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1、河南科学技术出版社通用技术通用技术普通高中教科书河南科学技术出版社普通高中教科书 通 用 技 术 选择性必修 选择性必修智能家居应用设计智能家居应用设计河南省基础教育教学研究室河 南 科 学 技 术 出 版 社组编ISBN 978-7-5349-9648-1绿色印刷产品智能家居应用设计普通高中教科书 通用技术 选择性必修定价：7.38 元通用技术通用技术普通高中教科书选择性必修智能家居应用设计河南科学技术出版社郑州河南省基础教育教学研究室河 南 科 学 技 术 出 版 社组编总 主 编：傅水根本册主编：姚国才核心编者：王田苗 刘 荣责任编辑：孙 彤美术编辑：张 伟责任校对：徐小刚普通高中教科书
2、通用技术（选择性必修）智能家居应用设计高中二年级河南省基础教育教学研究室河 南 科 学 技 术 出 版 社 组编河南科学技术出版社出版发行（郑州市郑东新区祥盛街 号）邮政编码：电话：（）河南日报报业集团有限公司彩印厂印刷全国新华书店经销开本：印张：字数：千字 年 月第 版 年 月第 次印刷 定价：元著作权所有，请勿擅用本书制作各类出版物，违者必究如发现印、装质量问题，影响阅读，请与出版社联系调换电话：（）1前言尊敬的老师们，亲爱的同学们：你们好！新版的“通用技术”系列教材与大家见面了。这套新教材是在习近平新时代中国特色社会主义思想和社会主义核心价值观指导下，遵循教育部 2017 年新颁布的课程
3、标准编写的。高中阶段为什么要开设通用技术课程呢？通用技术是与专业技术有所区别的技术，在当代技术体系中较为基础，在日常生活与生产中应用较为普遍。通用技术课程以立德树人、提高学生的技术学科核心素养为主旨，是一门来自生活与生产、面向全体学生、立足实践、注重创新、体现综合、科学技术与人文相统一的课程，着眼于培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人。每本教材的编写，都有高中教师的积极参与。纵观我国科技的发展，从群钻的发明、人工合成牛胰岛素，到治疗疟疾的青蒿素，再到为世界粮食安全做出重大贡献的超级水稻，以及为我国通信安全做出重大贡献的量子通信卫星，都说明我们中国人在科技领域开始走在世界的前列。要使我
4、国由制造大国转变为制造强国，为中华民族的振兴和世界的繁荣做出更大的贡献，我们的基础教育和高等教育还需要深化改革，以培养出更多高素质、强能力和富于创造性的年轻一代。当前，我国社会主义建设进入新时代。应用本套教材，我们将深刻理解技术，初识并感受设计的魅力，体验设计的创造乐趣；我们将认识设计中采用的 CAD/CAM 等软件和图样表达技术，在物化过程中采用的车工、铣工、钳工等常规制造工艺技术，先进的数控加工技术、激光雕刻技术、三维打印技术、机器人技术、无人机技术和智能家居技术等，会接触到互联网、大数据、云计算、物联网、人工智能和绿色生态技术。从难以忘怀的学习和历练中，同学们会受到创新意识、工程思维、工
5、程素养和工匠精神的感染与熏陶，提高服务国家和人民的社会责任感，增强勇于探索的创新精神和解决复杂问题的能力。通过情景导入、思维导图和设计任务引领，本教材充分展现“做中学”与“学中做”这一教育改革理念，并为此特意增添了“做中学”栏目。这里的“学”是在核心素2养指导下，亲身经历将创意转化为设计的过程，培养学生在实践基础上的动手能力、实践能力或物化能力；而其中的“做”，就是“设计结合实践”。这种“做”不是盲目的，而是在完成具体项目的复杂过程中，以学生为中心，以教师为主导，体现出团队的合作与交流，旨在实现从思维创意到设计，再到产品物化的不间断的、系统的、完整的迭代与优化。在学生的亲身经历和体验中，既有丰
6、富、活跃、探究式的深度学习与能力转化过程，也有进一步思考与挖掘技术背后隐含的设计思想、思维方法和价值观等问题。学生亲身经历的、与“项目”或“任务”密切关联的实践活动，在人才培养中具有非常重要的多种转化功能，即将知识转化为能力，将潜力转化为实力，将自疑转化为自信，将历练转化为素质，将聪明转化为智慧。那么，如何实现这些转化呢？那就是在实践中观察，在观察中思考，在思考中领悟，在领悟中成长。本教材将“技术意识、工程思维、创新设计、图样表达、物化能力”这一核心素养贯穿始终，力求在实践中做到：符合现代科技发展的实际情况；体现学科交叉与融合的时代特征；与丰富的生活紧密联系，结构合理，满足学生多样化发展的需要
