《传感器与检测技术(第3版)》实验实训

附A实验篇温度的感知试验1、实验目的1．学会使用万用表和示波器。2．了解热敏电阻、铂电阻、AD590集成温度传感器工作原理，技术参数以及使用注意事项。3．了解几种温度传感器的R-T特性。2、元器件准备热敏电阻、铂电阻、AD590、万用表3、实验原理（一）热敏电阻热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC）。其典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。本实验中使用的是负温度系数热敏电阻器（NTC），温度越高，电阻值越低。可以通过计算，将测得的电阻值转化为温度值。热敏电阻的电阻－温度特性可近似地用下式表示：R=R0*exp{B*(1/T-1/T0)}其中，R-温度T(K)时的电阻值，R0-温度T0(K)时的电阻值，T(K)=t(℃)+273.15。实际上，热敏电阻的B值并非是恒定的，其变化大小因材料构成而异。因此在较大的温度范围内应用时，将与实测值之间存在一定误差。为了方便使用，常取环境温度为25℃作为参考温度（即T0=25℃）。则NTC热敏电阻的电阻-温度关系式可以写成：RT/R25=expBN(1/T-1/298)（二）铂电阻铂电阻用于测量时，根据电阻随温度变化的特性，要求其材料电阻温度系数大，稳定性好电阻率高，电阻于温度之间最好有线性关系。常用的热电阻主要有铂电阻和铜电阻。铂电阻在0~630.7℃以内时，电阻和温度的关系为：Rt=R0*（1+A*T+B*T2）式中Rt—温度为T时的铂电阻阻值R0—温度为0℃A—常数，A=3.9083*10-3℃-1（R0B—常数，B=-5.775*10-7℃-1（R0本实验采用的是Pt100铂电阻。电阻值在0℃的时候，电阻阻值为100Ω。其测量范围通常为-200~650℃。其应用范围很广，可用于医疗、电机、工业、温度计算、卫星、气象、阻值计算等高精温度设备上。（三）AD590AD590是美国ANALOGDEVICES公司的单片集成两端感温电流源。其主要特性如下：(1)流过器件的电流(μA)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数：Ir/T=1式中，Ir—流过器件(AD590)的电流，单位为μA；T—热力学温度，单位为K；(2)AD590的测温范围为-55℃~+150(3)AD590的电源电压范围为4～30V，可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏；(4)输出电阻为710mΩ；(5)精度高，AD590在-55℃~+150℃范围内，非线性误差仅为±4、实验内容和步骤（一）热敏电阻1.将热敏电阻固定在实验板上。2.使用万用表来测量电阻的阻值变化。查看室温下的电阻阻值。用手指接触热敏电阻，查看电阻值变化。3.记录实验数据。4.完成实验后，关闭设备电源，将热敏电阻取下。5.通过实验测量得到的数据可以进一步加工处理，如使用EXCEL，做出统计曲线。也可以使用NILabview的测控软件进行数据采集和处理，使得实验的效果更加直观生动。（二）铂电阻1.将铂电阻固定在实验板上。2.使用万用表来测量电阻的阻值变化。查看室温下的电阻阻值。用手指接触铂电阻，查看电阻值变化。3.记录实验数据。4.完成实验后，关闭设备电源，将铂电阻取下。5.通过实验测量得到的数据可以进一步加工处理，如使用EXCEL，做出统计曲线。也可以使用NILabview的测控软件进行数据采集和处理，使得实验的效果更加直观生动。（三）AD5901.依照下图在面包板上连接好电子器件，使用万用表测量T1203和T1202之间的电阻值，调节RP1201，直到电阻值为10k。