CN108171628A - 一种工程教育平台系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种工程教育平台系统，包括：云服务平台、客户端和工程项目硬件教具；所述云服务平台至少包括用户数据管理模块和应用程序管理模块；所述客户端与所述云服务平台进行通讯，用于发送登录请求并加载用户数据，在客户端界面对工程项目的应用程序进行图标显示及运行管理；所述工程项目硬件教具包括电子套件和结构套件，电子套件与所述客户端通讯，用于接收客户端在运行工程项目的应用程序过程中生成的控制信号并产生响应；结构套件用于与所述电子套件进行空间结构组装。本发明提供了不仅具有仿真功能，还能够和配套的电子和结构套件快速的搭建出工程原型，给学生带来真实的工程项目体验，解决了现有实训教学交互体验性差，成本高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及工程教育技术领域，尤其涉及一种工程教育平台系统。
背景技术
随着人工智能和工程教育在全球范围的兴起，对工程教育产品的需求也越来越多。传统的工程教育还停留在用视屏或者静态的图片和文字来授课，这种方式很难将真正的工程项目过程的体验带到教学中。因此现阶段院校工程类专业课程授课过程中存在情景教学资源少、实训操作道具成本较高、重复利用率低等情况。而对于很多想通过自学掌握某项技术的人而言，也缺乏有效的辅助教具。
随着信息技术的不断发展，虚拟仿真技术在教育教学领域的应用逐渐增多。然而，目前此类仿真平台通常只能单独地对某一项技术进行仿真，例如建筑仿真平台或者虚拟仿真教学平台。此外，现有的仿真平台也缺少配套的硬件设备。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术中的上述缺陷，提供一种工程教育平台系统。
本发明提供了一种工程教育平台系统，包括：云服务平台、客户端和工程项目硬件教具；
所述云服务平台至少包括用户数据管理模块和应用程序管理模块；
所述用户数据管理模块用于对用户数据进行管理，所述用户数据包括用户账号、用户密码和该用户所使用的工程项目的应用程序数据；
所述应用程序管理模块用于将所有发布的工程项目的应用程序以应用商店的形式供客户端下载；
所述客户端与所述云服务平台进行通讯，用于发送登录请求并加载用户数据，在客户端界面对工程项目的应用程序进行图标显示及运行管理；
所述工程项目硬件教具包括电子套件和结构套件，所述电子套件与所述客户端通讯，用于接收客户端在运行工程项目的应用程序过程中生成的控制信号并产生响应；所述结构套件用于与所述电子套件进行空间结构组装。
在根据本发明所述的工程教育平台系统中，优选地，所述电子套件与客户端通过串口、CAN和TCP/IP接口连接。
在根据本发明所述的工程教育平台系统中，优选地，所述客户端包括Labview功能模块。
在根据本发明所述的工程教育平台系统中，优选地，所述客户端在运行工程教育的应用程序时提供该应用程序在开发时所使用的库函数，供用户在客户端的编程平台上对所搭建的工程项目进行开发。
在根据本发明所述的工程教育平台系统中，优选地，所述用户数据包括用户权限，所述客户端根据用户权限显示应用程序的关联信息。
在根据本发明所述的工程教育平台系统中，优选地，所述电子套件包括动力电机和/或传感器。
在根据本发明所述的工程教育平台系统中，优选地，所述结构套件包括具有榫卯结构的齿轮、连杆和回转轴。
在根据本发明所述的工程教育平台系统中，优选地，所述工程项目硬件教具还包括与所述客户端连接的控制器。
在根据本发明所述的工程教育平台系统中，优选地，所述工程项目硬件教具包括电机、主动转盘和电机外壳；
所述主动转盘设置在所述电机外壳一侧，并能够相对于所述电机外壳转动；所述电机设置在所述电机外壳内，所述电机的输出端与所述主动转盘连接，并带动所述主动转盘转动；
所述主动转盘和/或电机外壳上设有至少一个榫头；
