一种基于智能家居感知与控制的实验教学平台制造技术

本发明专利技术公开的一种基于智能家居感知与控制的实验教学平台，属于教学领域。本发明专利技术的实验教学平台，搭建于实景沙盘模型，包括感知与控制模块、智能网关、云平台服务器和用户终端模块，配套有实验说明书。感知与控制模块通过智能网关与云平台服务器连接，将采集到的环境信息数据经由路由器传至云平台服务器或者本地局域网，从而实现数据的实时传输。云平台服务器和用户终端模块之间通过Internet进行连接，能够实时查看实验中的环境信息数据并控制设备进行动作。本发明专利技术要解决的问题是提供基于智能家居感知与控制的实验教学平台，具有下述优点：(1)终端控制方式多样灵活；(2)控制器效率高；(3)实验系统对外可扩展。本发明专利技术适用于物联网及相关专业的实验教学。

An experimental teaching platform based on intelligent home perception and control

The invention discloses an experimental teaching platform based on intelligent home perception and control, which belongs to the teaching field. The experimental teaching platform of the invention is built on the real sand table model, including the perception and control module, the intelligent gateway, the cloud platform server and the user terminal module, and is equipped with experimental instructions. The module of perception and control is connected by intelligent gateway and cloud platform server, and the collected environmental information data is routable to the cloud platform server or local LAN through routers, so as to realize data real-time transmission. The connection between cloud platform server and user terminal module is connected by Internet. It can view the environmental information data in the experiment and control the device to act in real time. The problem of the invention is to provide an experimental teaching platform based on smart home perception and control, which has the following advantages: (1) the terminal control mode is various and flexible; (2) the controller has high efficiency; (3) the experimental system can expand externally. The invention is applicable to the experimental teaching of the Internet of things and related specialties.

【技术实现步骤摘要】
一种基于智能家居感知与控制的实验教学平台
本专利技术涉及一种智能家居的实验教学平台，尤其涉及一种基于感知与控制的智能家居的实验教学平台，适用于物联网及相关专业的实验教学，属于教学领域。
技术介绍