图1AD590接线柱及电路原理图2.P1201连接+15V电源，其他接线不变，即使用万用表测量T1203和T1202间的电压变化。3.记录电压数值，除以电阻值10k。得到流过器件的电流(μA)，即是测量的当前温度，并记录当前的室温。4.完成实验后，关闭设备电源，将器件全部取下。5.通过实验测量得到的数据可以进一步加工处理，如使用EXCEL，做出统计曲线。也可以使用NILabview的测控软件进行数据采集和处理，使得实验的效果更加直观生动。如下图所示。5、思考1.使用热敏电阻及Pt100测温，还可以使用1mA恒流源来实现。在没有万用表的情况下，传统的做法是通过测量电阻两端电压的变化，推算出阻值的变化，进而转化为温度值。这种方式是常见的测温方式。使用这种方式，可以使用测量电阻两端的电压变化。可使用示波器来观察电压变化，也可使用LabVIEW编程完成实验。2.比较几种温度传感器的测量方式以及测量精准度。力的感知试验1、实验目的1.了解三轴加速度传感器的工作原理。2.学会使用加速度传感器。2、元器件准备三轴加速度传感器、万用表、示波器3、实验原理三轴小量程加速度传感器，可以用来检测物件运动的方向以及加速度。其可根据物件运动的方向和加速度，改变输出信号，信号形式为三轴电压输出。各轴在不运动或不受重力作用时（0g），输出电压为1.65V。如果沿某个方向运动或受重力作用，输出电压会根据其运动方向以及设定的传感器灵敏度改变其输出电压。可使用AI的三个通道来采集三个轴的电压数值，对所得数据做相应算法，获得当前物件的位置和加速度。（g一般取9.8N/kg）图2三轴小量程加速度传感器图3加速度传感器芯片引脚物件上有12个引脚，定义如下：Pin1：3.3V电压源Pin2：5V电压源Pin3：GND，即地端Pin4：Xout，X轴方向的电压输出端Pin5：Yout，Y轴方向的电压输出端Pin6：Zout，Z轴方向的电压输出端Pin7：Sleep，芯片休眠控制（0-休眠，1-工作）Pin8、10、12：NC悬空管脚Pin9：0g_detect，用来选择传感器灵敏度Pin11：Self_test，芯片自我测试与初始化其中，3.3V和5V电压源只需要用其一即可。提供5V的选项是为了方便不提供3.3V的使用场合。物件上使用的传感器是Freescale公司的MMA7361L型号芯片。其灵敏度的选择是通过0g_detect端口做选择，实验中可以将该引脚悬空，那么使用的就是在1.5g的g-Range状态下的灵敏度：800mV/g。根据下面两幅图示，当物件正面朝上平放时，三个轴的输出电压为：XOUT@0g=1.65V，YOUT@0g=1.65V，ZOUT@+1g=2.45V当物件正面朝下平放，三个轴的输出电压为：XOUT@0g=1.65V，YOUT@0g=1.65V，ZOUT@-1g=0.85V可根据图示一一对应各个位置静放时，所对应的三轴电压数值。图4静态加速度图5动态加速度4、实验内容和步骤1.按照加速度传感器的引脚定义连线。物件的pin2连接+5V，pin3连接地GND，pin4连接通道1，pin5连接通道2，pin6连接通道3，原型板的GND连接GND。物件上的其他管脚都悬空。2.在示波器测试面板中，设置物理通道1、2、3，采样率、最大值、最小值可使用默认值。3.点击运行按钮，选择波形数据，观察三轴加速度传感器三个方向的数据。4.转换物件的上下左右前后的位置，观察三轴加速度传感器三个方向的数据。5.实验结束后，关闭电源。6.对采集到的加速度传感器的三组电压数值做后期的分析，分析各个轴的加速度值。7.描绘当前物件所摆放的方向示意，思考如何来实现这些功能。是否可以使用该传感器编写一些软硬结合的小游戏？磁场感知试验1、实验目的1.