7、；立足融合科学、工程、数学、技术、人文和社会的视野，体现劳动教育，突出创新精神、创新思维、实践能力和工程素养的培养。在科技发展日新月异的今天，具备良好的核心素养、知识视野、实践能力和创新思维，是未来攻坚克难，成为国家栋梁的必备基础。我们会发现，身边到处充满着技术与设计的应用，到处展现着创造与发明的魅力，到处都有新时代青年施展才华的舞台。本分册由融合了物联网、人工智能、大数据、自动控制等先进技术，学生在学习和实践中，可以深刻地感受先进技术对现代家庭智能化生活的影响，并通过各种先进技术在家庭生活中的运用，为学生提供了一个集通信、计算、控制于一体的应用窗口，从而增强学生对机械技术、电子技术、控制技术
8、等的综合运用能力。尽管本套教材的编者们付出了极大努力，但囿于编者水平，仍会存在不足甚至错误之处，恳请广大师生在教与学的过程中，运用批判性思维方法，积极思考，发现问题，提出宝贵意见，以便在修订时加以改进与完善。编 者 2019 年 3 月21第一章 智能家居架构与功能1第一节走进智能家居 2 一、智能家居的含义 2 二、智能家居的基本特征 3 三、智能家居与传统家居的对比 4四、生活中的家用智能产品 4第二节智能家居系统架构 5 一、智能家居系统的组成 5 二、智能家居系统的控制方式 8 第三节智能家居的发展脉络 10 一、智能家居的起源与发展 10 二、智能家居的发展问题 11 三、智能家居的
9、发展趋势 12第二章 智能家居与物联通信 14第一节物联网的基础认知 15 一、物联网的定义 15 二、物联网的构成 15 三、物联网的应用 16 第二节常见的物联网通信技术 17 一、总线技术 17 二、电力线载波技术 18 三、无线组网技术 18第三节物联网通信的技术实现 19 一、物联网传感器 20 二、物联网控制器 20目录2三、物联网云平台 25 四、物联网的框架设计 35第三章智能家居简易产品设计37第一节灯光控制产品设计 38一、声控 LED 灯设计制作38二、功能拓展：光强自动检测功能 42第二节 家电控制产品设计 45 一、红外控制风扇设计制作 45 二、功能拓展：风速手动调
10、节功能 49第三节安防控制产品设计 53 一、烟雾报警器设计制作 53 二、功能拓展：远程监控烟雾浓度 57第四节环境控制产品设计 60一、远程控制空气加湿器设计制作60二、功能拓展：远程监控室内温湿度64第四章智能家居系统设计与实现 70 第一节家庭智能照明系统设计 71 一、典型设备 71 二、需求调研 71 三、设计方案 73四、技术路线 73第二节家用电器控制系统 78 一、典型设备 78 二、需求调研 78 三、设计方案 79四、技术路线 79 第三节家庭安防报警系统 81 一、典型设备 8123 二、需求调研 82 三、设计方案 83四、技术路线 84 第四节家庭环境监控系统 85
11、 一、典型设备 86 二、需求调研 86三、设计方案 87四、技术路线 88 第五节智能家居设计任务 89 一、项目说明 89 二、项目评价 90附录部分中英文词汇对照表92第一章智能家居架构与功能导 言同学们，请想象这样一个场景：清晨，卧室的窗帘自动地徐徐拉开，阳光透过窗户照了进来。与此同时，音响系统开始播放柔和的音乐，全自动咖啡机和面包机也为我们准备好了丰盛的早餐。等我们用完早餐，自动洗碗机开始清洗用过的餐具，扫地机器人开始清扫各个房间的地面。为了防止不速之客的到来，安防管家自动进入警备状态，任何陌生人闯入禁区，安防系统都会立即发出警报，并向我们的手机发送实时图像。等我们晚上回到家，防盗门
12、通过识别我们的眼睛虹膜自动打开，家里的灯也依次亮起来，电视里播放着我们最喜欢的节目。在冬季或夏季，空调在我们回家前半小时已经开始工作，并调节到了最舒适的温度这是未来的生活场景吗？不，这不是对未来的想象，今天的科学技术已经将这些场景全部变成现实了。通过本课程的学习，我们甚至可以自己动手做出简易的智能家居作品。思维导图智能家居的控制方式有哪些各种控制方式的适用场景有哪些智能家居系统有哪些组成智能家居架构与功能3智能家居的发展历史智能家居发展中存在的问题智能家居的发展趋势智能家居的发展脉络2智能家居系统架构什么是智能家居智能家居的基本特征有哪些智能家居与传统家居有何区别走进智能家居12智能家居应用设