所述榫头包括榫头主体和设置在所述榫头主体外侧的多个弧面凸起，每个所述弧面凸起的横截面为弧形，且所述弧面凸起的长度方向沿所述榫头的插拔方向设置，所述榫头主体通过所述弧面凸起与扩展插接模块的卯孔接触连接。
在根据本发明所述的工程教育平台系统中，优选地，所述工程项目硬件教具还包括从动转盘，所述从动转盘设置在所述电机外壳上远离所述主动转盘的一侧，并能够相对于所述电机外壳转动，所述从动转盘上至少设有一个所述榫头。
实施本发明的工程教育平台系统，具有以下有益效果：本发明提供了一种用于工程教学的一体化学习平台，不仅具有仿真功能，还能够和配套的电子和结构套件快速的搭建出工程原型，给学生带来真实的工程项目体验，解决了现有实训教学交互体验性差，成本高的问题。
附图说明
图1为根据本发明优选实施例的工程教育平台系统的模块框图；
图2为根据本发明的优选实施例的工程教育平台系统的使用流程图；
图3为根据本发明优选实施例的工程教育平台系统的客户端界面图；
图4为根据本发明优选实施例的工程教育平台系统的一个应用程序运行界面图；
图5为根据本发明优选实施例的工程教育平台系统的另一个应用程序运行界面图；
图6为根据本发明优选实施例的工程项目硬件教具的电机插接模块立体示意图；
图7为根据本发明优选实施例的工程项目硬件教具的电机插接模块装配图；
图8为图7中的AA线剖视图；
图9为根据本发明优选实施例的工程项目硬件教具中的电机和电机外壳示意图；
图10为根据本发明优选实施例的工程项目硬件教具中的主动转盘结构示意图；
图11为根据本发明优选实施例的工程项目硬件教具中的从动转盘结构示意图；
图12为根据本发明优选实施例的工程项目硬件教具的电机插接模块的榫头结构图；
图13为根据本发明优选实施例的工程项目硬件教具的扩展插接模块的结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，为根据本发明优选实施例的工程教育平台系统的模块框图。如图所示，本发明提供的工程教育平台系统包括：云服务平台100、客户端200和工程项目硬件教具300。
其中，云服务平台100至少包括：用户数据管理模块110和应用程序管理模块120。
其中，用户数据管理模块110用于对用户数据进行管理，所述用户数据包括用户账号、用户密码和该用户所使用的工程项目的应用程序数据。
应用程序管理模块120用于将所有发布的工程项目的应用程序以应用商店的形式供客户端200下载。
客户端200与所述云服务平台100进行通讯，用于发送登录请求给云服务平台100并加载用户数据，在客户端界面对工程项目的应用程序进行图标显示及运行管理。
用户可以通过客户端200输入已注册账号进行登录，登录不成功可以进入注册界面。用户注册通过手机号码，云服务平台100得到手机号码通过阿里云给用户发送一个验证码来完成用户的验证，之后进行注册。如果用户忘记密码可以通过手机号获取验证码重新完成密码的修改。
用户数据存储在云服务器100上，用户通过客户端200进行http请求mysql服务器查询，请求到数据就可以登录成功。然后就能进入客户端200的主界面，客户端200通过请求mysql来加载用户数据，完成用户的配置。加载完配置客户端200就会给每一个用户进行个性化的设置来完成用户的操作。
工程项目硬件教具300包括电子套件和结构套件，其中电子套件与所述客户端200通讯，用于接收客户端200在运行工程项目的应用程序过程中生成的控制信号并产生响应。优选地，电子套件与客户端200通过常见的串口、CAN和TCP/IP接口等方式连接。结构套件用于与电子套件进行空间结构组装。
优选地，客户端200包括Labview功能模块。该系统支持Labview扩展，支持第三方开发以及应用自动化发布。
优选地，客户端200在运行工程教育的应用程序时提供该应用程序在开发时所使用的库函数，供用户在客户端的编程平台上对所搭建的工程项目进行开发。
优选地，用户数据包括用户权限，客户端200根据用户权限显示应用程序的关联信息。
下面对该工程教育平台系统的特点进行详细介绍。