了解直流电机的工作原理。2.了解霍尔IC传感器的工作原理。2、元器件准备直流小电机（2-4.5V）、霍尔IC3、实验原理直流电机。输出或输入为直流电能的旋转电机，我们称之为直流电机。它能实现直流电能和机械能互相转换。当电机作电动机运行时是直流电动机，其将电能转换为机械能；当电机作发电机运行时是直流发电机，其将机械能转换为电能。本次实验中使用的直流电机，功率在1W以内，在4.5V电压对应的转速为6500转/分钟，2V电压对应转速为2000转/分钟左右。在电机的转轴上，需要添加一个带有六个缺口的圆片，将圆片放置在槽型光耦中间。当电机转动的时候，每转过一圈，槽型光耦就可以接收到六个脉冲信号，AI通道就可以采集到脉冲。霍尔IC。E.H.霍尔于1879年发现：一块矩形导体或半导体材料在磁感应强度为Bz的磁场中,在垂直于磁场的方向有电流Ix通过试件，在既垂直于磁场Bz、又垂直于电流Ix的方向将产生电场Ey,这就是霍尔效应。用霍尔器件测量磁场强度时，是用恒定电流法还是用恒定电压法，要考虑多方面的因素：如磁场强度和霍尔电压间的线性误差、灵敏度的温度系数、同样工艺条件制造的器件的性能分散程度等。用霍尔器件测量磁场强度的特点是：器件很小很扁（可以放在窄缝中），有很高的准确度、灵敏度和稳定性，还有很宽的工作温度范围。制造霍尔器件的半导体材料主要是锗、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟等。一般用N型材料,因为电子迁移率比空穴的大得多，器件可以有较高的灵敏度。在轿车电路上经常可以看到“霍尔”（Hall）这个名称，例如桑塔纳2000点火系统就有一只霍尔传感器，专门给发动机电控单元（ECU）提供电压信号。轿车的自动化程度越高，微电子电路越多，就越怕电磁干扰。而在汽车上有许多灯具和电器件，尤其是功率较大的前照灯、空调电机和雨刮器电机在开关时会产生浪涌电流，使机械式开关触点产生电弧，产生较大的电磁干扰信号。采用功率霍尔开关电路可以减小这些现象。霍尔器件通过检测磁场变化，转变为电信号输出，可用于监视和测量汽车各部件运行参数的变化，例如位置、位移、角度、角速度、转速等等；并可将这些变量进行二次变换，可测量压力、质量、液位、流速、流量等。霍尔器件输出量直接与电控单元接口，可实现自动检测。4、实验内容和步骤1.连接霍尔IC，给霍尔IC供电，左正右负，连接+5V电源和GND。2.霍尔IC的输出端，左正右负，将其连接至示波器通道。3.在电机的转轴上添加一个带有磁铁块的圆片，使用直流可调电源给直流电机供电。4.在测试面板中设置采集通道，点击开始按钮。调节直流可调电源的电压输出，观察不同的电机转速对应的波形。该电路的输出波形为标准的TTL信号。5.使用Counter计数，统计霍尔输出端口的标准的TTL信号脉冲数目，即是电机所转圈数，经过换算可测量电机转速。也可调用事先编写的LabVIEW例程MeasDigFrequency-LowFreq1Ctr.vi来测量电机频率。6.实验结束后，保存记录数据。声的感知试验1、实验目的1．了解驻极体麦克风的工作原理。2.使用动态信号分析仪采集麦克风信号，实时分析麦克风所得信号的幅频和相频响应。2、元器件准备驻极体麦克风、动态信号分析仪3、实验原理驻极体麦克风。驻极体话筒体积小，结构简单，电声性能好，价格低廉，应用非常广泛。驻极体话筒的内部结构如图所示。图6驻极体麦克风结构由声电转换系统和场效应管两部分组成。它的电路接法有两种：源极输出和漏极输出。源极输出有三根引出线：漏极D接电源正极，源极S经电阻接地，再经一个电容作信号输出。漏极输出有两根引出线：漏极D经一个电阻接至电源正极，再经一个电容作信号输出，源极S直接接地。所以，在使用驻极体话筒之前首先要对其进行极性的判别。