随着物联网技术的发展，“感知中国”的战略推进了智慧城市的建设，人民的生活质量有了显著提升，人们对居住环境的要求也相应提高，促进了智能家居的快速发展。与此同时，越来越多的高校在教学中增加了物联网专业，并加大了对物联网相关专业的关注与重视，从而适应科技与时代的发展，更好的输送高技术型人才。物联网及相关专业的建设与发展离不开学生对本专业实验实训环节的学习，而国内能研发成套物联网实验设备的公司较少，物联网实验设备基本没有统一规范的标准，开发平台定价高，且难以进行二次开发。所以物联网实验设备的不足与单一，成为物联网及相关专业教育的一大障碍。一套专门用于物联网及相关专业教学的实验开发平台需求日益增加，以此解决物联网及相关专业理论和实践教学的难题。物联网技术广泛应用于生活和生产环境，但是作为学生的一款实验教学平台，智能家居教学平台是一种贴近生活而且应用前景广泛的典型物联网及相关专业的开放型应用环境之一。选择智能家居实验平台作为物联网专业实验设备，既降低了实验实训的建设成本，提高了设备利用率，也满足了本专业师生对实验实训课程的需求。学生可在此平台上实现对物联网综合技术的理解，也可借助此平台进行创新应用。而现有的智能家居实验教学平台，它们大都通过手机通讯网络、Internet控制、WiFi控制等方式实现对远程家居模型设备的远程控制。以操作终端的方式对智能家居教学平台的控制，尽管控制方式已经很先进，能够一定程度上帮助学生掌握物联网的技术，但是智能家居实验设备很多控制方式单一，使学生的动手实践涉及面狭窄，也没有解决操作者随时随地获取物联网内信息的问题，上述的问题都无法满足当前教育教学的需要和对学生创新能力的培养。因此研究设计一套智能化、低成本、可扩展的智能家居实验教学平台系统显得十分必要。目前智能家居实验教学平台系统存在着以下技术的不足：(1)以PC机或某种嵌入式设备充当的主控制器的存储和运算性能有限，控制器工作负重大、功耗大，并且接口有限，对外不可扩展，难以实现控制对象的增加；(2)现有的智能家居实验教学平台购买及使用成本高，且软件不对用户开放，或只是部分开放，硬件方面也无法进行自行搭建，无法提升学生硬件与软件的开发能力；(3)现有的智能家居实验教学平台都需要操作终端进行设备的控制，控制方式比较单一，操作不够灵活便捷，无法扩宽学生的知识视野。随着传感器、网络、无线通信、嵌入式以及物联网技术的迅速发展与广泛应用，使得感知与控制的智能家居实验教学平台得以发展。将体感技术应用到智能家居实验系统中，通过人体的姿态动作来控制家居设备的运行状态，使得控制方式更加灵活便捷；采用物联网云平台架构与单片机作为中控最大程度地降低每个智能家居实验系统的功耗，增强系统的可扩展性；同时通过智能网关进行数据的传输，使得学生对于网关有更深层次的理解与开发。通过以上技术，能够有效解决智能家居实验教学平台发展过程中所遇到的问题。
技术实现思路
为解决现有技术中智能家居实验教学平台存在的上述技术问题。本专利技术公开的一种基于智能家居感知与控制的实验教学平台要解决的技术问题是提供基于智能家居感知与控制的实验教学平台，具有下述优点：(1)终端控制方式多样灵活；(2)控制器效率高；(3)实验系统对外可扩展。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：本专利技术公开的一种基于智能家居感知与控制的实验教学平台，搭建于实景沙盘模型，包括感知与控制模块、智能网关、云平台服务器和用户终端模块，并配套有实验说明书。所述的实景沙盘家居模型要求合理布局房间结构并进行室内装饰，实景还原家庭房间布局和智能家居设备，用于模拟真实环境下家居房间构成与家居设备；实景沙盘模型配备各个模块的调试下载接口、程序源码。所述的感知与控制模块用于完成环境信息数据的采集与监测、控制设备的手势信息的提取，并用于智能家居沙盘中家电设备的开关控制。所述的智能网关用于实现下述功能：(1)实现实验室内外网的通信，将实验室内部所有智能设备与之相连；(2)将感知与控制模块设备接入Internet；(3)具备云端与本地两种工作模式，学生根据需要进行云端或本地工作模式选择，优选语音方式进行工作模式选择切换。所述的云平台服务器用于实现下述功能：(1)完成感知与控制模块环境信息数据的实时处理，通过智能网关传输至用户终端模块实时显示；(2)当实验环境信息数据不合理时给出相应的调整策略，包括向操作者推送消息提醒和自动触发预先设定的规则；(3)能够同时完成大量实验产生的海量传感器数据的接入和存储任务；(4)计算能力强，用于减轻传统智能家居实验系统中的中控设备的负担，完成复杂的逻辑处理；(5)随时增添或删减所需的传感器和控制器到系统中，实现按需扩展，设备具有自定义功能。