(共50张PPT)
第2课
物联网创新和智能生活—探秘智能家居
（清华大学版）八年级
上
1
核心素养目标
3
新知讲解
5
拓展延伸
7
板书设计
2
新知导入
4
课堂练习
6
课堂总结
课后作业
8
01
核心素养目标
信息意识
计算思维
数字化学习与创新
信息社会责任
在设计和使用智能家居系统时，鼓励学生考虑如何通过优化设备配置、合理设置功能参数等方式来实现节能减排。
熟练掌握多种数字化工具（如智能家居控制 APP、在线模拟器、3D 建模软件等）来了解和体验智能家居系统的功能和操作方式。
将其分解为若干个简单的子问题，如智能照明系统的亮度调节、智能家电的远程控制等。
能够认识到智能家居在日常生活中的广泛应用，了解其通过信息技术实现各种智能化功能的特点。
02
新知导入
本课中你将学习:
智能家居和传统家居有哪些区别
常见的智能家居感知设备有哪些
家电的远程控制实现原理是什么
02
新知导入
“小×同学,请打开电视……”“××精灵,请打开客厅的空
调……”像这样能用语音“使唤”的智能家居产品已经随处可见。有些应用可以根据主人的喜好,在特定场景触发相应的操作,如下班路上提早启动家里的空调、热水器等。智能家居的“智能”主要体现在两个方面:一是可感知环境,二是可编程控制。无论是感知还是控制,都要建立在“互联”的基础上。因此,智能家居的发展和物联网的通信技术密切相关。
02
新知导入
03
新知讲解
一、智能家居的原理分析
相对于传统家居来说,智能家居最基本的功能是将电器的控制由过去的人工手控变成用计算机控制。传统家居的电路如图3.2.1所示,是通过直接控制开关的通断来实现对家用电器的控制,如灯光、风扇等。而在智能家居中,“开关”通过各种通信技术与控制器相连,通过用“弱电”控制“强电”,从而实现编程控制。
图3.2.1传统家居的电路
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新知讲解
智能家居发展到现在,技术方面不断更新迭代。最初的智能家居产品是一个完整的控制系统,所有输入指令的控制面板、执行动作的电器,都要在房子装修前做好规划,预埋弱电和强电的线路,施工门槛较高。后期的智能家居产品转变为“单品”形式,一个智能家居产品仅专注于某一功能的实现,既可以独立部署,又能通过统一的接口协议成为智能终端家居系统的一部分,而且通信技术以无线为主,即使是老房子也能轻易进行部署。如图3.2.2所示的是某品牌的App界面,多种智能家居产品不断组合,功能越来越强大。
图3.2.2智能家居产组合
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新知讲解
阅读
弱电一般是指直流电路或音频线路、视频线路、网络线路、电话线路等,电压一般在36V(人体安全电压)以内。如电话、计算机、电视机的信号输入(有线电视线路)、音响设备(输出端线路)等家用电器均为弱电电器设备。与之相对应的概念是强电,指电工领域的电力部分,特点是功率大、电流大、电压高。
电压并不是区分强电和弱电的唯一方法,强电和弱电最主要的区别是用途不同。强电是一种动力能源,其线路如家用电器的供电线路；而弱电是一种信号源,其线路如电话、有线网络的供电线路。
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知识拓展
物联网智能家居的发展趋势是怎样的？
人工智能深度融合：未来，智能家居将与人工智能技术深度融合，系统能够更加智能地理解用户的行为、习惯和偏好。
自主学习与决策能力提升：智能家居设备将具备更强的自主学习和决策能力，能够根据环境变化和用户需求自动调整运行模式。
跨品牌、跨平台互联：目前智能家居市场存在不同品牌设备之间兼容性差的问题，但未来这一局面将逐渐改善。
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知识拓展
物联网智能家居的发展趋势是怎样的？
安全技术升级：随着智能家居设备的普及和网络连接的增加，安全风险也日益凸显。未来，智能家居厂商将更加重视安全技术的研发和应用，采用更先进的加密技术、身份认证技术、访问控制技术等，保障用户数据的安全传输和存储。
