CN108230803A - 一种基于人工智能的物联网实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于人工智能的物联网实验装置，用于物联网的教学实践和研究，该实验装置包括电源输入模块、云服务器、Wi‑Fi传输模块、实验装置网关、单片机、多种传感器模块和基本实验平台，所述的电源输入模块、Wi‑Fi传输模块、实验装置网关、单片机和多种传感器模块安装在基本实验平台上，所述的多种传感器模块和单片机分别连接实验装置网关，所述的实验装置网关通过Wi‑Fi传输模块连接云服务器，所述的电源输入模块分别与Wi‑Fi传输模块、实验装置网关、单片机和多种传感器模块连接。与现有技术相比，本发明具有全面感知、安全可靠、可进行二次开发等优点。

Description

一种基于人工智能的物联网实验装置
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其是涉及一种基于人工智能的物联网实验装置。
背景技术
物联网顾名思义是把所有的物体都联系在一起，组成信息互通的联合体，而物体的种类有很多，大到一个仪器设备，小到简单的传感器，所以难以有一个实验装置来涵盖所有的物体对象，来开展物联网的实验。而目前大部分使用较多的信息互为交换物体，主要是各类传感器采集数据的信息互通，涉及种类有声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等。
现有的物联网产品在生活中应用的较多，但是针对学生学习和训练使用的物联网实验装置却不够全面，生活中很多物品经过改造加上一些传感器后基本具有人机交互功能，然而物联网的核心应该是“网”，目前的物联网实验装置具有以下缺点：
(1)表面是功能齐全，但是很多都是一些零散的功能组拼，显得大而杂，整个系统看起来很乱，而且成本高。
(2)有些物联网实验设备是基于本身的联网，甚至处于单片机与模块间的直接通信，没有连接到云服务器，无法让学生切实体会到物联网的真正意义。
(3)部分物联网实验装置设计思路封闭，设计的时候没有扩展接口预备升级，导致新产品、新技术更新出来后难以及时的让在校学生得到第一时间的接触。造成学习成本增加。尤其是一些软件方面，由于没有真正的连接到互联网，难以进行一些在线升级操作。
经过检索，中国专利公开号为CN205594936U公开了一种物联网的教学实验装置和教学实验平台，包括设有连接端口的底板模块，与底板模块上的连接端口对应的可插拔的连接模块；与连接模块相连的无线通讯模块；与连接模块相连的采集模块；以及与底板模块相连的数据处理模块。通过在底板模块上设置与连接模块相对应的可拔插连接端口，将无线通讯模块和采集模块分别通过连接模块设置在底板模块上，实现了无线通讯模块和采集模块的可拆卸性，可根据教学内容针对性地选择相应的采集模块和无线通讯模块进行替换，且在采集模块和无线通讯模块发生故障时，无需进行繁琐的熔焊和焊接即可替换掉有故障的模块，有效节省了维护时间，降低了物联网的教学实验装置的维护成本。但是该实验装置是基于本身的联网，没有连接到云服务器，也无法进行扩展接口预备升级。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于人工智能的物联网实验装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于人工智能的物联网实验装置，用于物联网的教学实践和研究，该实验装置包括电源输入模块、云服务器、Wi-Fi传输模块、实验装置网关、单片机、多种传感器模块和基本实验平台，所述的电源输入模块、Wi-Fi传输模块、实验装置网关、单片机和多种传感器模块安装在基本实验平台上，所述的多种传感器模块和单片机分别连接实验装置网关，所述的实验装置网关通过Wi-Fi传输模块连接云服务器，所述的电源输入模块分别与Wi-Fi传输模块、实验装置网关、单片机和多种传感器模块连接。
优选地，所述的实验装置还包括扩展接口和扩展模块，所述的扩展接口和扩展模块分别安装在基本实验平台上，当需要使用扩展模块的时候，对所述的单片机进行相对应的程序烧录，将所述的扩展模块通过扩展接口连接单片机。
优选地，所述的扩展接口包括DMA接口、以太网接口、TF Card接口、ADC接口、通用同步串口、通用I/O引脚、SPI、IIC、蓝牙接口和红外收发接口。
优选地，所述的扩展模块包括RGB发光二极管、数码管、红外接收器、蓝牙模块、ZigBee模块和GPS模块。
