【教学活动案例】设计一个智能家居模型 —以门禁系统为例

智能家居方向

设计一个智能家居模型—以门禁系统为例

李敦勇 浙江省温州市平阳新纪元水头学校

刘正云 南通大学附属中学

智能家居是以住宅为平台，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、音视频技术等将与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。

设计一个智能家居模型的学习课题源于学生对智能家居的好奇，智能家居作为一个新兴事物，其内部原理、技术实现等大家都不太了解。因此，本项目试图从门禁系统这一“小斑”的设计与实现去引导学生知“全豹”。该项目不仅可以帮助学生理解和应用所学的软硬件知识和技术，而且还渗透了物联网技术的运用，真正培养了学生自主探究学习的意识和能力。

在设计门禁系统之前，首先得理清门禁系统的工作原理。门禁系统兼具传统与智能两种家居功能， 简单来说它既可以通过手动开关来实现门的开关功能（传统的），也可以通过SIoT服务器平台来实现手机远程读取门的状态以及控制门的开关的功能（智能的）。门禁系统工作原理如图1所示。

本项目所需硬件清单如下表所示。

第一步：设计并使用废弃的纸板制作智能家具的外观模型。

第二步：将掌控板插在掌控板扩展板上，将三个按钮分别连在掌控板扩展板的P8、P13、P16针脚上， 将舵机接在P1针脚，连接电源给本套装置供电。

第三步：在软件实现成功之后，将外观模型进行组装，并将掌控板+扩展板、电池盒、按钮和舵机等固定在房子内部。

门禁系统的软件实现主要包含三个部分：一是MQTT服务器的架设，为后期消息的发送及订阅提供保障；二是掌控板端的程序编写，实现掌控板与SIoT平台的消息互通；三是手机APP的部署，完成手机的远程控制。

下载SIoT软件压缩包，解压后双击运行。在整个实验过程中服务器保持运行状态。从运行界面可知该服务器的I P地址为192.168.8.112。在手机部署阶段可通过访问该服务器的IP地址（如http://192.168.8.112:8080）实现消息的查阅及发送。

（1） 编程实现单纯按钮控制门禁开关

根 据门的位 置 及 连 接的方式，确定舵机安装方式。使用Mind+编程，实现P8针脚连接的按钮被按下时，舵机转动到10度， 门打开；P16针脚连接的按钮被按下时，舵机转动90度，门关闭。

（2） 编程实现SIo T平台控制门禁开关

在简单控制程序的基础上加入MQTT服务器的内容，使掌控板端通过无线，连接上之前一直打开着的SIoT平台，需要注意的是，程序中的Wi-Fi应与SIoT处于同一个局域网之内。

通过访问h t t p : // a p p . gzjkw.net进行APP inventor的在线编程。

（1） 组件设计

整个界面主要由1个标签（设置其文本为“读取状态……”）、2个按钮（开门、关门）、2个非可视组件Web客户端和计时器组成。

（2） 逻辑设计

根据SIoT的WebAPI功能，首先，每隔1秒订阅一次最新消息。使用计时器指令实现访问SIoT服务器网址，并获得文本，将返回的数据存放在“响应内容”中。其次，通过对“响应内容”的处理，提取所需内容，进行逻辑判断，程序如图 2所示。最后，编程实现APP通过“开门”“关门”按钮完成消息的发送，具体编程如图3 所示。

图3 APP平台按钮功能实现

完成硬件和代码后，就可以开始测试了：按下智能家居模型以及手机APP上的相应按钮，门可以实现打开、关闭功能；手机APP上也可以及时传回门禁系统的开闭状态。该模型利用SIoT物联网平台实现了远程控制，也让学生了解到了智能家居的基本原理及实现方法。

当然对于这个项目，个人觉得还可以作一些拓展：

第一，项目的SIoT物联网平台是建立在局域网内的，其实也可以建立在整个广域网中，那将实现跨网访问与交互，其应用领域也将会更广阔。

第二，手机端的控制是利用SIoT服务器的WebAPI功能，通过手机APP的Web客户端发起请求来实现手机的远程控制。除此之外，也可以利用计算机的网页端等其他多种方式来实现。

设计智能家居模型是一个非常适合中小学的研究项目，其价值是将传统开关门方式与现代科技结合，通过动手造物的形式，让学生深入理解现代门禁系统可能的实现方法，进而对智能家居有深刻而又具体的认识。SIoT的出现与普及，让物联网平台的学习门槛越来越低， 学生利用掌控板和MQTT协议，完全能够做出可以真正应用于生活中的智能装置，如将学校创客空间的某些设备改造为远程控制。