选择性必修6 智能家居应用设计.pdf

智能家居应用设计智能家居应用设计通用技术通用技术TONGYONG JISHUPUTONG GAOZHONG JIAOKESHU普 通 高 中 教 科 书选择性必修绿 色 印 刷 产 品 绿 色 印 刷 产 品 0614 通用技术封面选修6 智能家居应用设计 6毫米 10614 通用技术封面选修6 智能家居应用设计 6毫米 12022/8/2 16:492022/8/2 16:49普通高中教科书北京通用技术选择性必修智能家居应用设计普通高中教科书 通用技术 选择性必修 智能家居应用设计上海市中小学（幼儿园）课程改革委员会组织编写出版发行 （北京市海淀区中关村南大街17号院1号楼 邮编：100081）网 址 http:/经 销 全国新华书店印 刷版 次 2022年7月第1版印 次 2021年7月第1次印刷开 本 890毫米1240毫米 1/16印 张 7字 数 178千字书 号 ISBN978-7-107-36731-1定 价 8.25元价格依据文件号：京发改规201613号版权所有未经许可不得采用任何方式擅自复制或使用本产品任何部分违者必究如发现内容质量问题，请登录中小学教材意见反馈平台：如发现印、装质量问题，影响阅读，请与本社联系。电话：400-810-5788总主编：褚君浩副主编：朱志勇本册主编：张 健编写人员：张 健 翟向华责任编辑：孙华泽美术设计：胡白珂声明 按照中华人民共和国著作权法第二十三条中有关规定，我们已尽量寻找原作者支付报酬。原作者如有关于支付报酬事宜可及时与出版社联系。本册教材图片提供信息：本册教材中的图片由全景网、视觉中国等图片网站提供。致同学们通用技术是一门联系科学规律和技术应用的课程。人类在生产实践和科学实验的过程中，获得了知识，掌握了规律，形成了技术，进而在工程任务中利用技术，提升生产实践和科学实验的水平。实践认识再实践再认识，这样的过程循环反复，人类的科学技术不断提升，社会生产力不断发展。世界是物质的，物质是运动的。在我们周围充满着物质的多种多样的运动形式，除了常见的机械运动以外，还有光、声、热、电、磁、分子、原子、基本粒子、生命运动等。人们在观察和研究物质的这些运动形式时，发现了规律，运用规律发明了技术，相应产生了机械技术、光技术、声技术、热技术、电技术、磁技术、分子技术、核技术、生物技术等。这些技术分别或者集成起来在多类工程任务中得以应用，涉及机械工程、土木工程、热力工程、电子工程、光学工程、能源工程、环境工程、生物工程、航空航天工程、海洋工程、地质工程等。典型的工程，包括南浦大桥、世博会的中国馆、虹桥枢纽屋顶上的太阳能发电站、C919大飞机、风云四号等大工程，也包括制造服装、烹饪菜肴、室内装修、三维打印零件等小工程。工程任务完成后制造出各类产品，应用于社会方方面面不同领域，为社会创造财富。从事这些工作的勤奋踏实而富有创新精神的劳动者，成为了基础扎实的工程师和精益求精的工匠，他们是我们学习的楷模。我国古代人民的发现和发明造就了中国科学技术的辉煌历史，不仅有指南针、造纸术、印刷术、火药等重要发明，还有以都江堰水利工程、传统木建筑的榫卯结构等为代表的水利、天文、建筑、铸造、纺织、陶瓷、冶金、航海等古代科学技术，这些杰出的技术是中国古代科技文明的精粹，对人类文明发展和社会生产力的进步产生了巨大推动作用和深远影响。技术是人类利用自然规律实现某种功能和目标的一种能力，它的背后是科学规律，它的前面是工程任务。工程任务有明确目标，技术在完成工程任务中实现它的价值。例如，根据牛顿第三定律可以利用作用力的反作用力推进物体，这一原理可以用于火箭工程，再运用万有引力定律，可以发射地球卫星，甚至把嫦娥四号送到月球背面。技术的价值在工程任务中得到充分体现。把技术应用于工程，就要遵循工程的规范。实现技术的应用，完成一项工程任务，首先要明确这项工程的具体目标，提出完整可行并有创新的设计方案。设计方案又涉及工程目标物的结构、工艺流程、组成系统、意图控制等。