优选地，所述的实验装置还包括用户按键、LED显示屏和RFID读写模块，所述的用户按键、LED显示屏和RFID读写模块分别安装在基本实验平台上，所述的用户按键、LED显示屏和RFID读写模块分别与单片机连接；
所述的用户按键和LED显示屏用于人机交互，所述的用户按键用于实验装置输入指令，所述的LED显示屏用于显示多种传感器模块回传的数据；所述的RFID读写模块与单片机连接，实现联网功能，并获取服务器数据库中的已授权使用者的身份信息，同时执行考勤任务。
优选地，所述的多种传感器模块包括温湿度传感器模块、烟雾传感器模块、噪音传感器模块、MEMS模块、语音传感器和摄像头模块，所述的摄像头模块用来进行实验现象拍摄，所述的摄像头模块将整个实验过程记录下来，存储到云服务器或本地SD卡中。
优选地，所述的RGB发光二极管作为全色灯光源，根据摄像头模块接收到的主体颜色作智能识别，RGB发光二极管发出相应颜色的灯光；
语言的识别控制灯的颜色，语音传感器接收讲话的声音，通过自学习和云服务器数据对比，作分析识别来控制RGB发光二极管的颜色，发出相应颜色的灯光。
优选地，所述的多种传感器模块还包括电能参数测量传感器，用于测量电流、电压、功率因数、高次谐波、有功功率、无功功率电量参数，并对用电线路和每一段线路的用电情况进行检测，把检测的数据发送给云服务器，云服务器对数据的进行分析和识别，从而确定每一段线路上使用了那些用电器，负荷变化规律；
或者用机器学习的方法，来识别自动识别出使用什么新类型的电器。
优选地，所述的实验装置还包括实验安全子系统，该实验安全子系统包括安全监控服务器和智能终端；
所述的安全监控服务器通过与智能终端交互，及时获取实验室内各个实验台当前的实验状态，包括学生实验状态、用电情况、实验台的温湿度状态值，并将信息存储于云服务器中；
所述的实验台智能终端及时获取当前实验台学生的签到、迁出信息、实验台各个实验仪器当前的用电情况和当前的温湿度状态，一方面将这些状态信息报告给安全监控服务器，另一方面获取安全监控服务器的指令，进而对当前实验台进行操作。
优选地，所述的实验装置还包括远程虚拟实验子系统，该远程虚拟实验子系统包括与云服务器通信连接的学生端虚拟实验设备，该学生端虚拟实验设备包括装有虚拟软件的PC和VR眼镜，所述的PC向云服务器请求下载相应的虚拟实验课程，学生通过佩戴VR进行实验前虚拟预习和试验后虚拟复习。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、全面感知，通过对温度、湿度等常见的环境感知，让学习者能切身体会物联网技术在我们生活中起的作用。
2、安全可靠、可进行二次开发。只是接入较少的传感装置，节约练习使用的能耗，有利于系统的稳定性。本装置将大量的接口预留，在学习者熟悉后可以根据自己的兴趣进行二次开发。
3、可以真正实现无线传感网快速接入互联网，支持手机和Web远程访问和控制；使用云计算技术，开发者可以进行在线处理数据，不受时间地点限制。
4、基于物联网技术，通过智能终端获取实验室内每个实验台的运行状态信息，并能够对每个实验台进行通断电控制，大大提高了安全性。
5、进一步提高了学习效果，通过VR进行实验前虚拟预习和试验后虚拟复习，从而实验的效果更加好。
附图说明
图1为本发明的实验装置原理图；
图2为本发明的实验装置结构布局示意图。
其中1为用户按键，2为LED显示屏，3为RFID读写模块，4为云服务器，5为Wi-Fi传输模块，6为实验装置网关，7为单片机，8为多种传感器模块，9为扩展接口，10为扩展模块，11为电源输入模块，12为报警电路模块，13为基本实验平台，81为摄像头模块，101为ZigBee通信模块，82为温湿度传感器模块，83为烟雾传感器模块，84为噪音传感器模块，85为MEMS模块。
具体实施方式
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，都应属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，一种基于人工智能的物联网实验装置，用于物联网的教学实践和研究，该实验装置包括电源输入模块11、云服务器4、Wi-Fi传输模块5、实验装置网关6、单片机7、多种传感器模块8和基本实验平台13，所述的电源输入模块11、Wi-Fi传输模块5、实验装置网关6、单片机7和多种传感器模块8安装在基本实验平台13上，所述的多种传感器模块8和单片机7分别连接实验装置网关6，所述的实验装置网关6通过Wi-Fi传输模块5连接云服务器4，所述的电源输入模块11为Wi-Fi传输模块5、实验装置网关6、单片机7和多种传感器模块8提供电源。
