CN111538252A - 一种应用vr技术的智能家居演示系统 - Google Patents

Abstract

一种应用VR技术的智能家居演示系统，涉及智能家居控制技术领域。本发明为了以极小的场地空间、较低成本的通过VR技术完整再现一套智能家居控制系统。技术要点：L‑DALI和L‑IOB控制器为核心控制部分，可自由编程并提供DALI、Modbus信号和普通输入输出接口；L‑VIS触控面板可实现人机交互；DX‑2300云路由器用于将控制器内的数据上传至云端，实现用户的远程交互；本地服务器通过OPC UA与控制器双向通讯，并将数据信息与虚拟场景进行连接，最终使用VR设备可视化。本发明的控制部分采用实物设备，虚拟被控对象为家居场景虚拟化对象，采用实物设备来控制虚拟被控对象。本发明可用于教学展示、市场销售等场景。

Description

一种应用VR技术的智能家居演示系统

技术领域

本发明内容是一种应用VR技术的智能家居演示系统，涉及智能家居控制技术领域。

背景技术

VR是Virtual Reality的缩写，中文的意思就是虚拟现实。虚拟现实是多媒体技术的终极应用形式，它是计算机软硬件技术、传感技术、机器人技术、人工智能及行为心理学等科学领域飞速发展的结晶。主要依赖于三维实时图形显示、三维定位跟踪、触觉及嗅觉传感技术、人工智能技术、高速计算与并行计算技术以及人的行为学研究等多项关键技术的发展。随着虚拟现实技术的发展，真正地实现虚拟现实，将引起整个人类生活与发展的很大变革。人们戴上立体眼镜、数据手套等特制的传感设备，面对一种三维的模拟现实，似乎置身于一个具有三维的视觉、听觉、触觉甚至嗅觉的感觉世界，并且人与这个环境可以通过人的自然技能和相应的设施进行信息交互。

OPC(OLE for Process Control)技术是指为了给工业控制系统应用程序之间的通信建立一个接口标准，在工业控制设备与控制软件之间建立统一的数据存取规范。它给工业控制领域提供了一种标准数据访问机制，将硬件与应用软件有效地分离开来，是一套与厂商无关的软件数据交换标准接口和规程，主要解决过程控制系统与其数据源的数据交换问题，可以在各个应用之间提供透明的数据访问。

DALI协议数字可编址的照明接口的新标准定义了电子镇流器和控制单元之间的数字通讯，DALI的设计不是用于复杂的总线系统，而是用于室内的智能，高性能照明管理，注重照明的静态效果，这些功能当然可以通过合适的接口集成到建筑物管理系统中。

现有技术中公开了很多智能家居演示系统，如文献号为CN107634938A的现有技术公开了一种基于VR的智能家居演示系统，其包括VR虚拟装置、服务端及虚拟手机；所述VR虚拟装置与服务端进行相匹配的协议对接，所述虚拟手机与服务端相匹配连接；所述VR虚拟装置用于构建一个VR虚拟房间，所述VR虚拟房间内设置有虚拟设备；所述虚拟设备的控制界面通过服务端映射到虚拟手机的屏幕上；通过所述虚拟手机的屏幕上映射的控制界面对所述VR虚拟房间内的虚拟设备进行控制。该现有技术可以通过虚拟手机控制VR虚拟房间内的虚拟设备，无需场地配置样板房，也无需精装并部署全套智能家居系统，可以让用户在有网络的地方随时随地体验并了解智能家居系统。该现有技术没有采用云服务器进行通信，人机交互效果不好，再现的虚拟场景仿真度不高，虚拟对象放置方式也没有考虑，无法完整再现一套智能家居控制系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：

本发明的目的是提供一种应用VR技术的智能家居演示系统，以极小的场地空间、较低成本的通过VR技术完整再现一套智能家居控制系统。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：