13、计相信同学们在影视作品或者小说中都或多或少见到过一些智能家居的场景，其实这些场景中的一部分已经变成现实。比尔盖茨在华盛顿湖建造的私人豪宅就是一座融合多项顶尖技术的智能建筑。如今，很多酒店利用智能家居技术提高整体服务水平与专业形象，一些新楼盘也整体预装了智能家居系统来作为卖点吸引客户。智能家居已经逐渐走进普通大众的视野。看到这里，同学们一定想要赶快了解一下真正的智能家居了吧！一、智能家居的含义智能家居又称智慧家居或智能住宅，英文名字是Smart Home。智能家居是综合利用先进的计算机技术、传感检测技术、网络通信技术、自动控制技术等高科技手段，来实现同时具备安全性、便利性、舒适性、环保节能性的居
14、住环境。智能家居可以通过控制主机将家里的灯光、音响、电视机、空调、电风扇、电水壶、电动门窗和安防监控设备，甚至燃气管道等所有声、光、电设备连接在一起，并根据用户的生活习惯和实际需求设置成相应的情景模式。无论任何时间和地点，只要有网络就可以通过手机、平板电脑或者个人电脑等来掌控家中的一切，并且能让各种设备按照规定的程序自动工作（图1.1）。1.了解什么是智能家居。2.熟悉智能家居的基本特征。3.能够区分智能家居与传统家居的联系与区别。学习目标第一节走进智能家居图 1.1 智能家居系统23第一章智能家居架构与功能请同学们探讨家居智能化的主要目的是什么。有人认为智能家居产品一般费用比较高，而且长期使
15、用会让人变懒，因此使用智能家居是贪图享乐的高消费行为。请同学们交流对这些观点的看法。探究与交流二、智能家居的基本特征智能家居的出现无疑是人们提高生活品质的福音。但是，智能家居除了做到智能化，还需要具备哪些基本特征才能真正造福人类呢？（一）安装简易性早期的智能家居因为布线复杂，安装起来特别不方便，而且安装成本很高，限制了智能家居的普及。随着物联网技术的发展，智能家居的安装越来越简单，一般情况下不需要进行复杂的布线及破墙等作业，非专业人士在安装说明书的指导下都可以进行简易智能家居系统的安装与调试。（二）接口通用性如果我们需要重新购买新的家电和灯具才能与智能家居系统配合的话，那将会使得布置智能家居的
16、成本提高很多。因此，智能家居系统需要具备接口通用性，可以与我们家中现有的各种家电和灯具进行快速连接。（三）操作便利性智能家居的便利性体现在能够根据实际操作需求，为人们提供多种操作方法，让我们可以在任何时间、任何地点对家中的一切设施进行操控。首先，通过手机应用程序（APP）就可以与智能家居系统的任何终端相连，实现了“掌控一切”的目的；其次，通过场景控制的方式，我们可以把多个设备的控制组合成一个场景，一键实现多个设备的状态切换，省去对单个设备的逐一操作；再次，通过联动控制的方式，还可以利用传感器来检测环境信息并实现自动控制。（四）功能拓展性智能家居的功能拓展性主要表现在可以针对不同类型用户的实际使
17、用需求进行拓展功能订制。例如，若家中有年迈的老人，为了保障老人的安全，可以在地面上安装超声波传感器，在任何时间，在家中的任意位置来检测老人的行动，再配合摄像和医疗报警设备，达到对老人的全方位保护。另外，还可以拓展出自动浇花、自动喂食宠物、自动晾衣服等功能。请同学们查找相关资料并相互分享交流，探讨智能家居还有哪些特征。探究与交流4智能家居应用设计三、智能家居与传统家居的对比智能家居可以在安全、节能、便利、舒适和智能等方面带给人们难以想象的生活体验，极大地提升人们的生活品质，有着传统住宅不可比拟的功能与优势。智能家居使住宅由原来的被动静止状态转变为能动智慧的状态，实现人们“与家居对话”的愿望。但是
18、，我们也应该客观地认识到智能家居在发展中也存在诸多问题。例如，有些设备昂贵却华而不实，对原有系统的改造工程浩大，控制操作复杂导致老年人难以适应，过度的便利导致人类越来越懒且脱离自然四、生活中的家用智能产品随着科技的发展与人类生活节奏的加快，除了前面介绍的智能家居系统，还诞生了很多独立的家用智能化产品，比如智能冰箱、智能空调、智能电视、智能扫地机器人等。智能冰箱：可以自动进行冰箱模式调换，始终令食物保持在最佳存储状态，用户可以通过手机或电脑，随时随地了解冰箱里食物的数量、保鲜保质信息，还可以为用户提供健康食谱和营养禁忌，并提醒用户定时补充食品。智能空调：能根据温度、湿度、空气质量传感器所传来的信
19、号进行分析判断，及时自动启动制冷、加热、去湿及空气净化等功能。智能电视：集影音、娱乐、数据等多种功能于一体，可实现双向人机交互功能，以满足用户多样化和个性化需求。智能扫地机器人：可以利用室内导航传感器及算法实现室内的自主避障移动，完成自动扫地及充电的工作。实践与体验1.在表 1.1 中列出智能家居相比于传统家居的优缺点。哪些缺点能够通过智能家居技术的更新发展而解决？哪些缺点需要人文精神的指导来帮助解决？优点缺点2.查阅资料，了解古代厨房到现代智能厨房的发展历程。表 1.1 智能家居的优缺点活动延伸请同学们课后进行一次调研，看看我们周围都有哪些家用智能产品，它们帮助人们解决了哪些生活中的问题。如