所述的实验装置还包括扩展接口9和扩展模块10，所述的扩展接口9和扩展模块10安装在基本实验平台13上，当需要使用扩展模块10的时候，对所述的单片机7进行相对应的程序烧录，将所述的扩展模块10通过扩展接口9连接单片机7。
所述的扩展接口9包括DMA接口、以太网接口、TF Card接口、ADC接口、通用同步串口、通用I/O引脚、SPI、IIC、蓝牙接口和红外收发接口。
所述的扩展模块10包括RGB发光二极管、数码管、红外接收器、蓝牙模块、ZigBee模块101和GPS模块。
RGB发光二极管作为全色灯光源，根据摄像头模块接收到的主体颜色作智能识别，RGB发光二极管发出相应颜色的灯光；
语言的识别控制灯的颜色，语音传感器接收讲话的声音，通过自学习和云服务器数据对比，作分析识别来控制RGB发光二极管的颜色，发出相应颜色的灯光。
所述的实验装置还包括用户按键1、LED显示屏2和RFID读写模块3，所述的用户按键1、LED显示屏2和RFID读写模块3安装在基本实验平台13上，所述的用户按键1、LED显示屏2和RFID读写模块3分别与单片机7连接。
所述的用户按键1和LED显示屏2用于人机交互，所述的用户按键1给实验装置输入指令；所述的LED显示屏2用于显示多种传感器模块8回传的数据；所述的RFID读写模块3通过和单片机7连接后能够实现联网功能，获取服务器数据库中的已授权使用者的身份信息，同时执行考勤任务。
所述的多种传感器模块8包括温湿度传感器模块82、烟雾传感器模块83、噪音传感器模块84、MEMS模块85和摄像头模块81。
所述的摄像头模块81还可以用来进行实验现象拍摄，所述的摄像头模块将整个实验过程记录下来，存储到云服务器4或本地SD卡中。
所述的多种传感器模块还包括电能参数测量传感器，用于测量电流、电压、功率因数、高次谐波、有功功率、无功功率电量参数，并对用电线路和每一段线路的用电情况进行检测，把检测的数据发送给云服务器，云服务器对数据的进行分析和识别，从而确定每一段线路上使用了那些用电器，负荷变化规律；或者用机器学习的方法，来识别自动识别出使用什么新类型的电器。
所述的云服务器4不仅实时接收各种传感器模块8上传的数据，还通过大数据分析对实验数据进行快速有效的分析，并且可以永久保存数据；当实验设备监测出现异常数据时会及时的告知维护人员。
所述的实验装置还包括报警电路模块12，所述的报警电路模块12连接单片机7，当所述的单片机7长时间接收的都是不符合预设标准的数据时，则所述的报警电路模块12会自动向服务器上报故障，方便维护人员及时发现和解决问题。
所述的单片机7包括STM32F103型号的CPU芯片、存配置参数的E2ROM和LCD。
所述的Wi-Fi传输模块5，利用Wi-Fi传输模块5可以实现无线数据传输、采集、控制，也可以实现手机、远程服务器的智能化管理。现在的模块更是具有小型化、低功耗、传输速度快等优点，适合本实验装置的使用。
所述的实验装置网关6作为整个物联网实验装置的网络汇集中心，将所有的联网装置都联系在了一起，是连接外部网络的必要设置。
所述的单片机7是人机交互部分和外部接口的直接数据处理器，当需要使用外部扩展设备的时候，就需要对单片机7进行相对应的程序烧录，同时单片机7还支撑起显示数据的功能。
所述的多种传感器模块8由多个传感器和一个低功耗微型处理器组成，这样可以提高传感器的利用率，每一个传感器都是一个小型物联网系统，各个系统都有自检测功能，尤其是对实验装置运行状况的检测，在接收到传感的数据后进行初步的分析与判断，当接收的数据符合预设的标准时才会将数据上传到服务器，如果长时间接收的都是不符合预设标准的数据时，则单片机会自动向服务器上报故障，方便维护人员及时发现和解决问题。这一步的设置有利于提高数据的可靠性和系统稳定性。
所述的实验装置还包括实验安全子系统，该实验安全子系统包括安全监控服务器和智能终端；
所述的安全监控服务器通过与智能终端交互，及时获取实验室内各个实验台当前的实验状态，包括学生实验状态、用电情况、实验台的温湿度状态值，并将信息存储于云服务器中；
所述的实验台智能终端及时获取当前实验台学生的签到、迁出信息、实验台各个实验仪器当前的用电情况和当前的温湿度状态，一方面将这些状态信息报告给安全监控服务器，另一方面获取安全监控服务器的指令，进而对当前实验台进行操作。