一种应用VR技术的智能家居演示系统，所述智能家居演示系统包括云服务器、控制部分和存储于本地服务器的虚拟家居场景，虚拟家居场景包括虚拟被控对象、环境参数；控制部分采用实物设备，虚拟被控对象为家居场景虚拟化对象；虚拟被控对象包括太阳能发电设备、灯光(照明)、窗帘、空调、新风、家具、家电，控制部分控制太阳能发电设备的开关、灯光的开关及亮度、窗帘的开合、空调的温度、新风的开启与关闭、家具的开启与关闭、家电的开关；环境参数包括温度、湿度、光强、二氧化碳浓度；

控制部分由L-DALI控制器、L-IOB控制器、LVIS触控面板、DX-2300云路由器、24V电源组成；

24V电源给控制器和云路由器供电，DX-2300云路由器是一款云端互联的数据采集设备，支持云端的双向数据采集和传送，L-DALI和L-IOB控制器接入DX-2300云路由器的LAN端口，云路由器接入公网，并在本地和云端创建安全隧道，通过云路由器将控制器内的数据信息上传到云端(云端数据库)，

基于云端数据库开发的智能终端(如手机APP，Web网页端)通过DX-2300云路由器实现与L-DALI控制器、L-IOB控制器的通信，同时，L-VIS触摸屏与DX-2300云路由器直连，使得用户既可在本地通过L-VIS触摸屏实现操作，也可使用智能终端远程操作；

灯光受控于L-DALI控制器，窗帘、空调、新风、家具、家电受控于L-IOB控制器，在Unity 3d平台中创建出温度、适度、光度这些环境参数，这些环境参数同样可通过OPC UA通讯协议被控制器读到，虚拟被控对象可以通过设计好的数学模型影响环境参数的变化。

进一步地，所述虚拟家居场景还包括能耗监控设备，能耗监控设备将监测到的耗电量通过协议传递给L-IOB控制器从而控制虚拟被控对象。

进一步地，家居场景虚拟化对象完全仿照现实生活，虚拟家居场景中房屋及家具静态模型由软件Sketch UP创建并添加材质贴图，以FBX文件格式导入本地服务器中的unity 3D引擎。

进一步地，采用实物设备来控制虚拟被控对象的过程为：在L-DALI控制器、L-IOB控制器内建OPC UA服务器，在本地服务器上编写OPC UA客户端，通过OPC UA通讯的方式实现本地服务器与控制器之间的双向通讯，从而将控制器中的数据信息读写至本地服务器上的数据库即将控制器虚拟数据点与数据库内数据相对应，在unity 3D中挂载C#脚本，编写连接语句读取或修改数据库内数据，以对应虚拟对象状态，从而实现所述实际控制器与虚拟对象的双向通讯。

进一步地，虚拟家居场景到虚拟现实的转换基于VR技术实现的，虚拟现实(VR)技术通过unity 3D引擎及HTC Vive设备(VR设备)实现；VR设备包括手柄、定位器、头盔；在unity 3D中载入插件Steam VR，并配置好HTC Vive设备，使用Steam VR插件工具完成用户在虚拟场景中观察、行走、瞬移、触碰操作，实现虚拟场景到虚拟现实的转换。

进一步地，利用云路由器搭建隧道，连接云服务器，以阿里云服务器为平台，建立云端数据库，基于云端数据库开发出面向用户的APP端和面向管理员的网页端，在移动端实现情景模式、监控管理、故障报修更加高级的功能实现云管理和云监控。

进一步地，本地服务器的主要作用在于放置虚拟控制对象和虚拟场景，以及必要的数学模型；本地服务器上还需编写OPC客户端和安装数据库，用于实现与控制器的通讯。

进一步地，所述数据库为控制器内所用到的数据信息，包括控制逻辑的点位信息和虚拟家具的数据信息。

进一步地，所述的云端数据库与控制器的数据通讯使用OPC UA协议。

本发明具有以下有益技术效果：

本发明通过VR技术完整再现一套智能家居控制系统，用以较低成本的用于教学调试场景。该装置使用实际的控制系统，并将控制对象虚拟化，以VR技术呈现。实际的控制系统包括控制器、云路由器、触控面板，控制器提供控制信号，云路由器负责将控制器中的数据上传至云端，方便远程控制整套系统；与传统系统不同的是，该套装置的控制对象为虚拟的，虚拟对象放置在本地服务器上，并添加太阳能、温湿度、能耗等模型，通过VR设备呈现。控制器与虚拟对象的连接依靠控制器内建的OPC服务器，本地服务器通过OPC通讯读写控制器中的数据至本地数据库，并通过挂载在Unity3d上的C#脚本使本地数据库连接虚拟场景。