所述的用户终端模块用于实现下述功能：(1)以WEB或终端APP的形式为学生提供远程查看的人机交互界面，使得学生对于实验的学习不仅仅局限于室内，方便学生随时随地的高效率学习；(2)提供给学生基本控制家居操作的功能，通过手机等移动设备能够查看实验模型中的环境信息数据，并向控制器发出请求，实现对感知与控制模块的控制，让学生体会到智能家居系统的便捷性。所述的配套实验说明书，以供学生进行实验课程使用，使学生能够针对各个模块进行思路清晰的教学实验，并记录分析实验结果，撰写实验总结。实验说明书包括智能家居的简介、各个模块的简介、各个模块的使用说明、理论讲解、开发环境搭建分步过程讲解、开发工具使用讲解、实验目的、实验原理、实验步骤和程序运行流程图。感知与控制模块通过智能网关与云平台服务器进行连接，将采集到的环境信息数据经由路由器传至云平台服务器或者本地局域网，从而实现数据的实时传输。云平台服务器和用户终端模块之间通过Internet进行连接，能够实时查看实验中的环境信息数据并控制设备进行动作。所述的感知与控制模块包括主控制器、环境数据采集与控制子模块、显示与报警子模块、语音识别与合成子模块和网络接入子模块。由于选用云平台服务器取代传统的PC机或某种嵌入式设备作为服务器，只保留AVR单片机作为感知与控制模块和用户终端模块的中控，所以选用主控制器无需满足存储空间大的要求，因此选用具有低功耗、控制效率高的控制器即可。主控制器用于将环境信息数据和手势信息传送给云平台服务器以及控制终端设备，优选以Atmega328为核心的AVR单片机Arduino；环境数据采集与控制子模块由Kinect体感设备、各种传感器及继电器设备组成，用于完成手势动作的识别、环境信息数据的采集与电器开关控制；显示与报警子模块包括液晶显示屏、LED灯和蜂鸣器，用于环境信息数据的本地显示与超阈值报警；语音识别与合成子模块包括语音识别模块和语音合成模块，用于接收控制指令与反馈执行结果；网络接入模块选用以太网控制器，并配合WiFi模块，用于实现下述功能：(1)终端设备的Internet接入；(2)与Internet通信，通过无线模块与感知控制模块，将传感器数据上传至云平台服务器；(3)接受云平台服务器控制指令，从而驱动控制器控制实验设备。已有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于智能家居感知与控制的实验教学平台，其特征在于：搭建于实景沙盘模型，包括感知与控制模块、智能网关、云平台服务器和用户终端模块，并配套有实验说明书；所述的实景沙盘家居模型要求合理布局房间结构并进行室内装饰，实景还原家庭房间布局和智能家居设备，用于模拟真实环境下家居房间构成与家居设备；实景沙盘模型配备各个模块的调试下载接口、程序源码；所述的感知与控制模块用于完成环境信息数据的采集与监测、控制设备的手势信息的提取，并用于智能家居沙盘中家电设备的开关控制；所述的智能网关用于实现下述功能：(1)实现实验室内外网的通信，将实验室内部所有智能设备与之相连；(2)将感知与控制模块设备接入Internet；(3)具备云端与本地两种工作模式，学生根据需要进行云端或本地工作模式选择；所述的云平台服务器用于实现下述功能：(1)完成感知与控制模块环境信息数据的实时处理，通过智能网关传输至用户终端模块实时显示；(2)当实验环境信息数据不合理时给出相应的调整策略，包括向操作者推送消息提醒和自动触发预先设定的规则；(3)能够同时完成大量实验产生的海量传感器数据的接入和存储任务；(4)计算能力强，用于减轻传统智能家居实验系统中的中控设备的负担，完成复杂的逻辑处理；(5)随时增添或删减所需的传感器和控制器到系统中，实现按需扩展，设备具有自定义功能；所述的用户终端模块用于实现下述功能：(1)以WEB或终端APP的形式为学生提供远程查看的人机交互界面，使得学生对于实验的学习不仅仅局限于室内，方便学生随时随地的高效率学习；(2)提供给学生基本控制家居操作的功能，通过手机等移动设备能够查看实验模型中的环境信息数据，并向控制器发出请求，实现对感知与控制模块的控制，让学生体会到智能家居系统的便捷性；所述的配套实验说明书，以供学生进行实验课程使用，使学生能够针对各个模块进行思路清晰的教学实验，并记录分析实验结果，撰写实验总结；实验说明书包括智能家居的简介、各个模块的简介、各个模块的使用说明、理论讲解、开发环境搭建分步过程讲解、开发工具使用讲解、实验目的、实验原理、实验步骤和程序运行流程图；感知与控制模块通过智能网关与云平台服务器进行连接，将采集到的环境信息数据经由路由器传至云平台服务器或者本地局域网，从而实现数据的实时传输；云平台服务器和用户终端模块之间通过Internet进行连接，能够实时查看实验中的环境信息数据并控制设备进行动作。...

