按钮，就可以实现全部照明的关闭或打开，并能记忆上一次开灯时所设置的亮度，下次开灯时自动恢复。
（4）通过日程管理程序，可以对灯实现定时开关。例如，在深夜自动关闭全部的灯光照明。
（5）通过软件编程，可以实现一个按键控制一组灯，以及多路灯光情境的设置和转换，或者实现灯光和电器的组合情境，如回家模式、离家模式、会客模式、餐饮模式、影院模式等。
智能照明系统可由控制终端（手机或平板电脑等）、控制主机、传感器与智能开关等组成，如图4-2（参见教材P66）所示。
家庭照明的区域一般分为客厅、卧室、餐厅、厨房、书房和卫生间等，在智能家居设计的过程中，智能照明系统根据各个房间的要求，进行灯光设计和控制，实现理想的效果。
知识窗
色 温
色温是表示光源光谱成分的一个物理量。通俗地说，色温就是表示光线颜色的一种标志，而不是指光源的温度。色温一般用K（开尔文，温度单位）表示。
人眼所看到的光线，是由太阳光的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光谱混合而成的，由于各光谱混合比例的不同，造就了色彩上的差异，色温就是描述这种差异的主要指标。
色温在3 300 K以下时，光色偏红，给人以温暖的感觉，故这个区间的色温通常被称为“暖调”。色温在5 000～6 000 K时，颜色最接近于白色，人在此色调下无特别明显的视觉心理反应，故这个区间的色温被称为“中性调”。色温超过6 000 K时，光色偏蓝，容易给人以清冷的感觉，故这个区间的色温被称为“冷调”。
（二）智能家电系统
智能家电系统与智能照明系统类似，不同的是受控对象不是灯具而是家用电器，如对家里的空调、电饭煲、饮水机等家用电器进行智能控制。
家用电器的控制一般可分为两大类，一类是原来可用红外遥控器控制的家用电器，如电视机、空调等，这类家用电器可在控制主机的“指挥”下，将原来的红外遥控器的功能“学习”到红外线中继转发器，通过红外线中继转发器去控制家用电器；另一类是由控制主机直接用无线电信号去控制家用电器的电源插座，如热水器、饮水机等，如图4-3（参见教材P67）所示。
知识窗
红外线中继转发器和无线智能插座都是很有意义的智能家居产品，它们是把传统的家用电器转变为智能家电的基础。
（1）红外线中继转发器。
红外线中继转发器犹如一个万能的遥控器，它先要“学习”控制家用电器的原有遥控器的红外遥控代码，并存储在红外线中继转发器内。红外线中继转发器接收到控制主机发出的无线电指令后，根据指令控制的对象，调用对应的红外遥控代码，去控制室内的空调、电视机、音响、电动窗帘、有线数字电视机顶盒等红外线遥控产品。
由于生产厂家不同，红外线中继转发器接收的无线信号的频率也不同，有的是315 MHz，有的是433 MHz/470 MHz，有的是2.4 GHz的无线信号，但一定要与控制主机的发射频率匹配一致。
（2）无线智能插座。
目前无线智能插座主要有Wi-Fi无线智能插座和ZigBee无线智能插座两种。
Wi-Fi无线智能插座不依赖于控制主机，是一个独立的产品，只要将Wi-Fi无线智能插座插接在原来的电源插座上，就可以通过手机控制插接在它上面的家用电器。这种智能单一的电源插座，可以脱离整个智能家居系统，大大降低了用户体验电器智能控制的门槛和购买成本。只要用户处在Wi-Fi环境中，在任何地方均可开关家用电器。
ZigBee无线智能插座与普通的智能开关的区别是其采用ZigBee协议来通信，并需要在控制主机的控制下工作。在外部网络断网的情况下，ZigBee无线智能插座还可以执行控制主机下其他设备的场景动作，具有功耗低、自组网、可持续的特点，适合用于智能家居的套装产品。
（三）智能环境监测系统
智能家居为用户提供了一个舒适、温馨的高品质生活环境，优化了用户的生活质量。
其中智能环境监测系统起到非常重要的作用。从智能家居目前的发展和未来趋势来看，智能家居中的智能环境监测系统主要有室内温湿度监测、室内空气质量监测、窗外气候监测和室外噪声监测等几个方面，智能家居系统逐步实现全面数字化。
（1）室内温湿度监测：通过温度传感器、湿度传感器采集室内的温湿度，为空调、暖气等改变室内环境温湿度的设备提供控制依据。
（2）室内空气质量监测：通过空气质量传感器等采集室内空气的污染信息，为空气净化器、电动开窗器等提供控制依据，进行自动换气或去污染操作。
（3）窗外气候监测：通过太阳光传感器、窗外风速传感器、雨滴传感器等采集室外气候信息，为电动窗帘等提供控制依据。
（4）室外噪声监测：通过无线噪声传感器等采集室外噪声信息，为电动开窗器或者背景音乐提供控制依据。
要根据本地的外部居住环境的好坏来设计室内的环境监测系统。例如，居住地处常年气温偏低又潮湿的地区，就应以室内温湿度的监测为主；居住地处空气污染严重的地区，就应当以室内空气质量监测为主；居住地处常年气候多变的地区，就应以室外气候监测为主；居住地处繁华闹市地区，就应以室外噪声监测为主。总而言之，设计家庭环境监控系统应以适应性和稳定性为主。
（四）智能安防报警系统
智能家居的核心需求在于安全，因此智能安防报警系统是智能家居中必不可少的子系统，一套完善的智能家居安防报警系统可确保每一个用户的生命及财产安全，使得用户生活在更加安全和舒适的环境之中。从硬件上来看，智能安防报警系统由各种传感器、具有安防功能的产品、网络及网络设备等组成，如图4-4（参见教材P69）所示。
智能安防报警系统主要有以下几项功能：
（1）通过互联网，可以用手机或计算机远程实时观看监控视频，并且还可以远程对家庭进行设防和布防。
（2）家里的监控视频图像能够通过网络保存，用户可以通过客户端软件随时观看监控录像回放。
（3）如果有人非法闯入，就会触发各种传感器。这时智能安防报警系统通过网络将警情自动报告给指定的人，业主得到报警信息后，可迅速采取应对措施，让非法闯入者得到相应的制裁。
（4）如果发生煤气泄漏，气体传感器探测到泄漏信号，马上启动排气扇，避免灾害发生。同时，智能安防报警系统通过网络将警情自动报告给指定的人。
（5）家里发生火灾时，烟雾传感器就会探测到烟雾信号，系统会发出警报声，提醒室内人员，并自动对外报警，以便迅速地处理火情。
（6）若家中不幸遇到抢劫，或者家人突发疾病，无法拨打电话时，受害人只需要按下手中的遥控器或隐蔽的求救按钮，即可对外报警求救，从而获得最快支援。
立即行动
结合表4-1张先生对智能家居生活的需求、预算及其家庭基本情况，在表4-2中列出三房两厅中各个区域的智能家居产品，并从灵活度、便捷性、场景的丰富性等多个方面说明这样布置的理由。
表4-2 三房两厅各区域智能家居产品
区域 智能家居产品
大门 网络摄像头、门磁传感器......
客厅
餐厅
主卧
次卧
厨房
卫生间
阳台
课后作业
习 题
1．用户对智能家居主要有哪些方面的需求？
2．智能家电系统中，控制家用电器有哪两种方式？
板书设计
第四章 智能家居系统设计与实现
第 一 节 确定需求
一、需求分析
二、功能规划
（一）智能照明系统
（二）智能家电系统
（三）智能环境监测系统
（四）智能安防报警系统
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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