本发明通过实物控制系统控制虚拟对象，并使用VR技术可视化，能够较便捷、低成本的应用于教学场景、市场营销场景中。本发明中的L-DALI和L-IOB控制器为核心控制部分，可自由编程并提供DALI、Modbus信号和普通输入输出接口；L-VIS触控面板可实现人机交互；DX-2300云路由器用于将控制器内的数据上传至云端，实现用户的远程交互；本地服务器通过OPC UA与控制器双向通讯，并将数据信息与虚拟场景进行连接，最终使用VR设备可视化；本发明的特点在于：本发明的控制部分采用实物设备，而将控制对象和家居场景虚拟化，并在虚拟场景中添加太阳能、温湿度、能耗等模型，即使用实物控制设备来控制虚拟对象，能够较便捷地以极小的场地空间、较低的成本再现一整套智能家居系统，本发明可用于教学展示调试、智能家居体验、市场销售等场景。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图(框图)；

图2为本发明控制系统电路结构示意图；

图3为本发明实施例中智能家居虚实联调实现方法示意图；

图4为本发明实施例中云平台示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：所述智能家居演示系统包括云服务器、控制部分和存储于本地服务器的虚拟家居场景，虚拟家居场景包括虚拟被控对象、环境参数；控制部分采用实物设备，虚拟被控对象为家居场景虚拟化对象；虚拟被控对象包括太阳能发电设备、灯光(照明)、窗帘、空调、新风、家具、家电，控制部分控制太阳能发电设备的开关、灯光的开关及亮度、窗帘的开合、空调的温度、新风的开启与关闭、家具的开启与关闭、家电的开关；环境参数包括温度、湿度、光强、二氧化碳浓度；控制部分由L-DALI控制器、L-IOB控制器、LVIS触控面板、DX-2300云路由器、24V电源组成；24V电源给控制器和云路由器供电，DX-2300云路由器是一款云端互联的数据采集设备，支持云端的双向数据采集和传送，L-DALI和L-IOB控制器接入DX-2300云路由器的LAN端口，云路由器接入公网，并在本地和云端创建安全隧道，通过云路由器将控制器内的数据信息上传到云端(云端数据库)，基于云端数据库开发的智能终端(如手机APP，Web网页端)通过DX-2300云路由器实现与L-DALI控制器、L-IOB控制器的通信，同时，L-VIS触摸屏与DX-2300云路由器直连，使得用户既可在本地通过L-VIS触摸屏实现操作，也可使用智能终端远程操作；灯光受控于L-DALI控制器，窗帘、空调、新风、家具、家电受控于L-IOB控制器，在Unity3d平台中创建出温度、适度、光度这些环境参数，这些环境参数同样可通过OPC UA通讯协议被控制器读到，虚拟被控对象可以通过设计好的数学模型影响环境参数的变化。

具体实施方式二：对上述方案进一步描述如下：

所述控制系统(控制部分)，控制系统采用实物设备，包含L-DALI控制器、L-IOB控制器、DX-2300云路由器和L-VIS触摸屏。L-DALI控制器乃是强大、可自由编程的照明控制器，且可由L-STUDIO加以编程，提供照明完美解决方案。LIOB控制器乃是一台以IP为基础、外型精实且可编程的自动化工作站，适用于LonMark系统以及BACnet/IP网络，具备实体输入输出，以及集成式图形可视化功能。DX-2300云路由器可以很方便的在本地和云端创建安全隧道。所述云端，是在阿里云服务器上建立云端数据库，通过OPC协议读取控制器中的数据信息，基于云端数据库，开发出APP和监控页面，方便用户操作该套系统和管理员的管理。

