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
第三章 智能家居简易产品设计
第 二 节 产品方案设计
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.从实际情况出发，确定智能家居系统的需求，确定系统实现需要。
2.能对智能家居系统的安全性、功耗进行分析，设计安全可靠、低功耗的智能家居产品。
3.结合软硬件的接口标准和通信协议，理解组网、通信的原理与功能。
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认识有限，他们需要学习有关智能家居产品设计的知识。
现代家庭通常都有电视机、音响、电冰箱、空调、洗衣机等各类家用电器，也有窗帘、门锁、电灯等设备。通过应用计算机、通信和控制技术，将这些电器和设备互联起来，构建一个智能家居系统，实现家居安防、互动娱乐、通信和电器设备的远程控制等服务，已经成为未来家庭生活的发展趋势。本章通过学习简易智能家居产品的原型构建、程序设计、硬件配置，以达到初步掌握智能家居产品一般设计方法的目的。
教学重难点:
从实际情况出发，确定智能家居系统的需求，确定系统实现需要。
能对智能家居系统的安全性、功耗进行分析，设计安全可靠、低功耗的智能家居产品。
结合软硬件的接口标准和通信协议，理解组网、通信的原理与功能。
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　第三章 智能家居简易产品设计第 二 节 产品方案设计。
从第一章的学习中，我们知道，智能家居主要有智能照明系统、智能家电系统、智能环境监测系统、智能安防报警系统、智能家庭影院系统等子系统，如图3-13所示。
下面我们将通过设计一个简易的智能家居产品——智能照明系统，让同学们对智能家居系统设计做进一步的了解。
需求背景
小明家是五年前装修的，家里电脑能通过无线路由器连接到外网，但没有预留多余的有线网络接口，他希望利用所学的智能家居方面的知识将家庭某房间的照明改装成智能照明系统，可以通过手机移动终端来控制灯光开关。
了解了小明的需求背景及要求后，小明家的智能照明系统应该如何设计？我们要结合小明的需求，确定设计方案。
一、可行性分析
由于小明家不属于新家装用户，所以设计的方案将不选用有线组网方式，而是全部选用无线组网方式，这样既安装便利，又尽量减少对原有装修的破坏。通过前面的学习，我们知道有蓝牙、Wi-Fi、射频等无线组网方式。针对小明的需求，我们可以设计两个方案。
1．方案1
开源硬件可以作为智能家居的控制主机，我们可以使用价格较便宜、性能较简单的开源硬件Arduino UNO主控板作为方案1的控制主机，手机作为控制终端。编写程序，用手机通过蓝牙去控制Arduino UNO主控板，再通过Arduino UNO主控板去控制灯泡，从而达到用手机控制灯泡的目标。
2．方案2
方案1需要用户自己有一定的程序编写能力，且Arduino UNO主控板性能较简单，不利于后期功能的拓展。因此，我们可以使用商用智能家居网关作为控制主机，触摸开关、手机、平板电脑等作为控制终端，直接使用商用智能家居网关现成的软件平台进行设置控制，后期系统功能如果需要拓展也非常方便。
二、关键技术
通信技术是智能家居的关键技术之一。在方案1中，手机通过蓝牙技术与接有蓝牙模块的Arduino UNO主控板进行通信，Arduino UNO主控板控制直接相连的继电器模块，继电器模块再控制直接相连的灯泡。在方案2中，手机、平板电脑等移动终端通过移动通信技术或Wi-Fi技术与路由器通信，路由器通过网线与网关通信，网关通过射频技术与带有RF433无线通信模块的触摸开关通信，触摸开关控制直接相连的灯泡。
立即行动
上网查找资料，想一想RF433无线传输与Wi-Fi无线传输有什么区别？
知识窗
继电器是一种电控制的开关器件（图3-14），它用一个小电流（低电压）去控制一个大电流（高电压）的开与关。它有一个输入回路，一般接低压电源；还有一个输出回路，一般接高压电源。
继电器的输出回路一般有三个触点，中间的触点是动触点（公共端），其他两个触点是静触点。输入回路不通电时，动触点总是与一个静触点断开（称为常开），与另一个静触点闭合（称为常闭）。输入回路通电后，动触点与常开触点闭合，与常闭触点断开。
三、产品方案
方案1系统框图如图3-15所示。
方案2系统框图如图3-16所示。
立即行动
1．上网查询资料，设计表格，从实用性、可靠性、安装简易性、经济性、安全性等方面比较方案1和方案2的优缺点。
2．智能照明系统方案2的主要耗电来自哪些方面，可通过什么途径或方法降低功耗？
3．你觉得智能家居的安全隐患主要来自哪些方面？怎样预防？
知识窗