方案的具体内容要用技术语言和图样表达出来，根据图样来操作加工，最后实现方案，完成工程任务。工程实施过程中的经验和教训，需要同行互相交流；是否完成了预期的目标要求，需要由外部专家和使用者进行评价。工程交付后，还要经受时间和应用的评判。同学们，新时代已经来临！新工业革命正在悄悄向我们走来。如同18世纪以机械化为特征的第一次工业革命、19世纪以电气化为特征的第二次工业革命、20世纪以信息化为特征的第三次工业革命，21世纪人类将开启以智能化为特征的第四次工业革命。人类致同学们 I总是先在观察或实践中发现规律，在此基础上发明了技术，进而推动技术的应用与发展。人们发现了质能关系，发明核技术；发现了受激辐射规律，发明激光技术；发现了光纤中光传输规律，发明光通信技术；发现了电磁波规律，发明无线通信技术；发现了半导体光跃迁规律，发明半导体照明技术；等等。先进技术为构建人类绚丽文明打下基础。谁掌握了规律，谁发明了技术，谁就获得了主导权。智能制造是新工业革命的重要特征，而通用技术是智能制造的基础课程之一。同学们，机遇和挑战在等待着我们！通用技术课程必修内容包括“技术与设计1”“技术与设计2”2个模块，它们分别从技术和设计的角度阐述通用技术的一般概念，并通过实践来帮助同学们体验技术与设计的内涵。选择性必修内容包括“技术与生活”“技术与工程”“技术与职业”和“技术与创造”4个系列11个模块。整体框架由图0-1表示。学习这门课程要注重掌握概念和加强实践，尤其要通过动手实践，来培养自己的技术意识、工程思维、创新设计、图样表达和物化能力等核心素养。智能家居汇集了通信、计算机网络、传感器技术、自动化技术、人工智能、仪器仪表与测试技术等多个学科，是一门尚处在发展中的新兴交叉学科。从应用的角度来看，智能家居尚处于单品阶段，没有形成业内共识的理论与实践架构。针对上述特点，智能家居应用设计一书共分成4章：第一章对智能家居的起源、特点、现状、未来发展方向等进行了综合概括；第二章智能家居与物联通信，讨论了智能家居系统的传感与通信等的实现，主要讲述了无线型智能家居中的关键技术；第三章在已学习的技术基础上，结合单片机技术，进行继电器控制的LED（发光二极管）灯、数字温湿度计、人体感应灯和智能窗帘等智能家居产品的简易设计；第四章智能家居系统设计与实现，在论述设计原则和软硬件组成等的基础上，分析了智能家居系统的设计原则和实现路径。编 者2019年8月图 0-1 课程内容整体框架生活工程职业创造智能家居应用设计服装及其设计现代家政技术技术与职业探索职业技术基础机器人设计与制作工程设计基础电子控制技术基元技术创造力开发与技术发明产品三维设计与制造科技人文融合创新专题控制的设计系统的设计流程的设计结构的设计技术与设计2交流与评价方案与实现技术的设计技术的性质技术与设计1通用技术力技术电技术磁技术光技术声技术热技术人类科学活动和生产实践II智能家居应用设计目 录第 1 章智能家居架构与功能 1第 1 节 智能家居定义 2第 2 节 智能家居功能与分类 6第 3 节 智能家居与传统家居的比较 11第 4 节 智能家居的控制与实现 15第 2 章智能家居与物联通信 27第 1 节 物联网 28第 2 节 传感网络与组网技术 32第 3 节 物联网中的传感器 37第 4 节 智能家居物联通信的实现途径 42第 3 章智能家居简易产品设计 49第 1 节 继电器控制 LED 灯 50第 2 节 数字温湿度计 59第 3 节 人体感应灯 66第 4 节 电动窗帘与智能窗帘 72第 4 章智能家居系统设计与实现 83第 1 节 智能家居系统的软硬件组成 84第 2 节 智能灯光控制系统 90第 3 节 数据采集系统 94第 4 节 智能安防系统 99温度调控灯光窗帘背景音乐安防监控智能家电起床5：306：006：30清晨5：30，房间内温度自动调节到人体舒适温度，等待家人的苏醒；6：00，卧室灯根据外部光线自动开启；6：30，厨房中的咖啡机与面包机自动开始工作，为用户准备早餐。