智能家居在高校实训项目设计中的思考

［摘 要］ 随着现代信息技术的不断发展，智能家居逐渐走进我们的日常生活，智能家居项目也被一些高校采纳为实训项目。智慧教室是国家“双高”建设指标之一，而智能家居是电子信息大类专业智慧教室的重要实训项目。从大学实训室项目建设出发，对智能家居实训项目进行了构思，致力于综合多专业规划建设，以统一的实训设备为多专业提供实训服务，从而达到资源共享的目的，同时加强不同专业之间的横向联系，提高实训室的利用率、经济性和扩展性。以一个实际的智能家居实训项目为例，阐述了思路的可行性。

［关键词］ 智能家居实训项目；智慧教室；多专业；资源共享

［基金项目］ 2024年度广东理工职业学院“基于行业职业技能竞赛的复合型人工智能人才培养模式探索”（2024CQ-20）

［作者简介］ 龙 华（1973—），男，江西奉新人，硕士，广东开放大学人工智能学院实训教研室主任，主要从事嵌入式、人工智能研究；金泰熙（1964—），男，韩国人，博士，灵山大学计算机工学系教授，博士生导师，主要从事人工智能、智能控制研究。

一、智能家居实训项目研究现状

智能家居作为家庭信息化的实现形式，已经成为社会信息化的重要组成部分，随着科技的发展，人们对智能家居的功能要求也在不断提升。在教育领域，智能家居应用设计已经纳入高中阶段的必修实验模块，在大学教育中，围绕着智能家居的课程设计也在如火如荼地展开［1-2］。早期的智能家居设计多集中在电子信息工程方向和网络协议的研究及应用［3-6］。近年来，智能家居研究走向多元化，比如软件App和云端实现远程控制、用户信息安全、设备响应的实时性、人工智能图像处理和专家系统、虚拟技术等［7-12］。基于这个原因，有必要在高校中设计全新的智能家居实训项目，以一个完整的智能家居项目服务于多个专业的实训室建设是有前景的。

二、高校智能家居实训项目建设思路

一个完整的智能家居实训项目，能够满足多专业的课程实训需求，有利于扩展学生的知识视野，培养其团队合作精神，并留有扩展接口，以待新技术应用的加入。

1.与物联网相关的课程实训。如“嵌入式技术基础”“Cortex-M开发技术”等课程可以使用智能家居实训项目的智能终端部分开展授课，每1～2人分配一块学习板，了解CPU结构、外设接口、传感器数据采集，重点掌握网络芯片的程序驱动和与CPU的数据交互。

2.软件开发课程实训。如“微信小程序开发”“Android App开发”“H5-WEB开发”等课程可以使用智能家居实训项目的用户端部分开展授课。在这部分可以根据学生的爱好，以细致美观的可视化网页设计引导学生进行前端设计，讲解从静态网页编程到动态网页编程的过程，然后有层次地进行逻辑功能的编程设计，重点讲解根据在线文档编写网络请求函数request的过程，演示数据在网络中的传递过程，教会学生怎么调试程序，这部分的难点是用户端如何编程连接云端。

3.网络相关课程实训。如“计算机网络基础”“网络安全”等课程可以在云端和智能终端的WIFI芯片（如ESP32）部分开展授课。一个完整的智能家居项目中使用的协议包括HTTP协议、MQTT协议、WIFI协议、蓝牙或ZIGBEE协议等，可在程序中讲解枯燥的网络协议基本原理，让学生看懂或动手编程实现网络协议，学会调试程序、单步运行查看结果，结合实际的设备，体会软件驱动硬件的过程。

4.人工智能相关课程实训。如“人工智能基础”“openCv图像识别”“深度学习”等课程可以在智能家居实训项目的用户端部分开展授课。在用户端设置人脸识别登录验证，用于讲解openCV、机器学习、深度学习等基础知识，让学生在具体的项目中体会人工智能编程技术。

5.其他课程。如“软件工程”等课程可以从功能模块上剖析整个智能家居项目的结构。“软件工程”是一门较枯燥的理论课，依托智能家居项目讲解软件工程的基本原理，将会极大地提升学生的学习兴趣。

三、案例分享——基于阿里云的远程智能家居控制系统

1.框架图，如图1所示，微信小程序可通过阿里云物联网云平台远程与智能终端交互，其中，左侧的交互使用HTTP协议，右侧的交互使用MQTT协议。通过演示整体的现象之后，可以仅就某一个子模块展开讲解该课程的实训内容，如针对“人工智能技术基础”“JAVA-WEB”等课程，可以重点讲解人脸识别验证登录、用户名密码提交后台数据库验证登录等；针对微信小程序App、Android App的制作，可以重点讲解用户端App界面的制作及访问阿里云的功能实现；在“计算机网络基础”“网络协议”课程中，可以详细讲解http协议和mqtt协议，使用抓包工具来捕捉某部分进行协议分析，还可以以串口ESP32芯片来讲解WIFI协议；“嵌入式技术基础”等课程可以在智能终端部分开展教学。各模块之间留有接口，设计好文档说明和调试工具。

2.云端设计，阿里云网址为https：//iot.aliyun.com/。在阿里云物联网云平台上创建一个产品HanGu2023，在该产品下面创建一个设备HanGu2023YunJiaJUI，设置该设备具有以下几个属性：LED灯、窗帘、温度、湿度、二氧化碳浓度、光照度、声音分贝值、PM2.5浓度。

3.MQTT协议模拟器，用于代替智能终端和微信小程序连接阿里云，测试阿里云的参数是否设置正确。利用上一步骤中设备主界面上设备信息选项卡中的MQTT连接参数，如图2所示，输入MQTT模拟器的设置中，点击connect，使得MQTT客户端连接上阿里云。