在场效应管的栅极与源极之间接有一只二极管，因而可利用二极管的正反向电阻特性来判别驻极体话筒的漏极D和源极S。将万用表拨至欧姆档，黑表笔接任一极，红表笔接另一极。再对调两表笔，比较两次测量结果。阻值较小时，黑表笔接的是源极，红表笔接的是漏极。漏极输出类似晶体三极管的共发射极放入。只需两根引出线。漏极D与电源正极间接一漏极电阻RD，信号由漏极D经电容C输出。源极S与编织线一起接地。漏极输出有电压增益，因而话筒灵敏度比源极输出时要高，但电路动态范围略小。图7驻极体麦克风实验原理图4、实验内容和步骤1.依照电路图所示在面包板上搭建电路，连接好麦克风。2.给放大器供电，依次连接+15V，GND，-15V。3.将麦克风输出信号连接至动态信号分析仪，选择对应的通道，观察波形，随时保存数据。4.观察完原始信号后，可使用动态信号分析仪分析信号。暂停波形采集，打开动态信号分析仪，观察实时数据分析。使动态信号分析仪时，注意通道设置。通过实验测量得到的数据可以进一步加工处理，如使用EXCEL，做出统计曲线。也可以使用NILabview的测控软件进行数据采集和处理，使得实验的效果更加直观生动。同时设置选择窗口，针对不同的传感器做出数据来源的选择，使实验操作更加方便。如图：图8设置选择窗口RFID试验1、实验目的通过实验，体验RFID技术的基本特性，掌握RFID天线的基础知识，在安装部署RFID天线时能使RFID标签读取率最高。能够正确操作示波器，能够正确连接示波器和RFID读写器2、元器件准备RFID读写器1套、有源和无源RFID标签各1张，抗金属标签1张、供电电源、示波器3、实验原理RFID技术的基本工作原理：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（无源标签或被动标签），或者由标签主动发送某一频率的信号（有源标签或主动标签），解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理，完成标签与标识物的信息感知。一套完整的RFID系统，是由阅读器与电子标签也就是所谓的应答器及应用软件系统三个部份所组成，其工作原理是阅读器发射一特定频率的无线电波能量给应答器，用以驱动应答器电路将内部的数据送出，此时阅读器便依序接收解读数据，送给应用程序做相应的处理。RFID通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。无线电的信号是通过调制成无线电频率的电磁场，把数据从附着在物品上的标签上传送出去，以自动辨识与追踪该物品。某些标签在识别时从识别器发出的电磁场中就可以得到能量，并不需要电池；也有标签本身拥有电源，并可以主动发出无线电波（调制成无线电频率的电磁场）。标签包含了电子存储的信息，数米之内都可以识别。射频标签不需要处在识别器视线之内，也可以嵌入被追踪物体之内。射频识别系统最重要的优点是非接触识别，它能穿透雪、雾、冰、涂料、尘垢和条形码无法使用的恶劣环境阅读标签，并且阅读速度极快，大多数情况下不到100毫秒。有源式射频识别系统的速写能力也是重要的优点。可用于流程跟踪和维修跟踪等交互式业务。4、实验内容和步骤连接示波器：使用CH1、CH2探头分别连接到示波器设备的PIN1和PIN2上；设置示波器：触发源选择CH2，其余设置可以按照默认值。观测信号：在RFID读写器和RFID标签之间放置金属板，通过示波器观测从电子标签返回的信号，了解并评估金属环境对天线工作的影响。如果条件允许，可以加入铁氧体，再通过示波器观测从电子标签返回的信号，了解并并评估铁氧体在这种环境下对天线工作的影响。光的感知试验1、实验目的1.了解光敏二极管的光电特性。2.了解光电管输出光电流与入射光的照度（或通量）的关系。