CN204229196U

CN204229196U - 一种可应用于智能家居、智能电网的物联网教学实训平台

Info

Publication number: CN204229196U
Application number: CN201420497258.2U
Authority: CN
Inventors: 陈松; 孙玉国; 李文黎
Original assignee: WUXI SEVEN CORE TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: WUXI SEVEN CORE TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2014-09-01
Filing date: 2014-09-01
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2024-09-01

Abstract

本实用新型提出一种可应用于智能家居、智能电网的物联网教学实训平台，包括由自上而下的感知层、网络层以及应用层三层物联网结构组成；感知层由采集控制区和自动识别区构成，网络层由ZigBee组网A区、ZigBee组网B区、泛在网通信传输区以及433M传输区构成；应用层根据需求配置，主要由智能家居模型区和智能家居控制显示区或由智能电表和智能插座构成。本实用新型具备显著的应用区域，起到软件与平台之间的模拟仿真互动，显示出物联网结构，能充分让学生认知和理解物联网系统结构。

Description

一种可应用于智能家居、智能电网的物联网教学实训平台

技术领域

本实用新型涉及物联网教学平台，具体涉及一种可应用于智能家居、智能电网的物联网教学实训平台。

背景技术

物联网是通过信息传感设备，按约定的协议实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络，其主要特征是通过射频识别、传感器等方式获取物理世界的各种信息，结合互联网、移动通信网等网络进行信息的传送与交互，采用智能计算技术对信息进行分析处理，从而提高对物质世界的感知能力，实现智能化的决策和控制。

市场上现有物联网综合教学实验平台从结构上基本上都是传感器、控制器、RFID设备以及其他相应设备的堆积，显示不出物联网结构，起不到学生对物联网系统结构的认知和理解；且没有显著的应用区域，起不到软件与平台之间的模拟仿真互动；现有的物联网综合教学实验平台仅仅只是物联网技术的演示，起不到教学的效果，教学项目起不到对学生的专业培养。

实用新型内容

为克服上述缺点，本实用新型提供的技术方案为：一种可应用于智能家居、智能电网的物联网教学实训平台，包括由自上而下的感知层、网络层以及应用层三层物联网结构组成；感知层由采集控制区和自动识别区构成，网络层由ZigBee组网A区、ZigBee组网B区、泛在网通信传输区以及433M传输区构成；应用层根据需求配置，主要由智能家居模型区和智能家居控制显示区或由智能电表和智能插座构成。

进一步，采集控制区采用ModBus总线技术，分为采集子区与控制子区；采集子区中集成了温湿度、光照强度、人体红外、数字气压、CO₂、触摸调光6种高精度传感器；控制子区中集成了LED射灯、步进电机、数码管、声光报警灯和扬声器；从左往右依次是步进电机、扬声器、步进电机驱动板、数码管、声光报警器、声光报警器驱动板、触摸调光、温湿度传感器、人体红外、光照强度传感器、CO₂传感器以及数字气压传感器。

进一步，自动识别区中集成了低频、高频、超高频RFID读写设备，还具备NFC读写功能，可实现NFC模拟卡/阅读器/点对点通信三种模式。

进一步，ZigBee组网A区、ZigBee组网B区共包括6个带有自组网功能的ZigBee节点模块，分别配有可以插拔更换的温湿度传感器、烟雾传感器、人体红外传感器、霍尔传感器、火焰传感器以及CO传感器；在六个节点之间还设置有6个ZigBee节点槽，以便更换ZigBee节点位置来体现ZigBee无线定位的功能。

进一步，泛在网通信传输区设有7英寸电容触摸屏用来对该区进行显示操控，具备HDMI接口、USB接口、RS232串口、扩展串口、SPI、IIC接口；还具备语音识别功能，可以与感知区进行联动；还具备2.4G有源读写模块。

