CN103389718A - 物联网可组态编程智能玩具 - Google Patents

Abstract

物联网可组态编程智能玩具。本发明属于物联网、人工智能、教育、玩具领域。主要由组态编程器、中央处理器、存储器、数据通信模块、多功能传感器、多点执行机构组成。通过应用开放性的平台，将物联网设备融于一体，并将不同玩具的玩乐性质组态于一体，用户自己动手选择硬件进行组态，甚至自己动手编程，将玩具设置成自己期望的动作、形态、互动方式。提高用户的动手能力、学习能力、认知能力、想象力等。通过物联网，不仅能共享该智能玩具的存储数据，用户与用户能交流该智能玩具的设置方法与内容，相互学习，让玩具形态、动作千变万化、内容丰富多彩，而且能控制其它物联网设备，实现玩具与物联网设备互动的功能，让该智能玩具融于人们的生活，改善人们的生活。

Description

物联网可组态编程智能玩具

技术领域

本发明属于物联网、人工智能、教育、玩具领域。 

背景技术

当前玩具功能单一、表情生硬、娱乐结合学习少。一类是拟物的模型，例如：汽车模型，拥有实际汽车的外观，或更鲜艳、更酷的外观，能遥控开动，声光模拟等；飞机模型，能遥控飞行，供人们体验飞行与控制的乐趣。一类是拟人的宠物、卡通玩具，有静态的模型，仅供人们观赏，也有动态互动的，带给人们更多的乐趣，例如：宠物狗，玩具熊，芭比娃娃等。宠物狗会模拟狗的叫声，遇到响声、光线变化、用户触摸时，会叫。玩具熊，柔软的身体当人们的依靠，设置闹钟时间到，还会大叫用户起床；也有会讲故事，伴随嘴形动作的。芭比娃娃，娇小美貌，女孩子们爱不释手，都细心呵护她，帮她穿上各种可爱的衣裳，把她打扮的漂漂亮亮的，女孩子们禁不住会跟她说上好多话。 

综观上述种种玩具，都是在其出产前，以及在用户手上，是按着固定程序运行，用户无法编程，从而玩乐性质是固定的，功能是单一的，表情是生硬的，虽带给了人们许多乐趣，却很少有娱乐结合学习的，用户玩乐一会就可能会对其失去兴趣。 

本发明为人们提供了物联网可组态编程智能玩具，应用开放性的平台，将物联网设备融于一体，并将不同玩具的玩乐性质组态于一体，用户自己动手选择硬件进行组态，甚至自己动手编程，将玩具设置成自己期望的动作、形态、互动方式；通过物联网，不仅能共享该智能玩具的存储数据，用户与用户能交流该智能玩具的设置方法与内容，相互学习，让玩具形态、动作千变万化、内容丰富多彩，而且能控制其它物联网设备，实现玩具与物联网设备互动的功能，如遥控物联网灯、电视、空调开关等。 

组态编程器编程环境，可以显示该智能玩具3D模型，直观的展示了实体玩具的可编程部位，用户只需简单设置该部位的状态，就能控制该智能玩具不同动作，真正实现智能玩具按用户控制动作、按用户设定形式交流互动。 

物联网可组态编程智能玩具，更重要的一点是，不仅能娱乐结合学习，玩具语音说话，设置成讲故事，学语言，听音乐等多种方式与用户互动；而且该智能玩具可听从用户的要求，控制物联网设备。让该智能玩具融于人们的生活，改善人们的生活。拟人化的交互方式让人们易于接受它，交流环境愉快，人们会对该智能玩具一直保留兴趣，期待该智能玩具的新形态与进步等。后面将以具体实施举例来说明。 

发明内容

本发明的目的是为了将物联网融于智能玩具中，并通过智能玩具可组态编程的方式，实现用户自己动手选择硬件进行组态，甚至自己动手编程，将玩具设置成自己期望的动作、形态、互动方式等，以及控制物联网设备，融于人们的生活，以解决当前玩具功能单一、表情生硬、娱乐结合学习少的问题。 