所述虚拟对象，包含虚拟的控制对象和虚拟的家居场景。虽然是虚拟的，但却完全仿现实。虚拟对象包括照明、空调、新风、窗帘等；虚拟的家居场景为一套两层居民楼，包含客厅、卧室、洗手间、阳台、厨房和阁楼。

所述模型，包含温湿度、能耗、天气、时间等。

所述本地服务器，用来存放虚拟对象和模型等。本地服务器上安装有Unity 3D软件，该软件用来开发虚拟控制对象和虚拟家居场景。本地服务器还要存放温湿度等模型。

为了使虚拟的控制对象连接到控制器，本地服务器上安装有SQL Server 2012，通过OPC通讯将控制器内的数据读写至本地数据库，最后用C#脚本使数据库连接虚拟控制对象。

所述OPC通讯，控制器内建有OPC服务器，我们在本地服务器上编写客户端，实现本地服务器与控制器的双向通讯，使得控制器内的数据读写至本地服务器，实现控制器与虚拟控制对象的通讯。

虚拟场景灯光系统，通过unity 3d的光源(light)实现。环境光选用区域光(arealight)进行烘焙，为环境添加光照贴图(light)模拟实际环境。照明灯光用点光源(pointlight)或聚光灯光源(spot light)，其中聚光灯光源主要用于台灯/壁灯，以本地MSSQL数据库数据作为光源参数，如显示/隐藏、亮度、颜色等，通过OPC协议实现触摸屏、网页端等对灯光的控制。虚拟场景内添加开关模型，挂载编写好的C#脚本，以VR手柄触碰可通过碰撞触发修改数据库数据控制灯光，实现在虚拟场景内的直接控制。

所述虚拟场景家电和家具控制，以冰箱为例，将本地MSSQL数据库数据作为冰箱状态参数，在unity 3d内为冰箱门模型添加位置变化的动画(animation)表示打开和闭合，并分别设置动画触发器(Trigger)，挂载编写好的脚本，本地数据库数据(即冰箱状态参数)为某一值时触发对应触发器(Trigger)，从而控制冰箱门开/关，同时显示/隐藏冰箱内点光源表示灯的亮灭，可通过触摸屏、网页端控制。为模型添加碰撞触发脚本，以VR手柄触碰时修改数据库数据，实现在虚拟场景内的直接控制。

所述虚拟场景空调系统，在unity 3d内搭建空调及空调面板模型，空调面板模型含有升降温度、模式调整等按钮。编写C#程序，建立接近实际的温度模型并设定初始室温及其他参数，对应按钮被按下(VR手柄触碰)时相应参数(设定温度、风速、模式等)改变，从而调整当前室温随时间变化，将温度参数显示在空调面板，并存储到数据库以同步显示在触摸屏及网页端，亦可从触摸屏及网页端控制空调系统。

所述虚拟场景新风系统，在unity 3d内搭建新风面板模型，面板模型含有开关按钮。编写C#程序，建立接近实际的新风模型，设定初始二氧化碳浓度，按钮按下，新风系统开启时二氧化碳浓度随时间降低并最后趋于一稳定值；再次按下按钮，新风系统关闭，二氧化碳浓度随时间升高并最后趋于另一稳定值。浓度参数显示在新风面板，并存储到数据库以同步显示在触摸屏及网页端，亦可从触摸屏及网页端新风系统。

所述虚拟场景太阳能发电系统，首先在C#程序建立太阳能发电模型，设定天气、时间、季节等参数，在场景运行界面添加按钮分别配置天气、时间、季节。不同天气参数值对应不同天气，如阴天、晴天等，为某一值时修改当前天空盒(Skybox)为对应材质(阴天、晴天等)；时间参数则控制白天/黑夜，优先级高于天气，由此用户在佩戴VR头盔后可直观感受到不同时间天气时的环境区别。在C#内根据参数根据公式实时计算出当前太阳能发电功率和总发电量，并存储至数据库，用于显示在触摸屏和网页端，L-VIS触摸屏上还可显示发电功率曲线。