20、有可能，可对这些产品的实用性、经济性、创新性、环保性等因素进行比较分析。45第一章智能家居架构与功能同学们已经在上节课中了解到智能家居的神通，它让我们可以在任何时间、任何地点掌控家中的情况，就像一个潜伏在家中的精灵。然而，智能家居到底长什么样子？它存在于我们家中的哪个角落？同学们一定迫不及待地想解开智能家居神秘的面纱吧！一、智能家居系统的组成智能家居并不是看不见摸不着的事物，它是由控制主机、智能插座、红外转发器、智能开关、传感探测器、报警器等设备通过网络（有线或无线）组成的复杂系统，这些成员设备分布在家中的各个角落。为了方便分析与理解，我们可以把智能家居系统根据功能分为四部分：智能家电控制系统
21、、智能照明控制系统、智能安防报警系统、智能环境监控系统。（一）智能家电控制系统家电按控制原理一般可以分为两大类：一类是用开关控制的家电，如热水器、电饭煲和饮水机等；另一类是用红外线控制的家电，如电视、空调和电风扇等。对于用开关控制的家电，可以利用无线电信号来控制电源插座，从而实现对家电的启闭控制；对于用红外线控制的家电，可以利用红外转发器来“学习”红外遥控器的功能，将无线信号转换为红外信号，以实现手机客户端对家电的控制。智能家电控制系统（图 1.2）不仅可以实现用手机替代传统遥控器来控制电视、空调、电热水器、电饭煲、饮水机等电器，还具备远程遥控、情景设置与联动控制等多种便捷功能。例如，对饮水机
22、进行智能控制，可避免其在夜间反复加热而影响水质；上班回家前，可提前通过手机对空调、热水器和电饭煲等进行远程控制，让用户回家后即可享受舒适的室内温度、温度适宜的热水以及美味的晚餐。（二）智能照明控制系统在现代家庭生活中，为了满足不同场合的照明需求，人们往往安装了多种灯具。当我们在客厅接待客人的时候，需要明亮的光线，以带给客人温暖的感觉；当我们看电视的时候，需要比较柔和的背景灯，以营造舒适放松的气氛；当我们看书的时候，只需要打开书1.了解智能家居系统的主要组成。2.了解智能家居的控制方式有哪些。3.了解各类型控制方式的适用场景。学习目标第二节智能家居系统架构6智能家居应用设计桌上的台灯，以摒弃环境
23、的干扰。但是，各种各样的灯具却给照明控制带来了较大的不便。智能照明控制系统（图 1.3）轻松地解决了这个问题，主人只要按下手中的遥控器就能轻松转换照明场景。该系统主要由智能移动终端、智能开关面板、智能调光面板、场景控制面板等组成。主人可以通过该系统对单个灯具进行启闭控制或者亮度调节，也可以对多个灯具进行组合控制以实现不同的照明场景效果。智能照明控制系统让人们获得了更加便捷、舒适、节能的照明环境。图 1.3 智能照明控制系统无线光感智能红外 探测器无线 ZigBee门磁/窗磁智能调光开关智能开关场景面板客厅卧室书房智慧家庭控制主机家庭 Wi-Fi物联网云平台手机平板电脑图 1.2 智能家电控制系
24、统智能插座红外转发器电饭煲空调电视控制主机物联网云平台家庭 Wi-Fi手机平板67第一章智能家居架构与功能（三）智能安防报警系统生活中入室盗窃案件与房屋失火事故时有发生，独居老人在家摔倒后因不能及时送往医院而错失抢救时机的情况令人扼腕叹息。面对这些难题，我们该怎么解决呢？智能安防报警系统（图 1.4）承担着家居安全保障的核心功能，可以帮我们更好地解决以上问题。该系统主要由控制主机和前端报警探测器等组成。两者之间通过无线或有线的形式进行连接组网，实现全天候无死角的安防报警功能。例如，当有歹徒企图打开门窗时会触发门窗磁传感器，然后感应器会将无线报警信号发送给控制主机，接着由控制主机将报警信号发送给
25、指定的电话，以便及时阻止歹徒的行为，保障财产与人身安全。（四）智能环境监控系统智能环境监控系统（图 1.5）主要对居住环境进行有效的监测和管理，使居住环境从被动静止的状态过渡到主动可控的状态，对进一步优化住户的生活质量起到了重要的作用。该系统首先通过各种传感器来采集室内环境信息，再经过控制主机的数据分析与处理后，控制各种家电设备进行相应动作，以实现对环境的主动控制。目前的智能家居环境监控主要包括以下几个方面。1.室内温湿度的监控通过温湿度传感器检测室内温湿度值，联动空调、电风扇、加湿器、门窗等设备，将室内的温湿度控制在最佳状态。2.室内空气质量的监控通过空气质量传感器、甲醛检测仪等设备采集室内