2、元器件准备光敏二极管、LEDs(红、黄、绿)3、实验原理光敏二极管特性光敏二极管也叫光电二极管。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时,有很小的饱和反向漏电流，即暗电流，反向电流很小（一般小于0.1微安），此时光敏二极管截止。当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子-空穴对，称为光生载流子。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。光敏二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。光敏二极管、光敏三极管是电子电路中广泛采用的光敏器件。光敏二极管和普通二极管一样具有一个PN结，不同之处是在光敏二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换，在电路图中文字符号一般为VD。光敏三极管除具有光电转换的功能外，还具有放大功能，在电路图中文字符号一般为VT。光敏三极管因输入信号为光信号，所以通常只有集电极和发射极两个引脚线。同光敏二极管一样，光敏三极管外壳也有一个透明窗口，以接收光线照射。4、实验内容和步骤（一）暗电流测试用遮光罩遮住光电器件模板,电路中反向工作电压接15V，打开电源，微安表显示的电流值即为暗电流，或用万用表测负载电阻RL上的压降V暗，则暗电流L暗=V暗/RL。一般锗光敏二极管的暗电流要大于硅光敏二极管暗电流数十倍。U201处放置光敏二极管。1.如下图所示，将光敏二极管连接反向工作电压，分别接+15V、GND。2.将22MΩ电阻连入电路中。3.用遮光套将光敏二极管套上，遮光。4.将万用表连入电路，选择电压测试，记录暗电流测试的电压数值。5.本步骤实验结束后，关闭电源开关。图9暗电流连接电路（二）光电流测试电路不变，点亮LED，用万用表直流电压档测得RL上的压降V光,光电流L光=V光/RL。1.将光敏二极管连接反向工作电压，分别接+15V、GND。2.将1kΩ电阻连入电路中。3.用遮光套将光敏二极管和LED发光二极管套在一起。4.将万用表连入电路，选择电压测试，记录光电流测试的电压数值。5.本步骤实验结束后，关闭电源开关。（三）光照特性改变仪器照射光源强度及相对于光敏器件的距离，观察光电流的变化情况。图10光照特性电路1.将光敏二极管连接反向工作电压，分别接+15V、GND。2.将2kΩ电阻连入电路中。3.用遮光套将光敏二极管和LED发光二极管套在一起。4.将电流表串联入电路，连接万用表。5.通过改变电压来改变LED的光强，读取万用表的测量数值并在记录光照电流数值。6.通过实验测量得到的数据可以进一步加工处理，如使用EXCEL，做出统计曲线。或者使用NILabview的测控软件进行数据采集和处理，使得实验的效果更加直观生动。图11数据采集处理硅光电池试验1、实验目的1、学会掌握PN结形成原理及其工作机理。2、了解LED发光二极管的驱动电流和输出光功率的关系。3、掌握硅光电池的工作原理及其工作特性。2、元器件准备1、万用表2、硅光电池，LED(红、黄、绿)3、实验原理硅光电池特性硅光电池是一个大面积的光电二极管，它被设计用于把入射到它表面的光能转化为电能。因此，其可用作光电探测器和光电池，被广泛用于太空和野外便携式仪器等的能源。光电池的基本结构如图，当半导体PN结处于零偏或反偏时，在它们的结合面耗尽区存在一内电场；当有光照时，入射光子将把处于介带中的束缚电子激发到导带，激发出的电子空穴对在内电场作用下分别飘移到N型区和P型区；当在PN结两端加负载时就有一光生电流流过负载。