所述能耗管理系统通过OPC存储到数据库，并显示在触摸屏及网页上；通过建立数学模型，以各耗电器件当前运行状态对应一个功率值存至数据库，在数据库进行求和以及随时间积分的计算，将得到的总功率和功耗显示至触摸屏和网页端。

实施例：

结合附图对本发明实施例中的技术方案进行完整、清晰的描述。注意，以下所描述的实施例仅为本发明的部分实施例，而非所有的、全部的实施例。

基于背景技术所提出的当前智能家居教学过程中存在受场地限制的问题，本发明提供了一种应用VR技术的智能家居教学用具，能够较好地解决上述问题。

本发明实现所述功能，分别面向管理员及用户。面向用户提供：人性化调节(照明、窗帘、空调、新风等)，为用户提供智能、舒适、现代化的智能生活体验；能耗监控，包括太阳能发电、电器能耗的监测和计算，实现绿色节能；智能化控制，用户在现场、触摸屏或移动端均可进行操作，触控面板为实物，远程界面包含app端及网页端；个性化定制，用户可自行定制一键场景和定时开关，满足个人不同偏好和需求。面向管理员：状态信息，管理员可以管理员账号登陆管理界面，实时监测设备状态；维修报表，用户发现设备故障后可通过用户界面上报故障信息，管理员可在管理界面处理维修报表。

如图2所示，为控制系统的电路结构示意图。220V交流电接入24V电源的L、N端，再有24V电源的24V端和0V端分别接入云路由器、触摸屏和控制器的24V端和0V端。云路由器接入公网，并将控制器和触摸屏的Ethernet端口接入云路由器的LAN端口。

如图3所示，本发明的虚实联调实现方法如图，以本地MSSQL数据库作为中间桥梁，使用OPC协议实现控制器与MSSQL数据库的双向通讯，即将控制器虚拟数据点与数据库内数据相对应；在unity 3D中挂载C#脚本，编写连接语句读取或修改数据库内数据，以对应虚拟对象状态，从而实现所述实际控制器与虚拟对象的双向通讯。在unity场景的基础上配合HTC Vive头盔、手柄及定位器，将虚拟场景转变为虚拟现实，以实现身临其境的智能家居体验。

本发明虚拟场景包含太阳能发电、新风系统、空调系统、能耗系统的数学模型。太阳能发电包括季节、天气、时间参数，各参数可通过unity 3D界面进行配置，通过计算公式P＝S×W×T×C，得出当前太阳能发电功率，其中S为季节参数、W为天气参数、T为时间参数、C为一个常数。新风系统包括室内二氧化碳浓度、时间、通风参数，通风参数可在虚拟现实场景中通过按钮配置，时间参数则是虚拟现实场景的运行时间，根据公式c'＝c+F×ΔT，得出当前室内CO2浓度，其中c为上一时间段CO2浓度，c’为当前浓度，F为通风参数，通风开启为正，关闭为负，△T为时间间隔，并且当浓度达到上限1200/下限100时将停止上升/下降。空调系统模型与新风系统相似，但是多了风速、模式的参数，根据公式t'＝t+s×m×S×ΔT计算当前室温，其中t’和t分别为当前和上一时间段室温，s为风速，m为模式，S为设定温度参数(高于室温为正，低于室温为负)，△T为时间间隔。能耗模型包括设备状态、设备功率和时间参数，公式：

其中p为单个电器功率，s为电器运行状态，P为总耗电功率；

其中P为总耗电功率，t和t’分别为当前及前一阶段时间，W为总能耗。

Claims (9)

1.一种应用VR技术的智能家居演示系统，其特征在于：所述智能家居演示系统包括云服务器、控制部分和存储于本地服务器的虚拟家居场景，虚拟家居场景包括虚拟被控对象、环境参数；控制部分采用实物设备，虚拟被控对象为家居场景虚拟化对象；虚拟被控对象包括太阳能发电设备、灯光、窗帘、空调、新风、家具、家电，控制部分控制太阳能发电设备的开关、灯光的开关及亮度、窗帘的开合、空调的温度、新风的开启与关闭、家具的开启与关闭、家电的开关；环境参数包括温度、湿度、光强、二氧化碳浓度；