26、空气的污染信息，联动空气净化器、电动开窗器等设备进行及时的自动换气或去污处理。3.室外气候信息的监控通过光线传感器、室外风速传感器、风雨传感器等采集室外气候信息，当突然下雨的时候联动电动开窗器、窗帘控制器等设备，防止雨水被风刮到住宅内。图 1.4 智能安防报警系统手机平板电脑家庭 Wi-Fi家庭智慧中心物联网云平台红外人体探测器红外幕帘探测器门窗磁铁传感器无线 ZigBee 燃气泄漏检测器无线ZigBee漏水检测器无线 ZigBee 紧急按钮网络高清摄像头声光报警器8智能家居应用设计二、智能家居系统的控制方式智能家居拥有多种控制方式，就灯光控制而言就有如下控制方式：当主人回到家中，可以通过关联
27、人体红外传感器而让灯光自动亮起；想休息或者看书的时候，可以通过情景面板将灯光切换到合适的场景；外出时，可以通过手机遥控家中灯具的开关。下面分别来介绍智能家居的几种控制方式。（一）本地控制本地控制是指用户在家里通过家用电器操作按钮、智能开关面板、无线遥控器等，对家用电器及灯具进行操作。传统控制方式多为一对一的直接控制，而智能家居本地控制则可以实现一个按键对多个不同位置的设备的同时控制。（二）远程控制远程控制是指用户在远离住宅的地方，通过手机、计算机等终端设备利用外部网络了解家中的安防、环境、电器工作状态等信息，并对家用电器、灯具和门窗等进行远程的控制操作。例如，当有盗贼打开了窗户，门窗传感器立即
28、就把报警信息发送到绑定的手机图 1.5 智能环境监控系统手机平板电脑家庭 Wi-Fi控制主机物联网云平台智能环境盒子（光）无线 ZigBee窗帘电动机智能环境盒子（PM2.5）智能环境盒子（CO2深度）风雨传感器无线 ZigBee窗帘控制器电动开窗器智能空气净化器做中学智能家居的分类1.请同学们上网搜集某一智能家居品牌的产品信息，并按智能家电控制系统、智能照明控制系统、智能安防报警系统、智能环境监控系统这四个子系统进行产品的分类。2除了以上介绍的基本的智能家居系统外，请同学们查阅资料，找出智能家居的其他辅助系统，并讨论它们的各自功能。89第一章智能家居架构与功能上；通过手机上的按键操作，主人可
29、以打开家中的监控摄像头，了解家中的突发情况；主人还可以利用手机把电视机与灯光打开，营造出有人在家的假象，把盗贼给吓跑。（三）定时控制定时控制是指主人通过软件对家中的灯具或家电进行提前的操作参数设置，进而实现在指定时间的控制操作。例如，每天清晨当用户还在熟睡时，按照事先设定好的程序，卧室内的窗帘准时自动拉开，轻柔的背景音乐也按时响起，为主人营造起床的氛围；微波炉也按时烹饪早餐，等待主人洗漱完毕后享用；早餐完毕后，背景音乐自动关闭，提醒主人赶快去上班；等主人离家后，室内所有的灯具和部分家电自动断电，安防系统自动布防；当主人外出旅游时，还可以定时开关一些灯具和电器，给不法分子营造出家中有人的假象，以
30、确保家中安全。（四）情景控制在日常生活中，当主人要出门时，通常要检查室内的所有灯具是否关闭、家用电器是否断电、窗户是否闭合主人的大脑不一定每次都能顾及每一个动作。智能家居的情景控制功能可以帮助主人一次性完成以上所有动作。情景控制是指将家中灯具、窗帘、空调和其他家用电器的若干设备任意组合，形成一个自定义的情景模式，然后按一下“情景模式”键，便可按预先设定的情景同时开启或关闭一组设备。例如，晚上准备睡觉时按下“晚安模式”键，家中的灯具和窗帘全部关闭，需要关闭的电器设备自动断电，温湿度控制器工作，这时就可以安心入睡了；起夜的时候传感器探测到人的动作信息时，自动启动“起夜模式”，卧室的灯光开启，通往卫
31、生间的地灯以及卫生间的灯具也同时被点亮，返回时关闭“起夜模式”键，所有的灯光关闭。（五）联动控制当一个事物运动或者变化时，另一个事物会跟着运动或变化，这就是联动。比如当外面开始下雨时自动关闭窗户，就是智能家居里面的联动控制功能（图 1.6）。图 1.6 通过联动控制自动关窗控制主机风雨传感器下雨自动关窗智能窗户开关10智能家居应用设计联动控制是指将灯、家电、窗帘、水及燃气管道阀门等执行设备与传感探测器进行联动控制。联动控制的原理是：当传感探测器检测到触发信号，传递给智能家居控制中心，然后再由控制中心对执行设备下达命令，使执行设备做出对应动作。比如，当人体红外传感器检测到主人回家，家里的灯光将自