一家人伴随着柔和的音乐声起床，开始新一天的工作和学习。上述智能场景的实现得益于智能家居的应用。那什么是智能家居呢？智能家居的功能还有哪些呢？第1章智能家居架构与功能第 1 节智能家居定义第 2 节智能家居功能与分类第 3 节智能家居与传统家居的比较第 4 节智能家居的控制与实现一、智能家居的定义智能家居最初作为一个概念，出现在科幻小说和展览会上，它展现了人们对未来居所的畅想。20世纪末至21世纪初，信息技术和互联网的快速发展才真正引发了人们建立智能住宅的热潮。讨论&交流联系社会发展和生活实际，想象一下智能家居应该是什么样的。智能家居是通过综合先进的计算机、通信和控制技术，建立一个由家庭安全防护系统、网络服务系统和家庭自动化系统组成的家庭综合服务与管理集成系统，从而实现拥有全面安全防护、便利通信网络以及舒适居住环境的家庭住宅。智能家居融合了物联网、人工智能、大数据处理、先进建材、自动控制等先进技术，旨在创设一种融合智慧感知、协调控制、智能互联、方便快捷于一体的家庭居住环境。随着近年来我国经济高速发展，人们对更舒适、更便捷、更安全、更环保的家居生活环境的需求日益提升。智能家居可以较好地解决传统家居能耗过高、安全系数低、家电操作烦琐不便等问题，第 节 智能家居定义11.理解智能家居的定义。2.了解智能家居的系统特性。3.了解智能家居的系统标准。学习目标科幻电影中经常可以看到这样的场景：人们结束一天的工作回家后，屋里的灯光自动亮起，客厅里播放着柔和舒缓的音乐，浴室中的洗澡水也已备好随着智能家居的发展，这样的场景将逐渐走进人们的日常生活，不再遥不可及。2智能家居应用设计符合当今环保理念，能够满足人们对高品质生活的需求。智能家居是现代信息技术，特别是计算机技术、通信技术向传统家居产业渗透发展的必然结果。智能家居是高中学习阶段具有时代气息、适应社会发展、体现未来科技走向的内容之一，与当今高新技术联系紧密。图1-1展示了通过按键和应用程序调节室内温度的场景。图1-2展示了智能家居的体系架构。图1-1 智能家居走进生活图1-2 智能家居的体系架构智能控制中心RS-400 或 TCP/IP网络线+TCP/IPWi-Fi云平台独立安防系统电力线/无线/现场总线安防主机网络线网络线TCP/IPTCP/IPTCP/IP 转 433 MHz433 MHz 设备TCP/IP 转 Z-WaveZ-WAVE 设备TCP/IP 转 Wi-FiWi-Fi 设备TCP/IP 转 ZigBeeZigbee 设备第三方应用开发者和增值服务商其他设备智能家电洗衣机浴霸冰箱空调空气净化器控制端触摸式计算机AndroidIOS按键式用户交互接口 红外自动感应窗帘 门窗检测 紧急报警装置 电子围栏 燃气探测、电动阀门、烟雾探测 电动屏幕注：RS-400，一种控制器组件。传输控制协议/因特网互联协议（transmission control protocol/internet protocol，简写为TCP/IP）。433 MHz，适用于传输量较少的无线通信技术。Z-Wave，适用于短距离无线通信技术。无线数据传输（wireless fidelity，简写为Wi-Fi），一种按照IEE802.11标准实现无线局域网的技术。蜂舞协议，ZigBee，一组面向低能耗数字无线电的高级通信协议规范。实现智能家居的过程抽象出来就是从设备的基本控制到设备、环境与人之间的自然感知，再到围绕人形成应用服务的过程。第 1 章智能家居架构与功能 3讨论&交流课后查阅智能家居的发展历史，体会科技在智能家居中的重要性。二、智能家居的系统特性1.操作方式多样化采用不同的控制手段会使智能家居的操作方式不同。人们可以用遥控器、触摸屏、语音、手机应用程序（如图1-3所示）或者计算机等进行操控，不受时间和空间限制。比如智能照明系统，人们可以通过多种方式进行灯光开关及亮度的调节。2.安装简单智能家居的系统可与家中现有的电器设备，如灯具、电话等进行连