控制部分由L-DALI控制器、L-IOB控制器、LVIS触控面板、DX-2300云路由器、24V电源组成；

24V电源给控制器和云路由器供电，DX-2300云路由器是一款云端互联的数据采集设备，支持云端的双向数据采集和传送，L-DALI和L-IOB控制器接入DX-2300云路由器的LAN端口，云路由器接入公网，并在本地和云端创建安全隧道，通过云路由器将控制器内的数据信息上传到云端，

基于云端数据库开发的智能终端通过DX-2300云路由器实现与L-DALI控制器、L-IOB控制器的通信，同时，L-VIS触摸屏与DX-2300云路由器直连，使得用户既可在本地通过L-VIS触摸屏实现操作，也可使用智能终端远程操作；

灯光受控于L-DALI控制器，窗帘、空调、新风、家具、家电受控于L-IOB控制器，在Unity3d平台中创建出温度、适度、光度这些环境参数，这些环境参数同样可通过OPC UA通讯协议被控制器读到，虚拟被控对象可以通过设计好的数学模型影响环境参数的变化。

2.根据权利要求1所述的一种应用VR技术的智能家居演示系统，其特征在于：所述虚拟家居场景还包括能耗监控设备，能耗监控设备将监测到的耗电量通过协议传递给L-IOB控制器从而控制虚拟被控对象。

3.根据权利要求1或2所述的一种应用VR技术的智能家居演示系统，其特征在于：家居场景虚拟化对象完全仿照现实生活，虚拟家居场景中房屋及家具静态模型由软件SketchUP创建并添加材质贴图，以FBX文件格式导入本地服务器中的unity 3D引擎。

4.根据权利要求1所述的一种应用VR技术的智能家居演示系统，其特征在于：采用实物设备来控制虚拟被控对象的过程为：在L-DALI控制器、L-IOB控制器内建OPC UA服务器，在本地服务器上编写OPC UA客户端，通过OPC UA通讯的方式实现本地服务器与控制器之间的双向通讯，从而将控制器中的数据信息读写至本地服务器上的数据库即将控制器虚拟数据点与数据库内数据相对应，在unity 3D中挂载C#脚本，编写连接语句读取或修改数据库内数据，以对应虚拟对象状态，从而实现所述实际控制器与虚拟对象的双向通讯。

5.根据权利要求1所述的一种应用VR技术的智能家居演示系统，其特征在于：虚拟家居场景到虚拟现实的转换基于VR技术实现的，虚拟现实技术通过unity 3D引擎及HTC Vive设备实现；VR设备包括手柄、定位器、头盔；在unity 3D中载入插件Steam VR，并配置好HTCVive设备，使用Steam VR插件工具完成用户在虚拟场景中观察、行走、瞬移、触碰操作，实现虚拟场景到虚拟现实的转换。

6.根据权利要求1或2所述的一种应用VR技术的智能家居演示系统，其特征在于：利用云路由器搭建隧道，连接云服务器，以阿里云服务器为平台，建立云端数据库，基于云端数据库开发出面向用户的APP端和面向管理员的网页端，在移动端实现情景模式、监控管理、故障报修更加高级的功能实现云管理和云监控。

7.根据权利要求4所述的一种应用VR技术的智能家居演示系统，其特征在于：本地服务器的主要作用在于放置虚拟控制对象和虚拟场景，以及必要的数学模型；本地服务器上还需编写OPC客户端和安装数据库，用于实现与控制器的通讯。

8.根据权利要求4所述的一种应用VR技术的智能家居演示系统，其特征在于：所述数据库为控制器内所用到的数据信息，包括控制逻辑的点位信息和虚拟家具的数据信息。

9.根据权利要求6所述的一种应用VR技术的智能家居演示系统，其特征在于：所述的云端数据库与控制器的数据通讯使用OPC UA协议。

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