如果连接正常，说明设置的参数正确。当调试正常后，就可以把这些参数写入智能终端的程序和微信小程序的程序中，使它们连接阿里云物联网云平台。在此，阿里云物联网云平台只是起到了一个中转和存储参数信息的功能，目的是使微信小程序App通过阿里云和智能终端之间远程实现信息交互。

4.软件端设计——微信小程序与阿里云的交互，设计用户操作界面包含LED灯、窗帘、温度、湿度、二氧化碳浓度、光照度、声音分贝值、PM2.5浓度8个属性。在微信小程序的代码中须要写入上面使用MQTT模拟器调试好的属性信息，根据阿里云物联网云平台在线文档（https：//iot.aliyun.com/），向阿里云设置属性的接口是Pub，从阿里云上拉取数据的接口是QueryDevicePropertyStatus。开发步骤如下：（1）微信小程序设置阿里云上设备HanGu2023YunJiaJUI的8个属性的值，使用Pub接口。（2）微信小程序拉取阿里云上设备HanGu2023YunJiaJUI的8个属性的值，使用QueryDevicePropertyStatus接口。（3）微信和MQTT模拟器之间通过阿里云实现远程交互。

5.物联网终端部分，上面有ESP32芯片（用于连接阿里云）、温湿度传感器、直流电机（模拟窗帘）以及灯等外围设备。主控芯片选用stm32F030F4P6，它是STM32家族中较小容量和引脚的成员，目的是便于引导学生手动焊接这个CPU，其他的电子元器件都比较大，以利于学生练习焊接使用。上网芯片ESP32须要连接上WIFI热点，这个WIFI热点可以是手机开设的热点。把上面使用MQTT调试好的属性信息写入程序的变量中，编译程序下载到学习板，让学习板连接上手机热点。学习板把温湿度数据上报到阿里云，然后微信小程序端从阿里云拉取温湿度数据，由于我们使用了全双工的Topic，所以微信小程序端可以执行开关灯和开关窗帘的操作命令到阿里云，然后再下发到达学习板。

由于烧写在CPU的程序中有阿里云信息（上面利用MQTT模拟器已经调试得出的），从而学习板可以与阿里云物联网云平台之间通过ESP32实现上传和下载数据，上传的数据被微信小程序拉取，下载的数据来自微信小程序，从而实现了微信小程序与智能终端的远程交互。

四、建设思考及未来方向

1.以上案例是目前正在使用的一个物联网技术应用课程的实训项目，在后续组建智能家居实训团队时，可根据课程需要，与团队成员共同研制网络安全和人工智能的子模块。

2.须争取领导的支持和多专业共享的实训室建设立项。致力于开发服务多专业的智能家居实训项目，须得到各专业的参与，所以一般要得到主管院领导的支持，由实训教研室实施。主管院领导召集专业负责人和实训教研室制订智能家居综合实训项目方案，规划专业建设经费投入比例；由实训教研室编写申报多专业共享的实训室建设申报书，得到学校教务处立项的机会将会大幅提升。

3.组织多专业实训教师和企业工程师研讨，组建智能家居实训教研团队，校企共建实训基地。要建设具备市场前沿技术的实训项目，离不开企业的支持，智能家居实训项目需要各专业的实训指导教师对接相应的企业，制定或共同开发智能家居的各个子模块，最后由团队对整体功能进行调试和验收。

4.建设多专业共享的智能家居实训项目，前期要进行充分的调研，形成详细的实施方案。应用于多专业的智能家居项目，须要购置的软硬设备也比较多，在实训室建设申报书中应当规划好实训室的环境、设备、家具等。另外，智能家居项目须留有功能扩展接口，以利用于技术更新。

参考文献

［1］乔艳梅.项目教学法在中职学校实训类课程教学中的应用研究：以《智能家居应用开发》课程为例［D］.湖北：华中师范大学，2018.

［2］游原.基于小米智能家居在应用型高校课程中的教学实践与创新［J］.信息记录材料，2018，19（10）：169-170.

［3］高远，王福平，祝玲，等.智能家居小车［J］.微型机与应用，2014（20）：86-87+90.

［4］邢炜卿.基于单片机的智能家居模拟系统［J］.河南科技，2024，51（1）：11-14.

［5］陈路遥，林峰，郭清锋.基于MQTT协议的智能家居数据传输系统［J］.数字通信世界，2023（7）：52-54.

［6］郑文娟.基于5G通信技术的智能家居方案设计［J］.山西电子技术，2024（2）：79-81+103.

［7］崔佳威.远程智能家居系统研究与实现［J］.工业控制计算机，2018，31（4）：26-27+30.

［8］王基策，李意莲，贾岩，等.智能家居安全综述［J］.计算机研究与发展，2018，55（10）：2111-2124.

［9］黄倩怡，李志洋，谢文涛，等.智能家居中的边缘计算［J］.计算机研究与发展，2020，57（9）：1800-1809.

［10］面向智能家居系统的主动交互设计研究［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2023，35（2）：230-237.

［11］李雪锋，学江煜，张光旭，等.智能家居控制系统设计［J］.廊坊师范学院学报（自然科学版），2023，23（1）：29-33+44.

［12］姚智皓，乔玥涵，徐千尧.智能家居中虚拟人的设计与生成［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2023，35（2）：221-229.

Thinking of Smart Home in the Design of College Practical Training Project

LONG Hua1， 2， Taehee Kim2

（1. School of Artificial Intelligence， Guangdong Open University， Guangzhou， Guangdong 500091， China; 2. Department of Computer and Information Engineering， Youngsan University， Junamro， Yangsan-si， Gyeongsangnam-do， （50510）288， Korea）