多模态交互成为主流：未来的智能家居将不再局限于单一的交互方式，而是融合语音、手势、表情、眼神等多种模态的交互方式，为用户提供更加自然、便捷的操作体验。
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新知讲解
二、室内环境的感知
智能家居的感知能力,是其“智能”的一个重要表现。对用户来说，它的感知能力越强,就越智能,它不仅要能感知是否有人,还要能感知室内的空气质量、温度、湿度、光照强度等各项环境信息,从而为人们提供更优质的生活服务。
03
新知讲解
1.常见的室内感知设备
智能家居对环境的感知需要依赖各种各样的传感器。按照环境监测的功能,智能家居中的传感器可分为室内消防、室内污染、花卉种植等种类。如图3.2.3所示的就是消防专用的烟雾报警器。这种烟雾报警器其实就是烟雾传感器,能够检测空气中的烟雾浓度,当烟雾超过一定的浓度时,便会自动发出警报。
图3.2.3烟雾报警器
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新知讲解
常见的室内传感器还有燃气传感器、火焰传感器和甲醛传感器。燃气传感器用于检测厨房空气中燃气的浓度,从而监测天然气或煤气泄漏的情况;火焰传感器可以用来探测火源或一定范围内的光源,可用于楼道的消防监测;甲醛传感器能感知甲醛气体浓度,常用于新装修房子的空气污染检测。
03
新知讲解
摄像头也是常见的感知设备。现在很多摄像头内置了红外检测、动作分析、人脸识别等功能,能够通过视频实时捕捉到各种有效信息,如主人是否在家、是否有陌生人出现等。如图3.2.4所示的是一款智能家居常用的摄像头。
图3.2.4 摄像头
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新知讲解
为了方便用户部署使用,很多室内环境传感器直接与特定应用场景结合形成独立的产品。例如,将种植主题的传感器整合在花盆中,就使花盆具备了检测温湿度、pH的功能,如图3.2.5所示。
图3.2.5 智能花盆
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新知讲解
2.室内感知设备的部署
智能家居中常见的感知设备产品实质上是内置了传感器的智能终端，它借助物联网技术,将感知到的数据传送至服务器。为了方便部署，大部分产品采用Wi-Fi技术,有些产品为了省电,则会选择使用蓝牙和ZigBee技术,借助手机或者物联网网关设备实现联网,如电子秤、温/湿度计等。如图3.2.6所示的甲醛检测仪就是通过蓝牙技术,借助手机App,将数据上传至物联网平台。不过,为了保障网络连接的稳定可靠,消防类设备一般采用有线方式实现通信。
图3.2.6通过手机联网的甲醛检测仪
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新知讲解
为了节省成本和缩小体积,感知设备产品一般不会附带键盘,甚至没有显示屏。为了让没有输入功能的感知设备配置 Wi-Fi信息并顺利联网,工程师们想出了多种方法。比如将产品模拟成一个无线路由器,用户在这个无线路由器的页面上输入 Wi-Fi的名称和密码信息就可以联网。以某品牌摄像头为例,联网步骤如图3.2.7所示。
图3.2.7 通某品牌摄像头联网步骤
图3.2.7 （续）
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新知讲解
探索
为了保护学生视力,使青少年健康成长,中华人民共和国国家标准《中小学校教室采光和照明卫生标准(GB7793—2010)明确表示，教室的照明要求为:教室课桌面上的维持平均照度值不应低于300勒克斯(1x),其照度均匀度不应低于0.7。请完成实验活动“课桌上的光照强度”,并填写表3.2.1。
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新知讲解
探索
实验内容：搭建硬件并编写程序，检测课桌上的光照强度。
实验准备：开源硬件、USB数据线、计算机。
编号 光照强度/勒克斯 备注
1
2
3
......