(1)用户权限和应用程序关联
为了方便用户管理，该系统为不同用户配置个性化服务，给用户提供了一些权限设置。用户通过权限可以看到应用程序的作者、评论以及作者的回答。每一位用户都可以认证开发者的权限。进行应用程序的二次开发。不同用户可以管理特定的应用来达到应用有不低的水平。让用户能更精准的找到自己所需要的应用程序。
(2)客户端程序框架和应用加载
客户端软件基于面向对象的思想进行编写，实现了：
a、软件界面支持任意内容应用的显示及扩展，通过模块化界面有效减少了界面处理代码与其他功能性代码的耦合，让主程序界面清爽简洁的同时，大大加强了界面元素的复用及扩展，后续无论有多少应用程序加载到客户端系统中，都能够在客户端顶层界面中进行图标显示及运行管理；
b、将核心数据、代码及应用分离并预留扩展接口，很好地实现目前业务的需求的同时，对后续业务的扩展支持也提供了强有力的保障。通过设计及实现应用父类及应用运行时所需服务，结合面向对象编程范式中的工厂模式，使得客户端软件能够加载并运行各类不同的应用程序。对于第三方开发者，在充分了解应用定义及开发规范的基础上，也可以为本客户端开发具有特定价值的应用程序。值得一提的是所有发布的应用程序都会发布到云端，用户可以在客户端程序的应用商店中选择性购买，下载及运行。
(3)客户端应用的存储以及版本管理
为了方便用户简洁直观的了解客户端应用的版本需求，为不同的计算机配置不同的版本进行设计。用户可以下载多个不同版本的应用来进行测试开发。系统也会提供一些更高性能的测试版为开发者来进行更好的测试。用户可以用简单按钮在进行下载应用程序。每个版本都会有不同的文件夹进行压缩存储，不会占用很大的空间。系统会尽量做到向下兼容。每个程序都分成稳定、测试、不安全、舍弃的一种。当不安全时会提醒用户更新。当舍弃时会自动更新不会让用户在有风险的软件开发测试。
(4)客户端应用电子结构套件的链接
客户端的程序除了能够进行仿真之外，还能够结合配套的电子和结构套件，进行常见工程项目的开发。客户端程序和电子、结构基础件的连接可以通过常见的串口、CAN、TCP/IP等方式连接，客户端程序同时会提供用户所开发使用的驱动和库函数，方便用户在自己的编程平台上对所搭建的工程项目进行开发。
请结合参阅图2，为根据本发明的优选实施例的工程教育平台系统的使用流程图。如图2所示，该流程包括：
首先，在步骤S201中，用户登录。用户通过客户端200发送登录请求给云服务平台100，例如进行http请求mysql服务器查询，请求到数据就可以登录成功。
随后，在步骤S202中，是否登录成功，是则转步骤S204，否则转步骤S203；
在步骤S203中，如果用户为未注册用户，则提供界面供用户进行注册；
在步骤S204中，如果登录成功，则在客户端200的界面上加载用户的应用程序列表；请参阅图3，为根据本发明优选实施例的工程教育平台系统的客户端界面图。如图3所示，在登录进入系统后，会显示“应用商城”、“用户中心”和各个工程项目的应用程序等图标。例如右上角为“用户信息”的应用程序图标。随后，根据用户的操作转步骤S205或者步骤S206；
在步骤S205中，如果用户选择下载应用，则在步骤S205客户端200从云服务器100的应用商店下载工程项目的应用程序；
在步骤S206中，如果用户选择打开工程项目的应用程序，或者从应用商店已经下载应用程序，则可以体验该应用程序，例如运行并进行工程项目的调试和开发。如图4所示，为根据本发明优选实施例的工程教育平台系统的一个应用程序运行界面图。该图4中为在客户端200上显示的“并联机械臂”应用程序的运行界面，用户可以通过客户端200输入设置参数，运行界面会显示相关的仿真结果。如图5所示，为根据本发明优选实施例的工程教育平台系统的另一个应用程序运行界面图。该图5中为在客户端200上显示的“智能灵巧手”应用程序的运行界面，用户可以通过客户端200输入各个手指等的设置参数，在点击下方的运行按钮后运行界面会显示相关的仿真结果。并且，该客户端200还连接有与界面中仿真的机械手模型完全一致的实体机械手作为工程项目硬件教具，该实体机械手通过USB接口与客户端200连接，从而实现实体与仿真模型的同步动作，使得用户可以直观地了解机械手项目开发的技术细节。