32、动打开，背景音乐也自动响起；当可燃气体探测器检测到燃气泄漏，将自动关闭燃气阀门。远古时期的人类生活在茂密的森林中，像猿猴一样栖息在树木上或者洞穴里。当他们逐步懂得了用石头制造简单的工具，逐渐向气候较温暖、食物较多的地区扩展生活领域时，人类开始建造简单的半穴居的房屋。进入新石器时代以后，人类开始用泥砖、石头、木材来建造房屋，建筑也逐渐增多而形成了建筑群、村落、城镇等，建筑的内容也日益丰富。从此，人类开始摆脱蒙昧和野蛮，以自己的智慧营建起人类社会的活动空间，建立起了壮丽多彩的文明社会体系。目前，人类的居住环境已经由于智能家居的出现而发生了翻天覆地的变化。那么，智能家居诞生于什么时候？经历了一个怎样
33、的发展过程？如今存在哪些问题？未来的发展趋势是什么？让我们带着这些问题进入本节课程的学习吧！一、智能家居的起源与发展智能家居是计算机技术、网络技术、控制技术向传统家居产业渗透发展的结果。从社会发展角度看，人们对生活环境日益提高的需求，为智能家居的发展积累了势能；从技术发展角度看，相关科学技术的日益成熟为智能家居的发展提供了动能。日益增长的需求与日益成熟的技术，共同促进了智能家居的诞生与发展。1.了解智能家居的发展历史。2.了解智能家居的发展问题。3.了解智能家居的发展趋势。学习目标第三节智能家居的发展脉络活动延伸智能家居有多种控制方式，不同的控制方式应用于不同的生活场景。请同学们查找资料并联系
34、自己的实际生活，深入了解各种控制方式在生活中的应用。1011第一章智能家居架构与功能智能家居的起源可以从 1984 年算起，当时美国联合科技的 UTBS 公司将建筑设备信息化、整合化的概念应用于一幢旧金融大厦的改造，采用计算机系统对大楼的空调、电梯、照明、给排水、防火、供配电设备等进行监测和控制，并提供语音通信、电子邮件和情报资料等方面的信息服务。于是出现了公认的世界上第一幢“智能建筑”，从此也拉开了全世界争相发展智能家居的序幕。自从世界第一幢智能建筑在美国出现后，美国、加拿大、澳大利亚等国家先后提出了各种智能家居的方案。美国和一些欧洲国家在这些方面的研究一直处于世界领先地位，日本、韩国、新加
35、坡也紧随其后。智能家居作为一个新生产业，在 20 世纪 90 年代开始进入中国，从概念产品开始，先后经历了萌芽期、开创期、徘徊期约 20 年的发展。自进入 2011 年以来，我国智能家居行业迎来了发展的春天。2011 年 11 月，工业和信息化部（简称工信部）发布物联网“十二五”发展规划，把智能家居列入 9 个重点示范应用工程之一，各种利好政策接踵而来。此外，工信部、发改委等 15 个部委在 2013 年 9 月初联合发布了物联网发展专项行动计划，将“推动智能家居应用”列为重点任务之一，将在全国大中城市选择 20 个重点社区，开展超过 1 万个家庭的智能家居试点应用和推广。这一阶段涌现出了很多
36、新兴的智能家居企业，也有很多传统家电企业参与进来。二、智能家居的发展问题智能家居在发展过程中也遇到了许多问题。在现实生活中，智能家居市场缺乏统一标准、部分产品实用性较差、价格普遍昂贵、系统可靠性不足等四大因素已成为制约智能家居快速发展的重要原因。（一）市场缺乏统一标准智能家居本质上是基于物联网的设备，它们需要互联互通。但是如果标准不统一，将会导致采用不同标准的智能家居品牌产品之间不兼容而难以互联互通。如今，传统家电巨头已经纷纷开启了智能家居发展战略，甚至一些 IT 互联网企业也加入到了智能家居的竞赛中来。激烈的竞争导致众多企业各自为营，只顾积极打造自己的智能应用控制平台，以争夺智能家居应用中的
37、主导权，却缺乏统一的标准，严重影响了行业的整体发展。（二）产品实用性较差真正的智能家居应该是人和智能家居设备能够“互联、互通、互动”的，即智能家居做中学智能家居发展现状请同学们通过互联网搜索或者访问智能家居企业等方法调研国内外智能家居的发展现状，查找并收集哪些智能家居产品已经得到了大规模应用。12智能家居应用设计设备能够通过人的语言或操作，借助于大数据、云计算、人工智能等技术实现人与物之间的沟通与交流。不过从目前的情况看，很多智能家居产品都设计得不够人性化，有些智能家电的操作流程极其复杂，严重影响了用户体验，久而久之，让人们产生了智能家居只是摆设的心理。（三）产品普遍昂贵智能家居作为一个新兴产
38、业，在技术上需要投入大量的研发资金，较低的市场普及率使得产品价格一直居高不下，让很多消费者因为昂贵的价格望而却步。只有更多价格亲民的智能家居产品的出现，才能让智能家居走进更多家庭。（四）系统可靠性有待改善无线控制技术为智能家居带来了灵活性和便捷性，但同时可靠性不足的问题也随之而来。比如，炎热的夏天，你在下班路上用手机APP终端打开了家里的空调，可是回到家中之后，却发现空调根本没有启动；再比如，当你设置了某种报警情景，而报警器却在无任何异常情况之下发出报警声响。这些都是因为智能家居可靠性差给用户带来的困扰。如何提高智能家居产品的可靠性，成为各个智能家居企业接下来必须要思考和解决的问题。智能家居必
