CN107623739A - 一种基于智能家居感知与控制的实验教学平台 - Google Patents

Abstract

本发明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***对外可扩展。本发明适用于物联网及相关专业的实验教学。

Description

一种基于智能家居感知与控制的实验教学平台

技术领域

本发明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。

背景技术

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***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***显得十分必要。

目前智能家居实验教学平台***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***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***的功耗，增强***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。

发明内容

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。本发明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***对外可扩展。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明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***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***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***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。

已有技术中的主控制器需选用低功耗、控制效率高以及存储空间大的主控制器，而现有控制器难以同时具备以上所述优点。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。

所述的环境数据采集与控制子模块包括感知二级子模块，手势识别二级子模块和控制终端二级子模块。其中感知二级子模块选用各种传感器，用于完成实验环境的检测与监视，并将环境信息数据发送给智能网关。手势识别二级子模块是Kinect摄像头，通过微软Kinect摄像头进行手势深度图的采集，进而对手势信息进行提取、分析与判断，产生相应的控制信号，通过Internet将控制信号传给单片机，从而驱动实验平台的家居动作。控制终端二级子模块是被控的实验家居设备对象，如插座、LED灯、窗帘等，用于接收智能网关发送的控制指令完成相应的操作。

所述的手势识别二级子模块是Kinect摄像头，它包括至少3个摄像头，包括一个彩色RGB摄像头、两个由红外线发射器和红外线CMOS传感器所组成的3D结构光深度摄像头。其中，彩色RGB摄像头，用来录制彩色图像；深度摄像头具有深度摄像头功能和红外摄像头功能，用来采集深度数据，所述的深度数据为场景中摄像头与物体间的距离。Kinect利用人体骨骼点来定义人体姿态，通过定义人体的不同部位的坐标关系确定一系列人体姿态，不同的人体姿态能够作为家居设备动作的触发信号，用于学生在实验时自行设计不同姿态驱动设备动作。具体操作识别过程为：首先是从红外采集摄像头采集到的黑白图像中将人体区分出来，用于从复杂数值中提炼有用的简单信息过程。体感摄像头会对景深图像进行“像素级”识别，先识别图像轮廓，再识别图像细节。体感识别模块输入的是深度图像，输出的是目标人体轮廓。首先分析比较接近体感摄像头的区域，其次会逐点扫描所述区域深度图像的像素，来判断具体属于人体的哪些部位，进而识别出具体的变化骨骼点位置。通过手势识别过程的实践，用于学生在实验中学到图像二维化、边缘检测、噪声消除、对人体目标特征点分类等的专业图像处理知识。

所述的云平台服务器有数据处理子模块、指令发送子模块和存储数据子模块。其中，数据处理子模块用于对采集到的数据进行处理，根据信号变换设定家居终端工作模式，通过云平台服务器能够快速完成实验产生的海量传感器数据的处理任务，效率高效，并且用于随时增添或删减所需的传感器和控制器到***中，***具有按需扩展功能；指令发送子模块用于根据数据处理模块设定的家居终端模式发送控制指令到实验家居终端，从而通过控制器控制家居设备动作；存储数据子模块用于存储历史数据和实时数据，便于学生及时查看，使得在更大范围内对上述数据统筹分析，优化整个***。

所述的用户终端模块包括PC、手机或Pad等移动设备，用于将实验***数据进行可视化展示，通过用户终端模块学生能够随时随地远程查看和控制各种智能设备，操作快捷方便。

基于所述的一种基于智能家居感知与控制的实验教学平台实现的一种基于智能家居感知与控制的实验教学平台实验方法，包括如下步骤：

步骤一：配置智能网关，将感知与控制模块中的主控制器(Arduino)通过网络模块经路由器连入网络，使得家居环境信息数据能够通过智能网关上传到云平台服务器。

步骤二：通过感知与控制模块完成环境信息数据的采集与监测，并提取控制设备的手势信息，将环境信息数据和提取的控制设备的手势信息通过智能网关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。

步骤三：云平台服务器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，完成复杂的逻辑处理；云平台服务器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；云平台服务器根据需要随时增添或删减所需的传感器和控制器到***中，实现按需扩展，设备具有自定义功能。

步骤四：云平台服务器和用户终端模块之间通过Internet进行连接，用户终端模块以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。

步骤五：用户终端模块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***的便捷性。学生在用户终端模块中登录个人账号，进入智能家居实验平台控制界面，点击控制界面相应的指令按钮，通过Internet和智能网关将相应控制指令传送给感知与控制模块实现对相应家居设备远程开关控制；

步骤六：基于步骤一至步骤五，根据配套实验说明书进行实验课程使用，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，实验结束后，退出用户终端模块，关闭实验***，撰写实验总结。