在步骤S207中，如果用户选择关闭程序，则客户端200会退出程序，并将该应用程序的数据保存到云服务器100，否则继续运行；
最后，在步骤S208中，流程结束。
优选地，本发明的工程项目硬件教具中电子套件包括动力电机和/或传感器。其中动力电机包括直流电机、舵机类等电机。结构套件则包括具有榫卯结构的齿轮、连杆和回转轴等。此外，更优选地，本发明的工程项目硬件教具还可以包括与客户端200连接通讯的控制器，例如Duino、MyDAQ、MyRIO和Raspberry Pi等。
下面以用于插接玩具的电机插接模块为例，对本发明的工程项目硬件教具进行详细介绍。如图6-11所示，该工程项目硬件教具至少包括电机插接模块，该电机插接模块包括电机本体3、电机外壳4和主动转盘5。其中电机本体3作为电子套件，与客户端200的接口连接。电机外壳4和主动转盘5作为结构套件。主动转盘5设置在电机外壳4一侧，并能够相对于电机外壳4转动；电机3设置在电机外壳4内，电机3的输出端与主动转盘5连接，并能够带动主动转盘5转动。主动转盘5或电机外壳4上设有至少一个榫头1，或主动转盘5和电机外壳4上均设有至少一个榫头1。榫头1的位置和数目可以根据需要而调整。
优选地，还包括从动转盘6，从动转盘6设置在电机外壳4上远离主动转盘5的一侧，并能够相对于电机外壳4转动，从动转盘6上至少设有一个榫头1。
如图6-9所示，具体到本实施例中，主动转盘5和从动转盘6分别设置在电机外壳4相对的两侧，电机外壳4未与主动转盘5或从动转盘6连接的四个面上，每个面均设有一个榫头1。
进一步优选地，主动转盘5或从动转盘6上至少设有一个卯孔2，或者主动转盘5和从动转盘6上均至少设有一个卯孔2，用于与相连接的扩展插接模块的榫头1相配合。卯孔2的位置和数目可以根据需要而调整。
具体到本实施例中，主动转盘5和从动转盘6远离电机外壳4的一侧均设有四个卯孔2，呈2*2的矩阵式分布，剩下的四个侧面上各设有一个卯孔2。这样的设计可以使得电机插接模块的结构较为平衡，显然，在其他的实施例中，主动转盘5或从动转盘6的形状可以根据需要而调整。
如图10和图11所示，具体到本实施例中，主动转盘5和从动转盘6的主体结构基本相同，相同之处不再赘述。优选地，主动转盘5靠近电机外壳4连接处的一侧设有挡片51，电机外壳4上设有两个限位块41，两个限位块41在圆周方向上呈180°分布，用于限制主动转盘5的转动范围。主动转盘5转动到边界时，限位块41挡住挡片51，阻止主动转盘5继续转动，防止电机3的转动超出范围。
优选地，该工程项目硬件教具还可以包括至少一个扩展插接模块。请参阅图12和图13，分别为根据本发明的工程项目硬件教具的电机插接模块的榫头和扩展插接模块的结构图。如图所示，榫头1包括榫头主体和设置在榫头主体外侧的多个弧面凸起13，每个弧面凸起13的横截面为弧形，且弧面凸起13的长度方向沿榫头1的插拔方向设置，榫头主体通过弧面凸起13与扩展插接模块的卯孔2接触连接，从而将扩展插接模块与电机插接模块对接。优选地，每个弧面凸起13至少包括与卯孔2接触的部分为弧面。由于弧面凸起13与卯孔2的接触面为弧面，榫头1能够在一定范围内产生形变，即使榫头1与卯孔2的尺寸稍微有些差异，依然可以配合连接，对加工的精度要求较低，从而降低加工成本，并且该榫头1与相配合的卯孔2接触面积较小，插拔方便。
优选地，扩展插接模块的模块主体为正方体，模块主体的一个面上设有三个卯孔2和一个榫头1，呈2*2矩阵式分布，即两个卯孔2位于一排，一个卯孔2与榫头1位于一排，两个卯孔2位于一列，一个卯孔2与榫头1位于一列。相对的另一个面上设有四个卯孔2，同样为2*2矩阵式分布。其余四个面上均设有两个沿对角线分布的卯孔2。本实施例中，扩展插接模块上的卯孔2是圆角正方形孔，在其他实施例中，卯孔2也可以是直角正方形孔。