39、须努力做到统一标准、实用性好、价格适中、性能可靠，才能迎来其大发展的黄金时期。智能家居系统为了给用户提供个性化智能服务，需要收集用户的个人数据信息，这会导致用户个人信息的泄露吗？探究与交流三、智能家居的发展趋势未来的智能家居会是什么样呢？具体来说，未来的智能家居会逐步向着人工智能的方向发展，它的行为不需要用户自己设定与操作，全部在人工智能技术的控制下进行。比如它可以根据用户的历史大数据信息，推测出用户在特定情况下的潜在需求，然后为用户提供精准的服务。如今，人们已经开始尝试用语音控制、手势识别、意念控制等智能化控制方式来实现更加便捷的智能家居控制。（一）语音控制基于语音控制的智能家居系统：通过简
40、单的自然语言交流就能开启或关闭设备，无异于在家中拥有了一位人工智能管家。（二）手势控制基于手势控制的智能家居系统：通过识别用户手势来操控电视机、机顶盒、媒体播放器，还可以打开房间里的灯具、窗帘等设备（图1.7）。图 1.7 利用手势控制电视机等设备1213第一章智能家居架构与功能（三）意念操控基于意念控制的智能家居系统：通过脑电波头环（图1.8）捕捉脑电波并将其转化为电信号传递给手机，而后再通过Wi-Fi控制其他智能家居设备。图 1.8 脑电波头环本章小结智能家居又称智慧家居或智能住宅。智能家居是一个以住宅为平台，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、音视频技术将家居生活
41、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，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。智能家居的基本特征：安装简易性、接口通用性、操作便利性、功能拓展性。智能家居系统由智能家电控制系统、智能照明控制系统、智能安防报警系统和智能环境监控系统组成。智能家居的控制方式有本地控制、远程控制、定时控制、情景控制及联动控制。活动延伸请同学们查阅资料并与其他同学分享，看还有哪些与人工智能结合的智能家居控制方式。评价内容评价方式自我评价小组评价教师评价过程评价师生互动能积极思考老师提出的问题，了解智能家居的基本特征了解智能家居的主要组成能积极参与课堂讨论，探讨智能家居的
42、发展问题和发展趋势实践活动积极参与技术实践活动，通过查阅资料，对智能家居进行分类掌握智能家居的控制方式在实践中提出创造性的构思结果评价目标实现获得新的知识和技能提高技术核心素养收获反思有非常明确的收获和反思能够将所学知识迁移到其他领域并加以应用学习评价14智能家居应用设计第二章智能家居与物联通信导 言传统的智能家居均采用有线的方式，不仅需要专业人员来施工、维护，而且施工周期长、费用高、系统灵活性差、维护修理难、扩展能力低，很多项目建成后用户根本无法更新升级，让消费者苦不堪言。比尔盖茨的智能豪宅铺设了 84km电缆，耗资 5.3亿美元，这是一般家庭难以承担的。物联网的出现，让智能家居迎来了峰回路
43、转之势。它摆脱了布线带来的麻烦，使得普通消费者都有可能自己组装完成整套智能家居系统，而不需要专业人员的参与。物联网已成为智能家居发展的一道重要分水岭。本章将带领我们一起来认识智能家居与物联网通信。思维导图各种无线组网技术的特点是什么常见的物联通信技术有哪些什么是物联网物联网有哪些组成物联网有哪些应用智能家居与物联通信3物联网传感器有哪些如何进行物联网的框架设计物联网通信的技术实现2常见的物联通信技术物联网的基础认知1什么是物联网控制器如何使用物联网云平台各种物联通信技术的特点是什么无线组网技术有哪些1415第二章智能家居与物联通信2017年7月15日，在北京工业大学奥林匹克体育馆拉开“博创杯”
44、全国大学生嵌入式设计大赛全国总决赛的帷幕，共有来自全国高校的400多支队伍入围决赛。参赛作品涵盖了智能家居、工业制造、农业生产、医疗卫生等领域的智能产品设计。在大赛现场，随处可见集成了物联网技术的作品，“基于物联网技术的老人智能看护机器人”“基于物联网技术的立体车库停车系统”“基于物联网技术的救援机器人系统设计”可见物联网技术已经成为大学生们进行发明创造的重要工具，借助物联网技术，人们可以给传统产品赋予新的功能价值。物联网技术在智能家居等领域扮演着如此重要的作用，同学们知道什么是物联网吗？它具体涉及哪些技术？如何进行简单的物联网系统设计呢？让我们一起走进物联网世界吧！一、物联网的定义顾名思义，