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。 

物联网可组态编程智能玩具，具有用户按需选择可选硬件设备组合在一起，通过编程，各硬件设备协调使用，完成多种功能的特征，包括组态编程器、中央处理器、存储器、数据通信模块、多功能传感器、多点执行机构；组态编程器，用于组态该智能玩具的硬件设备结构，设置各硬件设备参数，生成包括事件响应流程、设备控制指令的协议代码，通过数据通信模块下载协议代码到存储器中；中央处理器，用于解析存储器中协议代码指令，并按事件响应流程、设备控制指令控制多功能传感器进行数据采集、分析、处理，控制多点执行机构动作，控制数据通信模块与外界设备进行数据交流，控制物联网设备动作与互动；存储器，用于存储至少包括事件响应流程、设备控制指令的协议代码，多功能传感器采集的数据、处理结果；数据通信模块，用于该智能玩具与外界进行数据交流，至少包括USB模块、无线通信模块；多功能 传感器，用于采集外界环境数据，至少包括触碰感应的压力传感器或按键；多点执行机构，用于接受中央处理器控制，至少包括语音驱动、电机驱动； 

所述多点执行机构还可包括继电器驱动、LED点阵驱动、红外线探照； 

所述多功能传感器还可包括温度、湿度、红外气体检测、语音、视频图像、全球定位、超声波测距、陀螺仪角度检测、热辐射探测。 

所述数据通信模块与物联网、云端服务器连接，用于在用户或设备授权的情况下，控制其它物联网设备，或共享存储器的数据，或更新该智能玩具的程序与数据。 

所述数据通信模块与多功能遥控器连接，多功能遥控器用于直接控制智能玩具动作。 

所述多功能遥控器至少包括按键、摇杆、语音、视频、陀螺仪角度检测传感器的组合，多功能遥控器还可用于将传感器操作编码，并发送到数据通信模块，由中央处理器解析处理。 

所述中央处理器还可用于顺序记录并存储多功能遥控器发送的按键信息、语音视频数据、陀螺仪角度检测数据到存储器。 

所述组态编程器与云端服务器连接，用于在用户或设备授权的情况下，共享存储器的数据，或更新自身的程序与数据。 

所述组态编程器还可用于遥控该智能玩具动作。 

所述物联网可组态编程智能玩具具有语音识别模块，用于识别用户口述的指令。 

所述物联网可组态编程智能玩具具有时钟模块，用于记录数据采集的时间。 

所述物联网可组态编程智能玩具具有电源管理模块，用于管理电池的有线、无线充电，与该智能玩具的系统供电。 

所述组态编程器具有显示该智能玩具的3D模型的编程环境，用于为用户提供直观的良好编程环境。 

所述组态编程器具有设备编号数据库，该数据库字段包括设备编号、3D硬件模型，设备编号为关键字段，即编号是唯一的；用于选定3D硬件模型，通过查找该数据库，可查找到其唯一的设备编号； 

所述组态编程器具有设备控制指令数据库，该数据库字段包括指令编号、设备编号、设备类型、其它功能参数等，指令编号为关键字段，设备编号字段与设备编号数据库的设备编号字段一一对应关联；用于在选定3D硬件模型，找到该设备编号，可设置设备类型、其它功能参数等；其它功能参数根据设备类型有不同功能参数，如扫描周期、采样率、存储地址、数据长度、方向、执行时间、转动角度等； 

所述组态编程器具有事件响应流程数据库，该数据库字段包括事件编号、事件类型、事件优先级、事件触发条件、事件处理函数，事件编号为关键字段；用于在事件触发时，按事件优先级别，执行最高事件优先级所对应的事件处理函数；事件处理函数用于调用一个或多个设备控制指令编号对应的设备控制指令； 

所述物联网可组态编程智能玩具的一种实现方法，其特征在于包括以下步骤： 

步骤(1)、选择该智能玩具的硬件环境；该智能玩具要正常运行，必须选有中央处理器、存储器、数据通信模块、多功能传感器、多点执行机构；其中数据通信模块至少包括USB模块、无线通信模块；多功能传感器，至少包括触碰感应的压力传感器或按键；多点执行机构，至少包括语音驱动、电机驱动； 