平均值
表3.2.1 课桌上的光照强度
03
新知讲解
表3.2.1 课桌上的光照强度
“课桌上的光照强度”并填写表3.2.1
编号 光照强度/勒克斯 备注
1 280 教室灯光全开，靠近窗户位置
2 320 教室灯光全开，远离窗户中间位置
3 300 教室灯光全开，教室角落位置
4 290 教室灯光开一半，靠近窗户位置
5 310 教室灯光开一半，远离窗户位置
平均值 300 通过上述5次数据采集计算得出
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知识拓展
室内环境感知技术有哪些？
温度感知技术
热电阻：
原理：利用金属（如铂、铜）或半导体材料的电阻值随温度变化而变化的特性来测量温度。
应用：在智能家居系统中，常被安装在室内墙壁、室内各个房间的关键位置（如客厅、卧室的角落等），以全面监测室内的整体温度情况，为智能空调等温控设备提供温度数据依据。
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知识拓展
室内环境感知技术有哪些？
湿度感知技术
电容式湿度传感器：
原理：利用湿敏电容的电容值随空气湿度变化而变化的特性来测量湿度。
应用：通常放置在室内较为空旷、空气流通较好的位置，如客厅中央、卧室窗边等，以获取较为准确的湿度数据，为智能家居系统中加湿器、除湿机等设备的控制提供依据。
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知识拓展
室内环境感知技术有哪些？
光照感知技术
光电二极管：
原理：在光照作用下会产生光电流，其大小与光照强度有关。通过测量光电流的大小，并依据预先校准的电流 - 光照特性曲线，就可以确定光照强度。
应用：同样可安装在窗户附近、房间天花板等位置，为智能照明系统提供光照数据，用于控制灯光的开关、亮度调节等操作。
03
新知讲解
三、家电的远程控制
智能家居的核心控制对象是家电。智能家居中应用于电器控制的产品大致可以分为两类,即内置了联网通信功能的智能家电和专用于控制传统家电的智能开关。
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新知讲解
1.智能家电的控制
智能家电也称互联网智能家电,具备联网功能。用户不仅可以借助App实时关注这些智能家电的工作状态,还能对智能家电进行远程控制。图3.2.8和图3.2.9分别为对智能门锁和扫地机器人进行远程控制的App界面。
图3.2.8某智能门锁的App界面
图3.2.9某扫地机器人的App界面
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新知讲解
智能家电是在传统家电的基础上增加一个智能终端。智能终端会和物联网服务器通信,汇报当前状态,并且接收服务器指令,然后将服务器的指令转换为电器的操作。一个电灯加上智能终端,就成了智能电灯;一个风扇加上智能终端,就成了智能风扇。智能家电的工作原理如图3.2.10所示。
图3.2.10智能家电的工作原理
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新知讲解
实现智能家电远程控制功能的技术方案有很多,目前较为常见的是采用MQTT协议。在前面的学习中已经提及通过MQTT协议的控制过程，即控制端发送消息至物联网平台,被控制端订阅消息,然后根据消息内容执行控制指令,具体如图3.2.11所示,其中智能家电就是被控制端。
图3.2.11 基于MQTT协议的控制过程
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新知讲解
我们已经学习过MQTT服务器的搭建,并且做过局域网内的实验。但是要实现远程控制,比如在外面控制家里的电器,那么MQTT服务器则需要运行在公网(互联网)上,如OneNET、阿里云提供的物联网服务器。如果用SIoT作为服务器,那么运行SIoT的计算机则需要拥有公网的IP地址。
以“智能花盆”为例,要想远程控制水泵或者电磁阀执行“浇水”的动作,智能终端需要借助继电器模块来控制水泵或者电磁阀的供电。如图3.2.12所示,用户指令发送到在公网运行的MQTT服务器EasyIoT,智能终端通过订阅消息得到指令,然后通过继电器控制水泵,轻松实现远程浇花，参考代码如下。
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新知讲解
图3.2.12 通过简易继电器模块控制水泵实现远程浇花
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新知讲解
2.传统家电的控制
随着智能家居的普及,很多人都希望传统家电也能够“智能”起来。我们可以通过智能遥控器、Wi-Fi开关、Wi-Fi插座和空调伴侣等产品,实现对大部分传统家电的远程控制。
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新知讲解
(1)智能遥控器
智能遥控器内置了数字红外信号发射和接收模块,能够学习并模拟各种家用电器的红外遥控信号。智能遥控器的工作原理如图3.2.13所示,由手机(计算机)发出的控制指令通过网络传递到智能遥控器,智能遥控器再将指令转换为红外遥控信号,实现对普通家用电器的控制。
图3.2.13 智能遥控器的工作原理
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新知讲解
(2)Wi-Fi开关
Wi-Fi开关也称无线 Wi-Fi智能开关,广泛应用在家庭电路的灯泡控制中,安装示意如图3.2.14所示。Wi-Fi开关外形和普通开关一样,也具备手动控制功能,只不过内置了能连接 Wi-Fi的智能终端模块,支持手机App控制。只要将家里的普通开关更换为 Wi-Fi开关，就能远程控制电灯。
图3.2.14Wi-Fi开关安装示意
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新知讲解
(3)Wi-Fi插座
Wi-Fi插座适用于热水器、台灯等只要通电就能工作的电器。和 Wi-Fi开关一样,Wi-Fi插座看起来和普通插座无异,其实内置了能联网的智能终端,如图3.2.15所示。借助开源硬件和继电器模块,我们就能做出Wi-Fi插座的原型。
图3.2.15 Wi-Fi插座的结构示意
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新知讲解