有益效果：

1.本发明公开的一种基于智能家居感知与控制的实验教学平台，将基于Kinect的视觉人体手势识别融入智能家居实验***的控制之中，能够简化实验***的控制复杂度，使学生更好地了解与掌握多种控制方式，并提高人与***之间的交互性。

2.本发明公开的一种基于智能家居感知与控制的实验教学平台，采用公共云平台服务器，取代了传统的PC机或某种嵌入式设备作为服务器，并且本发明只保留了AVR单片机作为采集与控制终端的中控，能够最大程度的简化本地设备，降低本地***的功耗，最终成功地搭建了具有低功耗、低成本和便携性好三大特点的远程智能家居实验教学平台。

3.本发明公开的一种基于智能家居感知与控制的实验教学平台，不仅能够实现现有的智能家居实验***所具备的功能，如组建闭环的控制***、实现自动环境调节功能等，还能够随时增添或删减所需的传感器和控制器到***中，***可按需扩展，设备可自定义，实现智能家居实验***的个性化定制。

4.本发明公开的一种基于智能家居感知与控制的实验教学平台，不仅能够使学生了解“智能家居”的含义，并且使学生了解到无线传感技术、物联网技术、网络云平台技术等本实验***的相关技术。该实验***能够为学生提供与实际相结合的完整的实训平台，而且为学生开展电子竞赛提供帮助，对培养学生的创新精神和动手实践能力也大有裨益。

附图说明

图1是本发明一种基于智能家居感知与控制的实验教学平台的整体架构图；

图2是本发明一种基于智能家居感知与控制的实验教学平台的环境数据采集与控制子模块主要设备说明图以及手势识别二级子模块工作流程图；

图3是本发明一种基于智能家居感知与控制的实验教学平台的典型实验过程流程图；

图4是本发明一种基于智能家居感知与控制的实验教学平台的舒适度感知与控制子***的硬件组成图；

图5是本发明一种基于智能家居感知与控制的实验教学平台的安全性感知与控制子***硬件组成图；

图6是本发明一种基于智能家居感知与控制的实验教学平台的能耗感知与控制子***硬件组成图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做具体阐述。

实施例1

本实施例详细阐述了本发明一种基于智能家居感知与控制的实验教学平台的整体架构图及各个主要模块的介绍说明。

图1为本实施例一种基于智能家居感知与控制的实验教学平台的整体架构图。

本实施例公开的一种基于智能家居感知与控制的实验教学平台的整体架构图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。

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。主控制器选择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，将环境信息数据通过Internet传送给云平台服务器。

智能网关的主要功能是将主控制器接入Internet，依靠的主要设备是网关(即路由器)。而将主控器(Arduino)连入网络就必须为其配置网络模块，本设计采用基于Microchip ENC28J60的以太网控制器进行连接。在本实施例中，终端设备都具有WiFi模块。终端设备将采集到的环境信息数据转发到路由器，经由路由器再传至云平台服务器，从而实现数据的远程传输。网关作为一个事务驱动型平台，主要实现实验室内部网络到实验室外部网络的转换，处理各种场景下事务之间的联动逻辑。

能够提供Web服务的智能网关将实验***设备连接到Internet上，并为实验***设备分配IP地址以便访问。安设的数目及种类众多的传感器完成实验***中家居环境信息数据的采集，通过WiFi网络经由路由器将环境信息数据上传到云平台服务器。云平台服务器主要提供数据存储服务和网络服务，一方面完成家居环境信息数据的实时显示，另一方面当环境信息数据不合理时给出相应的调整策略，包括向学生推送消息提醒和自动触发预先设定的规则。学生能够在任何时间、任何地点使用PC、Pad或手机等终端登陆云平台服务器，来远程监测与控制家居环境情况。

用户终端模块是云平台服务器和学生用户之间的接口，以WEB或终端APP的形式将信息内容呈现给学生，并提供基本操作等功能。该模块的主要设备是面向***使用者的终端，有PC机、平板电脑及手机等多种终端形式，其主要作用就是通过客户端软件或Web浏览器为用户提供一个能够远程查看并控制***的人机交互界面。如果通过浏览器的方式访问***，则终端设备上只需要能运行浏览器即可，不要再单独安装额外的应用程序；如果要通过客户端软件访问***，则需要针对不同的终端设备平台，如Windows、Android和IOS等安装不同版本的客户端软件，上述的客户端与后台数据库通信的模式类似于C/S架构。

从图1能够看出，感知与控制模块与智能网关相连，完成环境信息数据的采集与发送；智能网关与云平台服务器相连，完成数据的上传与处理；云平台服务器与用户终端模块相连，完成环境信息数据的实时显示。

