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 二 节 方案设计与优化
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.知道智能家居的设计原则。
2.设计智能家居系统并对方案进行优化。
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:
知道智能家居的设计原则。
设计智能家居系统并对方案进行优化。
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 二 节 方案设计与优化。
一、方案设计
1．设计原则
衡量一个智能家居系统成功与否，不仅取决于智能化系统的先进性或集成度，而更多地取决于智能化系统的设计和配置是否经济、合理，智能化系统能否正常运行，智能化系统的使用、管理和维护是否方便，智能化系统或产品的技术是否成熟适用等。换句话说，就是要以最合理的投入、最简单的实现路径来换取最大的功效，实现便捷、高质量的生活。因此，在设计智能家居时必须遵循一定的设计原则。
（1）实用性。
在设计智能家居系统时，应根据用户对智能家居功能的需求，整合最实用、最基本的家居控制功能，产品以实用性、易用性和人性化为主。
（2）方便性。
布线是否简单直接关系到成本、可扩展性、可维护性等方面，尽量选择布线简单的系统；为了让用户操作便捷，设计用户操作流程时需尽量简单和方便；另外，系统在工程安装调试中的方便性也是非常重要的。
（3）可靠性。
智能家居系统应能每天24小时运转，必须对系统的可靠性和容错能力予以高度重视。对各个子系统中的电源、系统备份等方面采取相应的容错措施，保证系统正常、安全运行。
（4）安全性。
安全性是设计任何系统首先要考虑的问题，因此在设计智能家居时也必须考虑安全问题。一方面，在设计时确保智能家居系统不会被其他信息干扰或者被不法分子控制；另一方面，在设计时需要尽可能地提高住户和家居的安全。
（5）标准性。
智能家居系统方案的设计应依照国家和地区的有关标准进行，确保系统的扩充性和扩展性，在系统传输上采用标准的TCP/IP协议网络技术，可以保证不同厂商之间的系统可以兼容与互联。
案例
小陈和张先生充分沟通后，根据张先生的场地情况、生活需求、预算及其家庭基本情况，确定了张先生对智能家居的综合需求：简单智能照明系统、简单智能电动窗帘、简单智能家电系统、简单智能安防报警系统等，要达到下面几项功能。
（1）通过触摸智能开关控制照明灯光的开关，同时也可通过移动终端实现本地和远程控制灯光的开关。
（2）通过遥控开关控制电动窗帘的开合及停止，同时也可通过移动终端实现本地和远程控制窗帘的开合及停止。
（3）通过移动终端实现本地和远程控制空调的开关、调温，以及电视机的开关与调台。
（4）实现当触发红外探测器时会报警，并可通过本地或远程查看监控摄像头的图像。
2．系统方案
根据案例中张先生家智能化改造要实现的功能，小陈设计的智能家居总体框架如图4-5（参见教材P72）所示。
当用户用移动终端（如手机、平板电脑）发出控制命令后，通过移动通信网络或者本地Wi-Fi把该命令发送给网关，网关先解析该命令，然后再将该命令通过各种无线或有线的方式与受控设备（如摄像头）或控制设备（如智能开关）进行通信，受控设备（或控制设备）收到网关发出的控制命令后，执行相应的操作。相反，当受控设备的状态发生变化时，会把自身的状态信息反馈给网关，网关再通过网络反馈给手机或平板电脑。
3．系统设计
（1）要实现张先生家远程控制家用电器和观看监控摄像头的功能，需要引入智能家居网关并连入云平台。为了缩短开发时间、节约成本，本设计直接采用商用家居网关。
立即行动
以小组为单位，调查市场上的商用家居网关产品并进行对比，填写在表4-3中。
表4-3 商用家居网关对比
参数 常见品牌
（2）所有控制设备采用无线通信控制方式来实现。
传统的智能家居一般采用综合布线的方式来实现家电设备之间互连，但是综合布线方式不仅工程量大、成本高、线路复杂，同时由于有新的设备加入或者原有设备位置的移动，需要重新布线。当前无线通信技术飞速发展，基于无线通信的智能家居系统，具有免布线、安装方便等优点。无线通信方式多种多样，特别适合案例中张先生提出“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”的要求。
在第一章，我们已经学习了当前智能家居无线通信技术的主流有射频技术、Zigbee技术、Wi-Fi技术、蓝牙技术等。
立即行动
1．通过互联网查询以及根据第一章学习的内容，对射频、Zigbee、Wi-Fi、蓝牙等无线通信方式进行对比，填写在表4-4中。
表4-4 无线通信方式对比
参数 无线通信方式
射频 Zigbee Wi-Fi 蓝牙
工作频率
传输速率（bps）
传输距离
穿透能力
成本
功耗
2．讨论：网关与摄像头通信时，哪些通信参数是比较重要的？摄像头、智能开关采用的通信方式一致吗？
（3）将原有的机械式电器控制开关更换为智能触摸开关。
（4）将原有的窗帘导轨更换为射频通信电动窗帘导轨。
（5）使用红外线中继转发器控制空调、电视机。
（6）采用IP摄像头查看家中情况；使用无线红外探测器防盗。
最后完成的智能家居系统设计如图4-6（参见教材P74）所示。
二、方案优化
作为智能家居工程师，必须因地制宜，从用户的需求出发，设计符合用户需求的方案，并逐步完善和优化方案。在进行系统方案优化之前，我们可以联系前面学习的智能家居系统具有的特性，对方案进行有的放矢的修改，实现理想的设计目标。
（1）在系统构成的灵活度方面。智能家居系统是由各个子系统通过网络通信等各种技术组合而成的，各个子系统应能够独立地工作，当需要减少或者增加子系统时，其他系统的正常工作不应受到影响，而且最好是以即插即用的方式实现增加子系统；设备采用无线组网方式来实现快速部署系统，减少家庭的布线，减少对家庭日常生活的影响。
（2）在操作管理便捷性方面。一方面，用户可以用手机、平板电脑、触摸屏、遥控器等多种操作方式来控制家中的设备；另一方面，用户可在任何时间、任何地点、任何情况下对室内外任何设备实现及时、全面的了解和控制。两者的实现都需要软件系统的支撑，软件系统是智能家居实现智能的根本所在。
（3）场景控制功能丰富。通过把各种设备联系在一起，可以设置各种控制模式，如离家模式、回家模式、下雨模式、生日模式、宴会模式、节能模式等，极大地满足了人们的生活品质需求。
（4）信息资源共享，开放资源接口。可以将家里的温度、湿度、干燥度发布到网上，形成整个区域的环境监测点，为环境监测提供有价值的参考信息。也可以把家里的安防报警的视频监控分享给家庭的所有成员，实现信息资源共享。
智能家居的设计方案具体的细节优化还有设备选型优化、施工方案优化等。
（1）设备选型优化包括网关设备优化、执行器模块优化、终端设备优化等。优化的原则是在不改变安全性和稳定性的前提下实现更高的性价比。
（2）施工方案优化包括设计图纸优化、管线铺设优化等。优化的原则是保证设计图的合理性和完整性，管线铺设的合理性和经济性。
立即行动
以设备选型优化为例，对图4-6（参见教材P74）方案中的设备还有哪些优化的选择？填写在表4-5中。
表4-5 设备选型优化
原有设备 优化后的设备 优化的理由 优化后的效果
课后作业
习 题
1．智能家居系统设计的原则是什么？
2．智能家居系统的优化可以从哪些方面进行？
板书设计
第四章 智能家居系统设计与实现
第 二 节 方案设计与优化
一、方案设计
1.设计原则
2.系统方案
3.系统设计
二、方案优化
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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