步骤(2)、按步骤(1)选择的硬件，在组态编程器3D模型的编程环境中，选择对应3D硬件模型，组态编程器按设备编号数据库，查找对应唯一设备编号，用户设置该设备编号对应的设备类型、其它功能参数等，组态编程器生成包括设备控制指令的协议代码； 

步骤(3)、设定事件响应流程，也就是设计该智能玩具的程序流程图，用户设置该事件编号对应的事件类型、事件优先级、事件触发条件、事件处理函数等，组态编程器生成包括事件响应流程的协议代码； 

步骤(4)、将上述设备控制指令、事件响应流程的协议代码下载到智能玩具存储器中；重新开启智能玩具，该智能玩具按下载在智能玩具存储器中的协议代码运行，实现协议代码功能。 

本发明的有益效果是： 

通过应用开放性的平台，将物联网设备融于一体，并将不同玩具的玩乐性质组态于一体，用户自己动手选择硬件进行组态，甚至自己动手编程，将玩具设置成自己期望的动作、形态、互动方式。提高用户的动手能力、学习能力、认知能力、想象力等。 

通过物联网，不仅能共享该智能玩具的存储数据，用户与用户能交流该智能玩具的设置方法与内容，相互学习，让玩具形态、动作千变万化、内容丰富多彩，而且能控制其它物联网设备，实现玩具与物联网设备互动的功能。让该智能玩具融于人们的生活，改善人们的生活。拟人化的交互方式让人们易于接受它，交流环境愉快，人们会对该智能玩具一直保留兴趣，期待该智能玩具的新形态与进步等。 

组态编程器编程环境，可以显示该智能玩具3D模型，直观的展示了实体玩具的可编程部位，用户只需简单设置该部位的状态，就能控制该智能玩具不同动作，真正实现智能玩具按用户控制动作、按用户设定形式交流互动。 

附图说明

图1是本发明物联网可组态编程智能玩具结构示意图 

图2是本发明物联网可组态编程智能玩具组态编程流程图 

图3是本发明物联网可组态编程智能玩具事件响应流程图 

图4是本发明物联网可组态编程智能玩具一种事件响应流程图 

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面举例阐述本发明。 

首先描述物联网可组态编程智能玩具，经过组态编程后的一种形态与功能： 

外形定义为可爱的卡通人物，他具有可活动的眼睛、嘴巴、脖子、手、脚等，能说话，听话，感知环境温度，检测环境气体等，穿着可爱的带LED灯的跑步鞋，会开关房间的灯、电视、风扇等。 

跟主人说话时，会转动身体，面向主人以更好的互动交流； 

晚上睡觉前，跟他说“晚安”，他回应“主人晚安”，同时能关闭房间的电视、灯； 

天气炎热，温度太高，他会说：“好热啊，好热啊，主人开风扇吧？”，主人同意，说“开风扇”，他会控制打开风扇； 

在危急情况下，会第一时间通知主人现在所处危急环境，并通过物联网将危急信息发布，以向外界求助，直到主人离开或脱离危急环境；如环境不通风，甲烷、二氧化碳、一氧化碳含量过高，任何一种情况都会对人带来危险，甚至让人中毒，危害人的生命。 

与主人吟诗“白日依山尽，黄河入海流。欲穷千里目，更上一层楼。”说话时有嘴形动作，偶尔眨下眼睛。在吟诗到“欲穷千里目，更上一层楼。”时，做眺望、跳跃或往上爬状，以带动主人的学习兴趣、活跃学习环境。 