图12光电池结构示意图光电池作为电池使用如图所示。在内电场作用下，入射光子由于内光电效应把处于介带中的束缚电子激发到导带，而产生光伏电压。此时在光电池两端加一个负载就会有电流流过。当负载很小时，电流较小而电压较大；当负载很大时，电流较大而电压较小。实验时可改变负载电阻ＲＬ的值来测定光电池的伏安特性。图13光电池伏安特性测定4、实验内容和步骤一．无光照伏安特性1.实验中使用的是硅光电池模块。无光照条件下，测量硅光电池正向偏压时的伏安特性，电路原理图如图所示。图14硅光电池电路2.将电路连接+5V直流电源。3.用遮光套将光电池套上，遮光。4.将电流表串联入电路，万用表并联。5.使用万用表和电流表测量结果。6.改变RP101的阻值，观察电压电路的变化。记录V-I的数值。填写好数据后，利用EXCEL整理数据，观察伏安特性曲线。7.实验完成后，关闭原型板开关。二．光照特性1.将红色发光二极管和12V直流可调电源VPS相连。2.用遮光套将光电池和LED发光二极管套在一起。3.根据LED的特性，直流可调电源VPS的输出电压设置为2-5V之间变化。4.记录不同的光强(VPS的电压值)对应的万用表测得的电压值。附B综合实训拓展项目:基于物联网技术的智能家居应用一、实验室建设特点实验充分考虑传感器技术和物联网的项目特点相结合的需求，为学生提供一个“体验+实践”的开放环境。智能家居实验充分体现“聪明、安全、舒适”无处不在。门禁系统将潜在的危险阻挡在电梯间之外，安保系统将全程记录你出现的位置，始终将你的安全放在第一位。这一切只需要你轻轻晃动手机即可完成，无卡的尴尬将离你远去。访客的到来将在家中对讲显示屏上清晰反映，提前一步开启温暖的笑容。傍晚步入家中，温暖的洗澡水、徐徐播放的音乐、缓缓闭合的窗帘，伴随着厨房设备清脆的提示音，你可以享受为自己预备好的晚餐。清晨的喧闹即将开始的时候，在你关门的一瞬间。家，安静了，省电模式将呵护着你的口袋；平静中安全模式紧紧的保护着这个温馨的家，始终如一的守护她，随时随地通过3G或4G网络反映家中情况，让你在前进的道路上无后顾之忧。在智能家居实验中，让学生深切体验到智能家居的“聪明、安全、舒适”，同时提供二次开发接口，让学生动手开发专属的智能家居，在一个愉快、开放的环境中掌握传感器技术和体验物联网中的关键技术。二、方案概述1、智能家居系统组成智能家居系统是以信息化为平台，将照明、智能开关、室内环境监测、安防监控、异常报警求助、无盲区全景监视系统、背景音乐等系统进行统一管理，室内通过遥控器任意控制，室外可通过手机或电脑进行远程控制，对家里的情况了如指掌。2、系统结构组成图1系统结构框图3、网络拓扑图图2系统网络拓扑图4、系统功能描述一套完整的智能家居系统一般由服务器管理平台、智能家庭网关和各子系统组成，本系统具备以下功能：家庭安全防范：智能安防可以实时监控非法闯入、火灾、煤气泄漏。一旦出现警情，系统自动向家居系统发出报警信息，同时启动控制系统进入应急联动状态，从而实现主动防范；照明系统控制：控制点带灯的开关、明暗度，多种灯光情景控制模式，如全开/全关模式、家庭影院模式、会客模式、聚餐模式、夜间模式、起早模式；家电控制：通过智能开关控制电视、音响、空调、冰箱、电风扇、窗帘、门窗等；环境监测：对分布的各个传感器进行数据采集，实现室内环境状态的实时监控；多种控制模式：联动控制（如回家开门后，灯、窗帘、空调等按照既定执行策略开启联动工作）。定时控制（如早上起床时间到后，闹钟响起，开启窗帘，播放音乐）。智能化控制（通过各种传感器，如温度、光感、湿度传感器等实现智能家居的主动性动作响应，如监控火灾时自动断电，燃气泄露时自动关闭气阀并打开窗户和换气扇，根据亮度自动调节开关窗帘，下雨时自动关闭窗户等）。多种途径控制（可通过触摸屏、网页、手机等不同方式控制家庭设备）。