图2是本实施例一种基于智能家居感知与控制的实验教学平台的环境数据采集与控制子模块主要设备说明图以及手势识别二级子模块工作流程图。

环境数据采集与控制子模块具体分为感知二级子模块，手势识别二级子模块和控制终端二级子模块三大类。其中感知二级子模块由各种传感器构成，该模块依靠各种各样的传感器感知家庭环境信息数据以及家电设备工作状态参数，主要设备有温湿度传感器、空气质量检测仪、烟雾火焰报警器等感知设备，用于完成实验平台家居环境的检测与监视，并将数据发送给智能网关；手势识别二级子模块是Kinect摄像头，通过微软Kinect摄像头进行手势深度图的采集，主要用于获取人体骨骼关节点信息，进而对手势信息进行提取、分析与判断，产生相应的控制信号，通过Internet将控制信号传给单片机，从而驱动实验家居动作；控制终端二级子模块是一些被控的微型家电设备，包括智能插座、智能红外遥控器和灯光窗帘等控制设备，这些微型家电设备均具有WiFi无线模块，用于与处于网络接入层的网关进行通信，依靠控制器发出的信号控制家电设备的工作状态。

图3是本发明一种基于智能家居感知与控制的实验教学平台的典型实验过程流程图。具体操作步骤如下：

步骤一：配置智能网关，将感知与控制模块中的主控制器(Arduino)通过网络模块经路由器连入网络，使得家居环境信息数据能够通过智能网关上传到云平台服务器。

步骤二：通过感知与控制模块完成环境信息数据的采集与监测，并提取控制设备的手势信息，将环境信息数据和提取的控制设备的手势信息通过智能网关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。

步骤三：云平台服务器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，完成复杂的逻辑处理；云平台服务器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；云平台服务器根据需要随时增添或删减所需的传感器和控制器到***中，实现按需扩展，设备具有自定义功能。

步骤四：云平台服务器和用户终端模块之间通过Internet进行连接，用户终端模块以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。

步骤五：用户终端模块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***的便捷性。学生在用户终端模块中登录个人账号，进入智能家居实验平台控制界面，点击控制界面相应的指令按钮，通过Internet和智能网关将相应控制指令传送给感知与控制模块实现对相应家居设备远程开关控制；

步骤六：基于步骤一至步骤五，根据配套实验说明书进行实验课程使用，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，实验结束后，退出用户终端模块，关闭实验***，撰写实验总结。

实施例2

本实施例详细阐述了智能家居实验***感知与控制模块的具体设计与实现。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。***需要感知的家居环境信息有：温度、湿度、空气中的颗粒物、煤气、天然气是否泄漏、是否有人闯入、用电量和光照强度。为了更好地介绍所述的环境信息的感知与控制，将上述的环境信息进行了分类：温度、湿度、空气中的颗粒物的检测与显示归为舒适度感知与控制子***；煤气、天然气是否泄漏、是否有人闯入归为安全性感知与控制子***；用电量和光照强度的监测归为能耗感知与控制子***。本实施例设计的舒适度、安全性、能耗三个方面的智能感知与控制子***，具体设计与实现如下所示。

(1)舒适度感知与控制子***，主要让学生学***台服务器，当温度数据超出云平台服务器设定的阈值时，云平台服务器推送控制命令到主控制器，主控制器接收命令并执行发送红外信号开启空调的操作。

其中，舒适度感知与控制终端程序设计本地工作模式和云工作模式两种状态。两种状态相互独立，可通过语音指令进行切换。

(a)本地工作模式下，主控制器通过传感器实时检测环境信息，并通过LED等和LCD显示屏显示出相应信息，设定“自动调节”后，如果温度超出程序设定值，则自动发射开启空调的红外信号，本地工作状态下终端不需要联网就可实现以上功能。

(b)云工作模式下，主控制器将检测到的环境信息数据上传到云平台服务器，当温度数据超出云平台服务器设定的阈值时，云平台服务器推送控制命令到主控制器，主控制器接收命令并执行发送红外信号开启空调的操作。

图4是本实施例一种基于智能家居感知与控制的实验教学平台的舒适度感知与控制子***的硬件组成图。

其中，主控制器选用以Atmega328为核心的AVR单片机Arduino；语音识别模块选用LD3320；语音合成实现选用SYN6288，它通过UART通讯方式，接收待合成的文本数据，从而实现TTS(文本到语音)的转换；温湿度传感器选用DHT11；颗粒物传感器选用GP2Y1010AU0F；显示模块选用三基色LED灯在不同温度时显示不同颜色、LCD液晶屏负责本地温湿度、颗粒物信息的显示。