这一切都可由本发明实现。 

图4是上述功能实现的一种事件响应流程图。 

按图2物联网可组态编程智能玩具组态编程流程图，实现上述功能。 

步骤(1)：选择该智能玩具的硬件环境。 

可活动的眼睛、嘴巴、脖子、手、脚等是多点执行机构的可按轨迹运动的机构，由对应的电机驱动、继电器驱动等实现； 

能说话，是多点执行机构的可编码信号语音输出，经扬声器、扩音器等扩大音量播放； 

听话，感知环境温度，检测环境气体等，属于多功能传感器的语音采集、温度采集、红外气体检测传感器： 

可爱的带LED灯的跑步鞋，会开关房间的灯、电视、风扇等，是物联网可组态最常见的控制，通过发送跑步鞋LED灯的状态控制指令，可控制LED灯光闪动；通过发送房间的灯、电视、风扇开关控制指令，可控制房间的灯、电视、风扇的开与关； 

本发明的组态编程的组态主要体现在：智能玩具的多功能传感器、多点执行机构数量与功能可选取，在组态编程环境中该智能玩具的3D硬件模型可选取。 

如本实例中：多点执行机构选择了按轨迹运动的机构：眼睛、嘴巴、脖子、手、脚，未选可活动的耳朵、眉毛、腰等；多点执行机构选择了可编码的信号输出机构：说话，未选视频图像输出、LED点阵；多点执行机构选择了通过物联网互连的可爱的带LED灯的跑步鞋、房间的灯、电视、风扇，未选空调、冰箱、打印机、具有声光模拟的魔法棒等；多功能传感器选择了听话，感知环境温度，检测环境气体，未选湿度传感器、压力传感器、陀螺仪角度感应传感器等。 

步骤(2)：设置设备控制指令数据，生成设备控制指令协议代码。 

在组态编程器3D模型的编程环境中，选择对应3D硬件模型，组态编程器按设备编号数据库，查找对应唯一设备编号，等待用户设置该设备的设备控制指令数据库内容； 

选择按轨迹运动的多点执行机构，ZXYD对应执行运动含意，设备编号依次为： 

3D硬件模型	设备编号
		眼睛	ZXYD0001
嘴巴	ZXYD0002
		脖子	ZXYD0003
手	ZXYD0004
		脚	ZXYD0005

选择按编码输出多点执行机构，ZXBM对应执行编码含意，设备编号依次为： 

3D硬件模型	设备编号
		语音说话	ZXBM0001

选择按物联网通信的多点执行机构，WLW对应物联网含意，设备编号依次为： 

3D硬件模型	设备编号
		跑步鞋	WLW0001
灯	WLW0002
		电视	WLW0003
风扇	WLW0004

选择多功能传感器，QGQ对应传感器含意，设备编号依次为： 

3D硬件模型	设备编号
		语音输入	QGQ0001
温度传感器	QGQ0002
		红外一氧化碳检测传感器	QGQ0003

如图4所示事件响应流程图中， 

控制语音输出有： 

(1)“主人，这里危险，空气中一氧化碳含量过高！快离开这！” 

(2)“白日依山尽，黄河入海流。欲穷千里目，更上一层楼。” 

(3)“主人晚安！” 

(4)“好热啊，好热啊，主人开风扇吧？” 

组态编程器在选中上述任何一语音文件时，自动解析出语音格式，用户只需设置对应语音的指令编号，如按上述指令编号后设备控制指令数据库内容如下： 

指令编号	设备编号	设备类型	采样率	存储地址	数据长度
						(1)	ZXBM0001	MP3语音编码	48KHz	0xC0003F87	0x1F80
(2)	ZXBM0001	MP3语音编码	48KHz	0xC0005F07	0x2E19
						(3)	ZXBM0001	MP3语音编码	48KHz	0xC0008D20	0x0388
(4)	ZXBM0001	MP3语音编码	48KHz	0xC000BB39	0x12F1

控制电机动作有： 

(5)挥手 

(6)行走 

组态编程器在选中上述任何一运动部位，对应电机驱动，用户设置设备控制指令数据库内容如下： 

指令编号

设备编号

设备类型

扫描周期

方向

执行时间

每次转动角度

(5)

ZXYD0004

电机驱动

100ms

正转

2s

1度

(6)