我国有关智能家居的安全标准在很长时间内都处于空白，2018年，中国智能家居产业联盟正式发布《智能家居网络系统安全技术要求》。它对智能家居系统中的设备按照安全的重要程度进行了分级，区分了关键设备和一般设备，对家庭主机、云控制平台等设备提出了高等级的安全要求，对电加热器、大功率设备提出了可靠操作和有害操作识别的要求，对一般设备也提出了基本的信息安全要求。
蓝牙技术
蓝牙技术是一种无线数据和语音通信开放的全球规范，它是基于低成本的近距离无线连接，为固定和移动设备建立通信环境的一种特殊的近距离无线技术连接。
蓝牙使当前的一些便携移动设备和计算机设备能够不需要电缆就能连接到互联网，并且可以无线接入互联网。
原理
蓝牙是一种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换(使用2.4~2.485GHz的ISM波段的UHF无线电波)。蓝牙可连接多个设备，克服了数据同步的难题。
蓝牙技术是世界著名的5家大公司一爱立信(Ericsson)、诺基亚(Nokia)、东芝(Toshiba)、国际商用机器公司(IBM)和英特尔(Intel)，于1998年5月联合宣布的一种无线通信新技术。蓝牙设备是蓝牙技术应用的主要载体，常见蓝牙设备比如电脑、手机等。蓝牙产品容纳蓝牙模块，支持蓝牙无线电连接与软件应用。蓝牙设备连接必须在一定范围内进行配对。这种配对搜索被称之为短程临时网络模式，也被称之为微微，可以容纳设备最多不超过8台。蓝牙设备连接成功，主设备只有一台，从设备可以多台。蓝牙技术具备射频特性。采用了TDMA结构与网络多层次结构，在技术上应用了跳频技术、无线技术等，具有传输效率高、安全性高等优势，所以被各行各业所应用。
特点
蓝牙技术及蓝牙产品的特点主要有：
1 蓝牙技术的适用设备多，无需电缆，通过无线使电脑和电信连网进行通信。
2 蓝牙技术的工作频段全球通用，适用于全球范围内用户无界限的使用，解决了蜂窝式移动电话的国界障碍。蓝牙技术产品使用方便，利用蓝牙设备可以搜索到另外一个蓝牙技术产品，迅速建立起两个设备之间的联系，在控制软件的作用下，可以自动传输数据。
3 蓝牙技术的安全性和抗干扰能力强，由于蓝牙技术具有跳频的功能，有效避免了ISM频带遇到干扰源。蓝牙技术的兼容性较好，蓝牙技术已经能够发展成为独立于操作系统的一项技术，实现了各种操作系统中良好的兼容性能。
4 传输距离较短：现阶段，蓝牙技术的主要工作范围在10米左右，经过增加射频功率后的蓝牙技术可以在100米的范围进行工作，只有这样才能保证蓝牙在传播时的工作质量与效率，提高蓝牙的传播速度。另外，在蓝牙技术连接过程中还可以有效的降低该技术与其他电子产品之间的干扰，从而保证蓝牙技术可以正常运行。蓝牙技术不仅有较高的传播质量与效率，同时还具有较高的传播安全性特点。
5 通过跳频扩频技术进行传播：蓝牙技术在实际应用期间，可以原有的频点进行划分、转化，如果采用一些跳频速度较快的蓝牙技术，那么整个蓝牙系统中的主单元都会通过自动跳频的形式进行转换，从而将其以随机的进行跳频。由于蓝牙技术的本身具有较高的安全性与抗干扰能力，在实际应用期间可以蓝牙运行的质量。
系统组成
1 底层硬件模块。
蓝牙技术系统中的底层硬件模块由基带、跳频和链路管理。其中，基带是完成蓝牙数据和跳频的传输。无线调频层是不需要授权的通过2.4GHz ISM频段的微波，数据流传输和过滤就是在无线调频层实现的，主要定义了蓝牙收发器在此频带正常工作所需要满足的条件。链路管理实现了链路建立、连接和拆除的安全控制。
2 中间协议层。
蓝牙技术系统构成中的中间协议层主要包括了服务发现协议、逻辑链路控制和适应协议、电话通信协议和串口仿真协议四个部分。服务发现协议层的作用是提供上层应用程序一种机制以便于使用网络中的服务。逻辑链路控制和适应协议是负责数据拆装、复用协议和控制服务质量，是其他协议层作用实现的基础。
3 高层应用。
在蓝牙技术构成系统中，高层应用是位于协议层最上部的框架部分。蓝牙技术的高层应用主要有文件传输、网络、局域网访问。不同种类的高层应用是通过相应的应用程序通过一定的应用模式实现的一种无线通信。
课后作业
习 题
1．从用户需求的角度去看，智能家居单品和智能家居系统各有什么优缺点？小明的需求能否采用市场上的智能家居单品来满足？
2．如果小明希望走进洗手间，洗手间的灯就会自动亮起来，需要使用什么传感器？如果需要客厅的灯能随着自然光线的强度而自动调节到合适的亮度，需要使用什么传感器？
尝试在方案2的基础上设计添加传感器。
板书设计
第三章 智能家居简易产品设计
第 二 节 产品方案设计
一、可行性分析
方案1
方案2
二、关键技术
三、产品方案
方案1
方案2
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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