三、实施方案方案一、智能家居真实场景以物联网科研平台为基础，提供一套真实的智能家居场景。效果图如下：图3智能家居实景参考配置：智能家居网关、网络摄像头（带云台控制）、RFID读写器、智能开关220V（控制电视、音响、饮水机、风扇等）、灯光（三色、白炽灯、报警灯）、电动窗帘、3G通信模块、无线探测器（温度、湿度、光感、红外接近、烟雾、压力、红外对管）。特点：体验性强，同时管理程序开放开发接口，学生可以编写Python脚本来对实验室内的设备进行读写操作，可实现不同设备的联动控制，比如通过室内温度采集，当温度值超过一定阈值，则开启风扇或空调，同时可考虑更多因素（节能、制冷效果等），决策是同时开风扇和空调还是只开其中一个设备，完全提供给学生一个开放式环境；缺点:不利于多个学生同时进行实践。方案二、模拟智能家居（模型版）以物联网科研平台为基础，在一个机柜中模拟出智能家居的环境，与真实的智能家居系统功能相似，只是尺寸比例不同，模型板家居系统全部模块化，与真实家居系统采用统一的硬件及软件接口，效果图如下：图4智能家居模型参考配置：智能家居网关、摄像头、RFID读写器、智能开关（控制直流电机）、灯光（白炽灯、报警灯）、3G通信模块、无线探测器（温度、湿度、光感、红外接近、烟雾、压力、红外对管）。特点：将所有的模块浓缩到一个模拟的智能家居机柜里，几个学生一组可以在这个平台上开发验证程序，并也有相对直观的演示效果。在实验室中可提供多组学生同时进行实验。缺点：直观体验性不强，同时，无法在真实应用场景下进行验证，缺乏现场实施经验的支撑，不利于学生工程实践意识的提升。方案三、智能家居真实环境+模型版综合方案一和方案二，在真实的智能家居应用环境下，用模型板智能家居进行实验开发，并可以在真实环境下进行实践验证。既能同时为多组学生提供动手实验的机会，又能为其提供实践验证的环境。特点：模型板家居系统全部模块化，与真实家居系统采用统一的硬件及软件接口，基于我们提供的开发接口，学生可以将自己开发的模块加入到真实的环境中进行。四、方案详解1、环境监测模块性能参数功能光感传感器功能特点：1、可以在所有光源（包括太阳光）下工作。2、双通道模数转换器可以同时独立测量环境光和近距离红外光。3、智能中断方案：可以分别配置环境光和接近感应的中断阈值。可以配置触发中断之前需要达到阈值的次数：1/4/8/16次达到阈值后再触发中断。4、非线性：0.5%。5、环境光检测的输出数据直接和光强成正比。6、环境光检测可以选择125或2000勒克斯（lux）的量程。7、消除环境中红外噪声（包括阳光）。8、超低功耗：典型工作电流为138μA。9、易用性：I2C通讯接口。10、内部温度补偿。11、小巧的ODFN82.0x2.1x0.7（毫米）封装。12、I2C通讯接口匹配电压为1.7V--3.63V。13、传感器供电电压为2.25V--3.63V。1、监测室内环境光线；2、近距离红外光可做渐进感应，做安全防护；加速度传感器功能特点：1、电源电压：1.95伏—3.6伏。2、通讯接口电压：1.6伏—3.6伏。3、可动态选择±2g/±4g/±8g量程。4、输出数据速率：1.56赫兹—800赫兹。5、12位和8位数字输出。6、I2C通讯接口（当管脚连接4.7K上拉电阻时可达2.25MHz速率）。7、6个中断源对应2个可编程中断引脚。8、3个运动检测嵌入式通道：1通道自由落体或运动检测；1通道脉冲检测；1通道震动检测。9、电流消耗：6uA—165uA。10、符合RoHS标准。1、物体移位监测；2、实时运动分析气压传感器功能特点：1、电源电压：1.95伏--3.6伏。2、通讯接口电压：1.6伏--3.6伏。3、补偿内部。4、直接读取数据。数据已经经过补偿。压力：20位数据（帕斯卡）；海拔高度：20位数据（米）；温度：12位数据（摄氏度）。