ZXYD0005

电机驱动

100ms

正转

5s

5度

控制继电器动作有： 

(7)眨眼睛 

组态编程器在选中上述任何一运动部位，对应继电器驱动，用户设置设备控制指令数据库内容如下： 

控制物联网设备动作有： 

(8)控制物联网灯关闭 

(9)控制物联网电视关闭 

㈦控制物联网风扇打开 

组态编程器在选中上述任何一物联网设备，通过无线通信模块按该物联网设备通信协议进行控制，用户设置设备控制指令数据库内容如下： 

指令编号	设备编号	设备类型	通信协议	状态
					(8)	WIFI0001	物联网设备	WLW0002	OFF
(9)	WIFI0001	物联网设备	WLW0003	OFF
					(10)	WIFI0001	物联网设备	WLW0004	ON

动作(11)转动身体，面向主人，先了解原理：如果用户对智能玩具说话，智能玩具通过语音采集传感器，采集到左、右声道语音，如果发现左声道声音大，则用户在智能玩具左边说话，这时控制身体向左转动；如果发现右声道声音大，则用户在智能玩具右边说话，这时控制身体向右转动；如果发现左、右声道差不多大，则用户正对智能玩具说话，这时不需控制身体转动； 

用数学程序模式描述则为：多功能传感器的语音采集传感器将声音信息转化为电压信号，其中输入电压值对应环境声音大小。设定当有语音输入时进行逻辑判断，语音输入转化为左声道电压信号A，右声道电压信号B，该电压信号值A或B大于设定值x，再判断A、B大小，如果A远大于B，控制身体向左转动预设角度值Y；如果A远小于B，控制控制身体向右转动预设角度值Y；如果A近等于B，则停止转动； 

动作(12)发送包括定位地址的报警信息，通过WiFi或卫星传送，将包括GPS、BDS定位地址的报警信息发送给报警中心和用户指定联系人； 

上述各设备控制指令数据库将编码成设备控制指令协议代码，下载到存储器中，由中央处理器解析。 

步骤(3)：设置事件响应流程数据，生成事件响应流程协议代码。 

事件编号有： 

①空气中一氧化碳含量过高 

②语音指令“开风扇” 

③语音指令“吟诗” 

④语音指令“晚安” 

⑤环境温度过高 

如图4所示事件响应流程图中，对应到事件响应流程数据库内容： 

事件编号	事件优先级	事件触发条件	事件说明	事件处理函数
					①	0	红外一氧化碳采集数据值＞1	含量大于0.5％	(1)(12)
②	1	语音识别结果数据＝1	数据1表示“开风扇”	(11)(10)
					③	2	语音识别结果数据＝2	数据2表示“吟诗”	(11)(2)(7)(5)(6)
④	3	语音识别结果数据＝3	数据3表示“晚安”	(11)(3)(8)(9)
					⑤	4	温度采集数据值＞35	温度＞模糊控制值35C	(4)

上述事件响应流程数据库将编码成事件响应流程协议代码，下载到存储器中，由中央处理器解析。 

中央处理器解析事件响应流程、设备控制指令协议代码，如附图4所示事件响应流程图，最高事件优先级值为0，初始化完成后， 

判断事件优先级为0，事件编号①“空气一氧化碳含量过高”，如“是”，则执行事件处理函数(1)(12)，再返回判断最高事件优先级触发条件；如“不是”，则判断下一事件： 

判断事件优先级为1，事件编号②语音指令“开风扇”，如“是”，则执行事件处理函数(11)(10)，再返回判断最高事件优先级触发条件；如“不是”，则判断下一事件： 

判断事件优先级为2，事件编号③语音指令“吟诗”，如“是”，则执行事件处理函数(11)(2)(7)(5)(6)，再返回判断最高事件优先级触发条件；如“不是”，则判断下一事件： 

判断事件优先级为3，事件编号④语音指令“晚安”，如“是”，则执行事件处理函数(11)(3)(8)(9)，再返回判断最高事件优先级触发条件；如“不是”，则判断下一事件： 