进一步，433M传输区采用频段为433M传输技术，由一个433M发送设备和一个433M接收设备组成，并与泛在网通信传输区中的433M模块进行配对通信。

进一步，应用层根据应用的不同可分为智能家居应用、智能电网应用；由由智能家居模型区和智能家居控制显示区或由智能电表和智能插座构成构成。

进一步，智能家居模型区包括安防系统、环境监控系统以及控制系统；所述安防系统包括防盗子系统和防火子系统，防盗子系统包括门禁、人体红外感应、门磁、摄像头等设备，门禁配置RFID卡，防火子系统包括燃气探测器、烟雾探测器、排风扇控制器以及窗户控制器；所述环境监控系统包括温湿度子系统、照明子系统以及空气质量子系统，温湿度子系统包括温湿度检测器、加湿器控制器、控制模拟空调的控制器，照明子系统包括光照强度探测器、控制灯光亮暗的触摸调光控制器、控制窗帘开启关闭的窗帘控制器，空气质量子系统包括空气质量探测器、窗户控制器、通断空气净化器的开关控制器；控制系统主要负责控制家中的电器以及各种设备，包括电灯、窗帘、窗户、加湿器、空调等；智能家居控制显示区可分为安防区、环境监控区以及情景控制区；安防区包括燃气报警指示灯、烟雾火灾报警指示灯、声光报警器、窗户状态指示灯、排风扇状态指示灯、窗户控制按钮、排风扇控制按钮、门禁控制器、防盗指示灯以及布放/撤防按钮；环境监控区包括温湿度显示仪、光照显示仪、空气质量显示仪、窗帘状态指示灯、窗户状态指示灯、加湿器状态指示灯、空调状态显示屏、触摸调光控制面板、加湿器控制按钮、窗帘控制按钮、窗户控制按钮、空调控制数字键；情景控制区主要用于总体控制智能家居系统，分为外出模式、在家模式、就寝模式以及自定义模式，用户只要按了其中一种模式，整个系统将自动进入该模式。

进一步，智能电表配有485接口并具备配有RS485接口的GPRS模块，所述智能电表连接在实训平台220V电压的进出口处，并且采用两种方式进行远距离数据传输：一种是RS485有线传输，另外一种是GPRS无线传输；所述智能插座设置有4个，每个智能插座上连接普通家用电器的模型，前述普通家用电器为洗衣机、冰箱。

进一步，应用层还设置有辅助功能区，所述辅助功能区由逻辑分析仪和ZigBee协议分析仪构成。

本实用新型的有益效果：

1.按照物联网学术界的定义将平台结构严格划分为感知层、网络层以及应用层。每一部分都可以单独的完成相关知识的教学实验，非常易于老师组织教学。

2.集成WIFI通信、ZIGBEE通信、433M无线通信、NFC通信、RS-485通信、RS-232通信、RFID智能识别、远程传感采集和控制等技术于一体，集成了各种高精度传感器和控制单元，并且网络层标配的ZigBee节点模块，还可根据用户需求进行传感器种类套件搭配。各传感器节点模块形式一致，可方便的与备选模块进行替换，且便于后期设备维护。

3.独创性的加入了物联网在智能家居、智能电网等行业方向的应用，学生不再拘泥于形式单一的实验。通过生动直观的综合应用，能充分调动学生的学习积极性和有效巩固所学知识点。

4.加入了实验平台管理软件，老师或者学校实验室管理员可以进入实验平台管理系统去查询平台的历史使用记录，方便有效的查询设备的使用情况和学生的使用记录。

附图说明

图1是本实用新型应用层为智能家居应用的布局示意图；

图2是本实用新型应用层为智能电网应用的布局示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种可应用于智能家居、智能电网的物联网教学实训平台，包括由自上而下的感知层、网络层以及应用层三层物联网结构组成；感知层由采集控制区和自动识别区构成，网络层由ZigBee组网A区、ZigBee组网B区、泛在网通信传输区以及433M传输区构成；应用层根据需求配置，主要由智能家居模型区和智能家居控制显示区或由智能电表和智能插座构成。

采集控制区采用ModBus总线技术，分为采集子区与控制子区；采集子区中集成了温湿度、光照强度、人体红外、数字气压、CO₂、触摸调光6种高精度传感器；用户可以通过上位机、手机终端、浏览器访问采集子区来获取每一种传感器采集的数据。控制子区集成了LED射灯、步进电机、数码管、声光报警灯和扬声器，用户也可以通过上位机、手机终端、浏览器访问控制子区来控制每一种控制器的工作状态。从左往右依次是步进电机、扬声器、步进电机驱动板、数码管、声光报警器、声光报警器驱动板、触摸调光、温湿度传感器、人体红外、光照强度传感器、CO₂传感器以及数字气压传感器。

除了通过上位机、手机终端、浏览器来监控采控区外，用户还可以通过多种联动来控制采控区各种传感器和控制器的工作，比如人体红外和声光报警灯，当人体红外检测到人时，将启动声光报警灯进行报警；在联动工作方面，除了设计了一些联动方式供老师学生操作外，还预留了一些联动方式供老师学生进行开发，达到学习与应用相结合的互动效果。

自动识别区中集成了低频、高频、超高频RFID读写设备，还具备NFC读写功能，可实现NFC模拟卡/阅读器/点对点通信三种模式。用户可以通过上位机、手机终端、浏览器访问自动识别区进行操作读取数据，也可以自行开发相关的应用。

ZigBee组网A区、ZigBee组网B区共包括6个带有自组网功能的ZigBee节点模块，分别配有可以插拔更换的温湿度传感器、烟雾传感器、人体红外传感器、霍尔传感器、火焰传感器以及CO传感器，并可根据用户需求进行传感器种类套件搭配。在六个节点之间还设置有6个ZigBee节点槽，以便更换ZigBee节点位置来体现ZigBee无线定位的功能, 达到对ZigBee技术更深层次的学习和实验。