5、测量范围：压力：测量20--110kPa范围。温度：测量-40--+85摄氏度范围。6、分辨率。压力：1.5帕斯卡。海拔高度：30厘米。温度：0.0625摄氏度。7、可编程事件。8、自动数据采集。9、使用FIFO，最多能够记录12天的数据。10、I2C接口（数据速率达400千赫）。1、高精度高度计；2、气压、温度采集。温湿度传感器功能特点：1、相对湿度和温度传感器2、工作电压范围2.4伏--5.5伏。3、通讯接口：串行接口，一根数据线，一根时钟线。4、测温范围：-40—123.8摄氏度。5、完全校准，数字输出。6、卓越的长期稳定性。7、无需任何外部元件。8、超低功耗。9、小尺寸。1、室内湿度和温度数据采集；红外对管性能特点：1、红外安防装置有效距离可达10米。2、红外发射管连续工作电流150mA。3、红外发射管在脉冲控制方式下，最大工作电流可达3A。4、红外接收端中心频率：38KHz。5、对环境光具有高性能抗干扰性。6、工作环境温度：-25--+85摄氏度1、用于安防监控；烟雾传感器性能特点：1、大探测范围。2、高灵敏度和快速响应。3、优异的稳定性；寿命长。4、简单的驱动电路。5、标准工作条件温度：20℃±2℃相对湿度：65%±5%6、在标准工作条件下，探测浓度范围：液化气和丙烷：100ppm-10000ppm丁烷：300ppm-5000ppm甲烷：5000ppm-20000ppm氢气：300ppm-5000ppm酒精：100ppm-2000ppm7、预热时间不少于1小时。1、可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。2、智能灯光及电器控制部分控制部分主要基于zigbee的无线反馈控制模块，控制器只需要接在220V电源线上即可，无需另行布线。智能灯光系统是由灯光控制模块(或面板)组成，模块与房间内照明设备对接后，即可实现强大的灯光场景效果，像晚餐模式、起床模式、就寝模式，具有记忆功能；电器控制系统由电器控制模块组成，与房间内相应的设备对接后即可实现相应的控制功能。如通过手机、网关、电脑软件可随时的打开热水器、空调、电动窗帘、电视、灯光等设备。电气控制示意图如图5所示。图5电器控制示意图3、智能安防部分智能安防系统是由各种智能探测器和智能网关组成，构建房间内的主动防御系统。智能红外对射探测器，通过红外线反射进行布防，当有人闯入的时候发出报警；智能烟雾探测器，探测出烟雾浓度超标后发出报警；智能门禁探测器，基于RFID读卡器，只有有权限的人员才能够进入实验室，同时可实现考勤管理；智能燃气探测器，探测出燃气浓度超标后发出报警。室内监控，监控住宅内的状况，实现实时察看、录像、录像调用、云台控制等功能。通过手机、网络可随时察看监控区域内的情况，实现远程监控功能。主要设备有：摄像机、视频服务器。整个安防系统可实现手机、网关、电脑软件等方式接收报警信息，并能实现布防、撤防的设置。安防设备示意图如图6所示。图6安防设备示意图4、综合控制系统综合控制系统包括智能家居网关、智能家居综合管理软件等组成部分，实现对房间设备的综合管理。该案例通过友好直观的人机交互界面，展示了ZigBee网络中节点的拓扑结构和传感器状态信息，用户可以查看监视整个ZigBee的无线传感器网络情况，zigbee节点之间线长代表该节点与协调器之间的信号强度值，下图展现了一个星形zigbee网络拓扑图。用户可以根据实际需求，灵活选择ZigBee模块配套的传感器模块，通过提供的二次开发接口，轻松的将自己开发的zigbee传感器采集及控制模块加入已有zigbee网络，开发自己的应用系统。图7ZigBee无线传感器网络拓扑管理图8展现了通过zigbee传感网络采集回来的实时温度曲