判断事件优先级为4，事件编号⑤环境温度过高，如“是”，则执行事件处理函数(4)，再返回判断最高事件优先级触发条件；如“不是”，直接返回判断最高事件优先级触发条件。 

步骤(4)：将上述协议代码下载到智能玩具存储器中； 

重新开启智能玩具，该智能玩具按下载在智能玩具存储器中的协议代码运行，实现协议代码功能。 

这里所说的语音输入输出是汉语，仅为举例，实际应用中还可以是外语。也可以是其它声音、音乐、音效等。 

多功能遥控器可直接控制手、脚等活动部位动作，也可控制房间的灯、电视、风扇的开关等；还可对多功能遥控器说话，传送语音数据，控制较远距离的该智能玩具动作等。 

Claims (12)

1.物联网可组态编程智能玩具，具有用户按需选择硬件设备组合在一起，通过编程，各硬件设备协调使用，完成多种功能的特征，包括组态编程器、中央处理器、存储器、数据通信模块、多功能传感器、多点执行机构； 

组态编程器，用于组态该智能玩具的硬件设备结构，设置各硬件设备参数，生成包括事件响应流程、设备控制指令的协议代码，通过数据通信模块下载协议代码到存储器中； 

中央处理器，用于解析存储器中协议代码指令，并按事件响应流程、设备控制指令控制多功能传感器进行数据采集、分析、处理，控制多点执行机构动作，控制数据通信模块与外界设备进行数据交流，控制物联网设备动作与互动； 

存储器，用于存储至少包括事件响应流程、设备控制指令的协议代码，多功能传感器采集的数据、处理结果； 

数据通信模块，用于该智能玩具与外界进行数据交流，至少包括USB模块、无线通信模块； 

多功能传感器，用于采集外界环境数据，至少包括触碰感应的压力传感器或按键； 

多点执行机构，用于接受中央处理器控制，至少包括语音驱动、电机驱动。 

2.根据权利要求1所述物联网可组态编程智能玩具，其特征在于：多点执行机构还可包括继电器驱动、LED点阵驱动、红外线探照。 

3.根据权利要求1所述物联网可组态编程智能玩具，其特征在于：多功能传感器还可包括温度、湿度、红外气体检测、语音、视频图像、全球定位、超声波测距、陀螺仪角度检测、热辐射探测。 

4.根据权利要求1所述物联网可组态编程智能玩具，其特征在于：数据通信模块与物联网、云端服务器连接，用于在用户或设备授权的情况下，控制其它物联网设备，或共享存储器的数据，或更新该智能玩具的程序与数据。 

5.根据权利要求1所述物联网可组态编程智能玩具，其特征在于：数据通信模块与多功能遥控器连接，多功能遥控器用于直接控制智能玩具动作。 

6.根据权利要求5所述物联网可组态编程智能玩具，其特征在于：多功能遥控器至少包括按键、摇杆、语音、视频、陀螺仪角度检测传感器的组合，多功能遥控器还可用于将传感器操作编码，并发送到数据通信模块，由中央处理器解析处理。 

7.根据权利要求1所述物联网可组态编程智能玩具，其特征在于：中央处理器还可用于顺序记录并存储多功能遥控器发送的按键信息、语音视频数据、陀螺仪角度检测数据到存储器。 

8.根据权利要求1所述物联网可组态编程智能玩具，其特征在于：组态编程器与云端服务器连接，用于在用户或设备授权的情况下，共享存储器的数据，或更新自身的程序与数据。 

9.根据权利要求1所述物联网可组态编程智能玩具，其特征在于：组态编程器还可用于遥控控制该智能玩具动作。 

10.根据权利要求1所述物联网可组态编程智能玩具，其特征在于：该智能玩具具有语音识别模块，用于识别用户口述的指令。 

11.根据权利要求1所述物联网可组态编程智能玩具，其特征在于：该智能玩具具有时钟模块，用于记录数据采集的时间。 

12.根据权利要求1所述物联网可组态编程智能玩具，其特征在于：该智能玩具具有电源管理模块，用于管理电池的有线、无线充电，与该智能玩具的系统供电。 

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