使用时，将电机插接模块上的一个榫头1插入如图13所示的扩展插接模块上或其他任意的与所述榫头1相配合的卯孔2，或者将扩展插接模块上的一个榫头1插入电机插接模块上任意一个卯孔中，即可实现连接。优选地，通过其它形状的扩展插接模块将主动转盘5和从动转盘6连接起来，可以实现主动转盘5和从动转盘6同时转动，为插接玩具提供动力，或者作为插接玩具的活动关节。
上述工程项目硬件教具中电机本体3作为电子套件，与客户端200的接口连接。电机外壳4、主动转盘5和扩展插接模块作为结构套件。客户端200上运行该插接玩具的应用程序时，用户可以通过客户端200输入电机参数，应用程序生成相应的控制信号通过接口发送给电机本体3，从而带动插接玩具运动。
综上所述，本发明工程教育平台系统，能够将工程的原理、算法、三维仿真有机的结合到一起，并且能够和配套的电子和结构套件快速的搭建出工程原型，给学生带来真实的工程项目体验，解决了现有实训教学交互体验性差，成本高的问题。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种工程教育平台系统，其特征在于，包括：云服务平台、客户端和工程项目硬件教具；
所述云服务平台至少包括用户数据管理模块和应用程序管理模块；
所述用户数据管理模块用于对用户数据进行管理，所述用户数据包括用户账号、用户密码和该用户所使用的工程项目的应用程序数据；
所述应用程序管理模块用于将所有发布的工程项目的应用程序以应用商店的形式供客户端下载；
所述客户端与所述云服务平台进行通讯，用于发送登录请求并加载用户数据，在客户端界面对工程项目的应用程序进行图标显示及运行管理；
所述工程项目硬件教具包括电子套件和结构套件，所述电子套件与所述客户端通讯，用于接收客户端在运行工程项目的应用程序过程中生成的控制信号并产生响应；所述结构套件用于与所述电子套件进行空间结构组装。
2.根据权利要求1所述的工程教育平台系统，其特征在于，所述电子套件与客户端通过串口、CAN和TCP/IP接口连接。
3.根据权利要求1所述的工程教育平台系统，其特征在于，所述客户端包括Labview功能模块。
4.根据权利要求1所述的工程教育平台系统，其特征在于，所述客户端在运行工程教育的应用程序时提供该应用程序在开发时所使用的库函数，供用户在客户端的编程平台上对所搭建的工程项目进行开发。
5.根据权利要求1所述的工程教育平台系统，其特征在于，所述用户数据包括用户权限，所述客户端根据用户权限显示应用程序的关联信息。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的工程教育平台系统，其特征在于，所述电子套件包括动力电机和/或传感器。
7.根据权利要求1～5中任一项所述的工程教育平台系统，其特征在于，所述结构套件包括具有榫卯结构的齿轮、连杆和回转轴。
8.根据权利要求1～5中任一项所述的工程教育平台系统，其特征在于，所述工程项目硬件教具还包括与所述客户端连接的控制器。
9.根据权利要求1～5中任一项所述的工程教育平台系统，其特征在于，所述工程项目硬件教具包括电机、主动转盘和电机外壳；
所述主动转盘设置在所述电机外壳一侧，并能够相对于所述电机外壳转动；所述电机设置在所述电机外壳内，所述电机的输出端与所述主动转盘连接，并带动所述主动转盘转动；
所述主动转盘和/或电机外壳上设有至少一个榫头；
所述榫头包括榫头主体和设置在所述榫头主体外侧的多个弧面凸起，每个所述弧面凸起的横截面为弧形，且所述弧面凸起的长度方向沿所述榫头的插拔方向设置，所述榫头主体通过所述弧面凸起与扩展插接模块的卯孔接触连接。
10.根据权利要求9所述的工程教育平台系统，其特征在于，所述工程项目硬件教具还包括从动转盘，所述从动转盘设置在所述电机外壳上远离所述主动转盘的一侧，并能够相对于所述电机外壳转动，所述从动转盘上至少设有一个所述榫头。
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