45、物联网就是物物相连的互联网，其英文名称是Internet of Things（IOT），被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮，代表着信息通信技术的发展方向。物联网是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的概念是在1999年提出的。物联网有两层意思：其一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上延伸和扩展的网络；其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信，也就是物物相连。物联网又称为传感网
46、。简单地说，世界上的万事万物，小到手表、钥匙，大到汽车、楼房，只要嵌入一个微型感应芯片，把它变得智能化，这个物体就可以“自动开口说话”。再借助无线网络技术，人们就可以和物体“对话”，物体和物体之间也实现了“交流”。二、物联网的构成物联网可以分为三层结构，分别是感知层、网络层和应用层。感知层主要通过各种感1.认识什么是物联网。2.了解物联网的构成。3.了解物联网的应用。学习目标第一节物联网的基础认知16智能家居应用设计图 2.1 物联网的技术构成三、物联网的应用物联网有许多用途，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系监测、食品
47、溯源和情报搜集等多个领域。具体地说，就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等系统的各种物体中，然后将物联网与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。在这个整合的网络当中，存在能力超级强大的中心计算机群，能够对整合网络内的人员、机器、设备和基础设施实施实时的管理和控制。在此基础上，人类可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产力水平，使人与自然间的关系更加和谐。知方式进行信息的采集和获取；网络层通过结合互联网、移动通信网等进行信息的传递与交互；通过感知层和网络层的信息提升人们对物质世界的感知能力，人们
48、再通过应用层实现智能化的决策与控制（图2.1）。活动延伸请同学们查阅资料，举一个物联网的具体应用实例。1617第二章智能家居与物联通信同学们已经知道了物联网是让物物相连的互联网，能够让任何物品与物品之间进行信息交换。那么物联网是靠什么技术手段实现物物相连呢？也就说物联网的通信技术有哪些呢？现阶段，主要的物联网通信技术有三类，分别是总线技术、电力线载波技术和无线组网技术。三类通信技术有各自的优势及适用场景，而且一个智能家居网络中经常同时使用其中的多项技术。下面让我们分别了解一下这三类物联网通信技术吧！一、总线技术总线技术是一种描述电子信号传输线路的结构形式，是一类信号线的集合，是子系统间传输信息
49、的公共通道。简单地说就是将所有设备的通信与控制都集中在一条线上的通信技术。总线技术的产品模块具有双向通信能力，即双方都可以互相发送控制信息。总线技术比较适合于楼宇和小区智能化等大区域范围的应用，但安装设置比较复杂，造价较高，工期较长，一般只适用于新装修用户。典型的总线技术采用双绞线电缆（图 2.2），各网络节点都可以从总线上获得供电。以双绞线为通信介质的总线种类有 RS-485 总线、KNX 总线、LonWorks 总线、CAN 总线等。1.了解常见的物联网通信技术的种类及特点。2.了解无线组网技术的种类及特点。学习目标第二节常见的物联网通信技术图 2.2 双绞线电缆阻水外护套电源线护套电源线
50、网线单独护套绞距加密18智能家居应用设计二、电力线载波技术电力线载波技术是指利用电力线作为信息传输媒介进行语言或数据传输的一种特殊通信方式。载波是传送信息（语音和数据）的一种工具。载波的频率通常比输入信号的频率高，将输入信号调制到一个高频载波上，就好像搭乘了一列高铁或一架飞机一样，然后再被发射和接收。利用电力线载波技术，可将家庭现有的电力线作为通信载体，把房屋内的电话、电视、音响、冰箱等连接起来，实现智能设备之间的通信与控制。电力线载波不需要重新架设网络，具有施工简单、成本低、传输速度快的优点。但是也具有信号质量差、传输不稳定的缺点。三、无线组网技术无线组网技术是一种无线连接技术，它将家庭内部