(2)安全性感知与控制子***，主要让学生学习关于家居气体检测与红外探测的实验内容。该***包括两个方面，一是对煤气、天然气泄漏的检测，当***检测到室内煤气、天然气浓度过高时，就会触发报警，从而达到及时提醒的效果，同时***也会给出消息推送，学生能够在移动终端上接收到报警推送；二是对红外探测的实验，即通过红外探测模块检测是否有人通过门或窗进入沙盘室内，若检测到有红外信号，则推送消息给学生，并触发报警装置。

图5是本实施例一种基于智能家居感知与控制的实验教学平台的安全性感知与控制子***硬件组成图。其中，燃气泄漏模块选用了MQ2；红外运动检测模块选用HC-SR501人体热释电运动检测传感器。

(3)能耗感知与控制子***，主要让学生学***台的网络电量表查看家中耗电设备，如果发现热水器处于开启状态，则下发控制命令到智能插座，触发关断操作。此外，通过光照强度模块检测到室内光线强度，过暗时，能够驱动电机拉开窗帘增加室内进光。通过对家庭能耗的感知与控制，不仅能够让学生通过实验实现云平台服务器监测数据和远程控制开关的功能，也能使他们感觉到智能家居给人们生活带来的多种便捷，激发他们的学习动力。

图6是本实施例一种基于智能家居感知与控制的实验教学平台的能耗感知与控制子***硬件组成图。

其中，能耗检测模块可选用JSY-MK-109，主要是对线路中的电参数进行测量；电器的开关控制通过5V-220V继电器实现；光照强度检测模块选用BH1750FVI，其光强度探测范围为1～65535lx；步进电机型号选用28BYJ-48，输出力矩比较大，能够驱动重负载。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

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***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***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***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，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。

3.如权利要求2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：所述的环境数据采集与控制子模块包括感知二级子模块，手势识别二级子模块和控制终端二级子模块；其中感知二级子模块选用各种传感器，用于完成实验环境的检测与监视，并将环境信息数据发送给智能网关；手势识别二级子模块是Kinect摄像头，通过微软Kinect摄像头进行手势深度图的采集，进而对手势信息进行提取、分析与判断，产生相应的控制信号，通过Internet将控制信号传给单片机，从而驱动实验平台的家居动作；控制终端二级子模块是被控的实验家居设备对象，用于接收智能网关发送的控制指令完成相应的操作。

4.如权利要求3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：所述的手势识别二级子模块是Kinect摄像头，它包括至少3个摄像头，包括一个彩色RGB摄像头、两个由红外线发射器和红外线CMOS传感器所组成的3D结构光深度摄像头；其中，彩色RGB摄像头，用来录制彩色图像；深度摄像头具有深度摄像头功能和红外摄像头功能，用来采集深度数据，所述的深度数据为场景中摄像头与物体间的距离；Kinect利用人体骨骼点来定义人体姿态，通过定义人体的不同部位的坐标关系确定一系列人体姿态，不同的人体姿态能够作为家居设备动作的触发信号，用于学生在实验时自行设计不同姿态驱动设备动作；具体操作识别过程为：首先是从红外采集摄像头采集到的黑白图像中将人体区分出来，用于从复杂数值中提炼有用的简单信息过程；体感摄像头会对景深图像进行“像素级”识别，先识别图像轮廓，再识别图像细节；体感识别模块输入的是深度图像，输出的是目标人体轮廓；首先分析比较接近体感摄像头的区域，其次会逐点扫描所述区域深度图像的像素，来判断具体属于人体的哪些部位，进而识别出具体的变化骨骼点位置；通过手势识别过程的实践，用于学生在实验中学到图像二维化、边缘检测、噪声消除、对人体目标特征点分类等的专业图像处理知识。

5.如权利要求1、2、3或4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：所述的云平台服务器有数据处理子模块、指令发送子模块和存储数据子模块；其中，数据处理子模块用于对采集到的数据进行处理，根据信号变换设定家居终端工作模式，通过云平台服务器能够快速完成实验产生的海量传感器数据的处理任务，效率高效，并且用于随时增添或删减所需的传感器和控制器到***中，***具有按需扩展功能；指令发送子模块用于根据数据处理模块设定的家居终端模式发送控制指令到实验家居终端，从而通过控制器控制家居设备动作；存储数据子模块用于存储历史数据和实时数据，便于学生及时查看，使得在更大范围内对上述数据统筹分析，优化整个***。

6.如权利要求1、2、3或4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：所述的用户终端模块包括PC、手机或Pad等移动设备，用于将实验***数据进行可视化展示，通过用户终端模块学生能够随时随地远程查看和控制各种智能设备，操作快捷方便。