所述的实验装置还包括远程虚拟实验子系统，该远程虚拟实验子系统包括与云服务器通信连接的学生端虚拟实验设备，该学生端虚拟实验设备包括装有虚拟软件的PC和VR眼镜，所述的PC向云服务器请求下载相应的虚拟实验课程，学生通过佩戴VR进行实验前虚拟预习和试验后虚拟复习。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于人工智能的物联网实验装置，用于物联网的教学实践和研究，其特征在于，该实验装置包括电源输入模块、云服务器、Wi-Fi传输模块、实验装置网关、单片机、多种传感器模块和基本实验平台，所述的电源输入模块、Wi-Fi传输模块、实验装置网关、单片机和多种传感器模块安装在基本实验平台上，所述的多种传感器模块和单片机分别连接实验装置网关，所述的实验装置网关通过Wi-Fi传输模块连接云服务器，所述的电源输入模块分别与Wi-Fi传输模块、实验装置网关、单片机和多种传感器模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于人工智能的物联网实验装置，其特征在于，所述的实验装置还包括扩展接口和扩展模块，所述的扩展接口和扩展模块分别安装在基本实验平台上，当需要使用扩展模块的时候，对所述的单片机进行相对应的程序烧录，将所述的扩展模块通过扩展接口连接单片机。
3.根据权利要求2所述的一种基于人工智能的物联网实验装置，其特征在于，所述的扩展接口包括DMA接口、以太网接口、TF Card接口、ADC接口、通用同步串口、通用I/O引脚、SPI、IIC、蓝牙接口和红外收发接口。
4.根据权利要求2所述的一种基于人工智能的物联网实验装置，其特征在于，所述的扩展模块包括RGB发光二极管、数码管、红外接收器、蓝牙模块、ZigBee模块和GPS模块。
5.根据权利要求1所述的一种基于人工智能的物联网实验装置，其特征在于，所述的实验装置还包括用户按键、LED显示屏和RFID读写模块，所述的用户按键、LED显示屏和RFID读写模块分别安装在基本实验平台上，所述的用户按键、LED显示屏和RFID读写模块分别与单片机连接；
所述的用户按键和LED显示屏用于人机交互，所述的用户按键用于实验装置输入指令，所述的LED显示屏用于显示多种传感器模块回传的数据；所述的RFID读写模块与单片机连接，实现联网功能，并获取服务器数据库中的已授权使用者的身份信息，同时执行考勤任务。
6.根据权利要求4所述的一种基于人工智能的物联网实验装置，其特征在于，所述的多种传感器模块包括温湿度传感器模块、烟雾传感器模块、噪音传感器模块、MEMS模块、语音传感器和摄像头模块，所述的摄像头模块用来进行实验现象拍摄，所述的摄像头模块将整个实验过程记录下来，存储到云服务器或本地SD卡中。
7.根据权利要求6所述的一种基于人工智能的物联网实验装置，其特征在于，所述的RGB发光二极管作为全色灯光源，根据摄像头模块接收到的主体颜色作智能识别，RGB发光二极管发出相应颜色的灯光；
语言的识别控制灯的颜色，语音传感器接收讲话的声音，通过自学习和云服务器数据对比，作分析识别来控制RGB发光二极管的颜色，发出相应颜色的灯光。
8.根据权利要求6所述的一种基于人工智能的物联网实验装置，其特征在于，所述的多种传感器模块还包括电能参数测量传感器，用于测量电流、电压、功率因数、高次谐波、有功功率、无功功率电量参数，并对用电线路和每一段线路的用电情况进行检测，把检测的数据发送给云服务器，云服务器对数据的进行分析和识别，从而确定每一段线路上使用了那些用电器，负荷变化规律；
或者用机器学习的方法，来识别自动识别出使用什么新类型的电器。
9.根据权利要求1所述的一种基于人工智能的物联网实验装置，其特征在于，所述的实验装置还包括实验安全子系统，该实验安全子系统包括安全监控服务器和智能终端；
所述的安全监控服务器通过与智能终端交互，及时获取实验室内各个实验台当前的实验状态，包括学生实验状态、用电情况、实验台的温湿度状态值，并将信息存储于云服务器中；
所述的实验台智能终端及时获取当前实验台学生的签到、迁出信息、实验台各个实验仪器当前的用电情况和当前的温湿度状态，一方面将这些状态信息报告给安全监控服务器，另一方面获取安全监控服务器的指令，进而对当前实验台进行操作。
10.根据权利要求1所述的一种基于人工智能的物联网实验装置，其特征在于，所述的实验装置还包括远程虚拟实验子系统，该远程虚拟实验子系统包括与云服务器通信连接的学生端虚拟实验设备，该学生端虚拟实验设备包括装有虚拟软件的PC和VR眼镜，所述的PC向云服务器请求下载相应的虚拟实验课程，学生通过佩戴VR进行实验前虚拟预习和试验后虚拟复习。
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