【技术特征摘要】
1.一种基于智能家居感知与控制的实验教学平台，其特征在于：搭建于实景沙盘模型，包括感知与控制模块、智能网关、云平台服务器和用户终端模块，并配套有实验说明书；所述的实景沙盘家居模型要求合理布局房间结构并进行室内装饰，实景还原家庭房间布局和智能家居设备，用于模拟真实环境下家居房间构成与家居设备；实景沙盘模型配备各个模块的调试下载接口、程序源码；所述的感知与控制模块用于完成环境信息数据的采集与监测、控制设备的手势信息的提取，并用于智能家居沙盘中家电设备的开关控制；所述的智能网关用于实现下述功能：(1)实现实验室内外网的通信，将实验室内部所有智能设备与之相连；(2)将感知与控制模块设备接入Internet；(3)具备云端与本地两种工作模式，学生根据需要进行云端或本地工作模式选择；所述的云平台服务器用于实现下述功能：(1)完成感知与控制模块环境信息数据的实时处理，通过智能网关传输至用户终端模块实时显示；(2)当实验环境信息数据不合理时给出相应的调整策略，包括向操作者推送消息提醒和自动触发预先设定的规则；(3)能够同时完成大量实验产生的海量传感器数据的接入和存储任务；(4)计算能力强，用于减轻传统智能家居实验系统中的中控设备的负担，完成复杂的逻辑处理；(5)随时增添或删减所需的传感器和控制器到系统中，实现按需扩展，设备具有自定义功能；所述的用户终端模块用于实现下述功能：(1)以WEB或终端APP的形式为学生提供远程查看的人机交互界面，使得学生对于实验的学习不仅仅局限于室内，方便学生随时随地的高效率学习；(2)提供给学生基本控制家居操作的功能，通过手机等移动设备能够查看实验模型中的环境信息数据，并向控制器发出请求，实现对感知与控制模块的控制，让学生体会到智能家居系统的便捷性；所述的配套实验说明书，以供学生进行实验课程使用，使学生能够针对各个模块进行思路清晰的教学实验，并记录分析实验结果，撰写实验总结；实验说明书包括智能家居的简介、各个模块的简介、各个模块的使用说明、理论讲解、开发环境搭建分步过程讲解、开发工具使用讲解、实验目的、实验原理、实验步骤和程序运行流程图；感知与控制模块通过智能网关与云平台服务器进行连接，将采集到的环境信息数据经由路由器传至云平台服务器或者本地局域网，从而实现数据的实时传输；云平台服务器和用户终端模块之间通过Internet进行连接，能够实时查看实验中的环境信息数据并控制设备进行动作。2.如权利要求1所述的一种基于智能家居感知与控制的实验教学平台，其特征在于：所述的感知与控制模块包括主控制器、环境数据采集与控制子模块、显示与报警子模块、语音识别与合成子模块和网络接入子模块；由于选用云平台服务器取代传统的PC机或某种嵌入式设备作为服务器，只保留AVR单片机作为感知与控制模块和用户终端模块的中控，所以选用主控制器无需满足存储空间大的要求，因此选用具有低功耗、控制效率高的控制器即可；主控制器用于将环境信息数据和手势信息传送给云平台服务器以及控制终端设备；环境数据采集与控制子模块由Kinect体感设备、各种传感器及继电器设备组成，用于完成手势动作的识别、环境信息数据的采集与电器开关控制；显示与报警子模块包括液晶显示屏、LED灯和蜂鸣器，用于环境信息数据的本地显示与超阈值报警；语音识别与合成子模块包括语音识别模块和语音合成模块，...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴亚平，张超颖，杨国赛，张岩，徐意钧，徐凡，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11