(4)空调伴侣
Wi-Fi开关和Wi-Fi插座只适用于通电就工作的电器,而空调光通电是不能正常工作的。图3.2.16所示的是某品牌空调伴侣产品,空调伴侣不仅能控制插座是否通电,还能发送相应的红外信号,让普通空调轻松升级为智能空调。
图3.2.16 某品牌空调伴侣
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知识拓展
家电远程控制的安全性如何保障？
设置强密码：用户在注册家电远程控制相关账号（如智能家居 APP 账号）时，应设置足够复杂且强度高的密码。
定期更换密码：即使设置了强密码，也不能一劳永逸。建议用户定期更换密码，比如每隔 3 - 6 个月更换一次。
采用先进加密技术：家电厂商在设计家电远程控制功能时，应采用先进的加密技术对用户数据（如账号密码、控制指令、家电设备运行状态数据等）进行加密处理。
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知识拓展
家电远程控制的安全性如何保障？
确保家庭网络安全：用户应确保家庭无线网络（如 Wi-Fi）的安全。首先，要设置一个复杂的 Wi-Fi 密码，同样遵循包含大小写字母、数字和特殊字符的原则，防止未经授权的用户连接家庭网络。
使用安全的网络协议：家电设备和控制终端（如手机）在进行远程控制数据传输时，应采用这些安全协议，以保障数据在网络中的安全传输，防止数据在传输过程中被窃取或篡改。
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课堂练习
当身边各种智能产品越来越多时,人们又设计出“智能助手”来管理这些产品,从而形成了智能家居系统。智能场景是指通过一系列智能家居设备的组合和应用,创造出可定制、灵活性强、支持多场景应用的家居模式。这些模式可以为住户提供更为舒适、安全和节能的家居环境。根据绝大多数的用户习惯,智能场景中包括一些典型的预设工作模式,如起床模式、离家模式、安防模式等,引导用户协同管理一系列的家居设备。
试结合自己的生活习惯,讨论一下在智能家居系统中各种模式的应用场景和具体工作,还可以增加哪些模式,填写在表3.2.2中。
挑战
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课堂练习
挑战
表 3.2.2 智能场景
模式名称 场景描述 工作描述
安防模式 当你离家或者进入睡眠状态时 检查门窗关闭情况;关闭燃气阀门
回家模式 结束一天活动回到家中 当用户靠近家门，智能门锁通过蓝牙或其他识别方式自动识别并解锁
睡眠模式 需要安全保障 智能安防系统保持开启状态，若有异常情况会及时发出警报
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拓展延伸
智能家居的主要应用场景
1、智能照明
可以实现灯光的远程控制，用户在外出时忘记关灯，可通过手机 APP 远程关闭家中灯光。
2、智能温控
智能空调等设备可根据用户设定的温度偏好以及室内外温度情况自动调节室内温度。
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拓展延伸
智能家居的主要应用场景
3、智能安防
包括智能门锁、监控摄像头、门窗磁传感器等设备。
4、智能家电控制
例如，智能洗衣机可通过手机 APP 远程设置洗衣程序，用户在上班时就可以提前安排好洗衣机的工作。
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知识拓展
如何利用人工智能技术实现智能家居的个性化服务？
数据收集：智能家居系统中的各类设备会持续收集用户与设备交互的数据，例如用户打开和关闭灯光的时间。
模型训练：用提取的特征数据来训练机器学习模型，常见的模型如决策树、神经网络等。
语音识别：智能音箱等设备配备了先进的语音识别技术，能够将用户发出的语音指令准确地转换成文本形式。
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知识拓展
如何利用人工智能技术实现智能家居的个性化服务？
图像收集：在智能家居环境中，可能会安装监控摄像头等设备来收集室内外的图像信息。
图像识别：利用深度学习中的卷积神经网络（CNN）等技术对收集到的图像进行识别。
个性化决策：根据图像识别的结果以及预先设定的针对不同人员的个性化服务方案，智能家居系统做出个性化决策并执行相应操作。
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拓展延伸
哪些智能产品可以支持智能场景？
智能音箱：智能音箱是智能家居系统中的关键控制设备。
智能门锁：智能门锁通过指纹、密码、面部识别等多种识别方式实现家门的便捷开启与安全防护。
智能窗帘：智能窗帘通过电机驱动，可实现自动开合功能。
智能电视：向设备发送指令或通知。
数据存储：可以实现远程控制、语音控制等功能。
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课堂总结
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引入新知内容
物联网创新和智能生活--探秘智能家居
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学习智能家居的原理分析
3
了解室内环境的感知
4
家电的远程控制
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进行相关知识拓展
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板书设计
物联网创新和智能生活—探秘智能家居
1.进行新知引入
2.学习新知讲解
3.完成课堂练习
4.进行知识拓展
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课后作业
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学完本节课，说一说智能家居能为用户带来哪些具体的便利和优势？
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课后作业
02
请同学们总结智能照明灯的原理。
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