泛在网通信传输区采用ARM Cortex A8处理器,并设有7英寸电容触摸屏用来对该区进行显示操控，在外形上更加美观、大方。该区集成了包括以太网、Wifi、3G、ZigBee、433M等多种主流通信方式，具备HDMI接口、USB接口、RS232串口、扩展串口、SPI、IIC接口，方便用户在此平台上进行二次开发；还具备语音识别功能，可以与感知区进行联动，比如通过语音识别控制LED射灯、步进电机等；还具备2.4G有源读写模块。

433M传输区采用频段为433M传输技术，由一个433M发送设备和一个433M接收设备组成，并与泛在网通信传输区中的433M模块进行配对通信。

应用层根据应用的不同可分为智能家居应用、智能电网应用；由智能家居模型区和智能家居控制显示区或由智能电表和智能插座构成构成，并且设置有辅助功能区，所述辅助功能区由逻辑分析仪和ZigBee协议分析仪构成，主要用于辅助学生老师来进行物联网的教学、学习以及开发。逻辑分析仪可以帮助用户学习分析物联网各种协议数据，并且在用户二次开发时利用此设备进行调试，使整个开发事半功倍。ZigBee协议分析仪主要针对ZigBee协议，有助于用户更加快捷有效地学习ZigBee协议，同时在用户针对ZigBee进行开发时也有很好的效果。

实施例1：

智能家居模型区包括安防系统、环境监控系统以及控制系统；所述安防系统包括防盗子系统和防火子系统，防盗子系统包括门禁、人体红外感应、门磁、摄像头等设备，门禁采用高频RFID卡及密码控制，只有当高频RFID卡或者密码与系统设置匹配时门才打且并进行撤防，否则将启动门磁感应，非法开门将触发门磁感应进而引起报警，除此以外，当非法进入触发人体红外感应时，将启动相应的摄像头进行抓拍，将拍到的照片连同报警信息发给用户或者直接进行智能语音报警。防火子系统包括燃气探测器、烟雾探测器、排风扇控制器以及窗户控制器；燃气探测器主要探测屋内可燃气体的浓度，当浓度高于一定值时将进行报警，并开启窗户以及排风扇，待恢复正常情况时关闭窗户以及排风扇，否则将发送报警信息给用户或者直接进行智能语音报警。烟雾报警器主要探测屋内火灾及烟雾浓度，当浓度高于一定值时将进行报警，并开启窗户以及排风扇，并且发送报警信息给用户或者直接进行智能语音报警。环境监控系统负责监控室内环境信息，并根据这些信息使用户家中保持舒适健康的状态，用户可以通过手机、计算机以及平板查看家中的环境参数并进行相应的控制；所述环境监控系统包括温湿度子系统、照明子系统以及空气质量子系统，温湿度子系统包括温湿度检测器、加湿器控制器、控制模拟空调的控制器，加湿器、空调都根据室内温湿度数据自动处于工作或者关闭状态。系统将根据一般人体舒适温湿度或者用户自定义温湿度参数控制加湿器、空调工作使室内的温湿度始终保持在设定的参数范围内。照明子系统包括光照强度探测器、控制灯光亮暗的触摸调光控制器、控制窗帘开启关闭的窗帘控制器，系统根据一般人体舒适光照强度或者用户自定义光照强度参数控制灯光的亮暗和窗帘的开启关闭，使用户在家中处于舒适的光照下。空气质量子系统包括空气质量探测器、窗户控制器、通断空气净化器的开关控制器，系统根据一般人体舒适空气质量参数或者用户自定义空气质量参数控制窗户控制器和空气净化器工作，当空气质量恢复到设置的参数范围内后，将自动关闭窗户和空气净化器，使用户在家中处于舒适且健康的空气质量下。控制系统主要负责控制家中的电器以及各种设备，包括电灯、窗帘、窗户、加湿器、空调等。

智能家居控制显示区可分为安防区、环境监控区以及情景控制区；安防区包括燃气报警指示灯、烟雾火灾报警指示灯、声光报警器、窗户状态指示灯、排风扇状态指示灯、窗户控制按钮、排风扇控制按钮、门禁控制器、防盗指示灯以及布放/撤防按钮；环境监控区包括温湿度显示仪、光照显示仪、空气质量显示仪、窗帘状态指示灯、窗户状态指示灯、加湿器状态指示灯、空调状态显示屏、触摸调光控制面板、加湿器控制按钮、窗帘控制按钮、窗户控制按钮、空调控制数字键；情景控制区主要用于总体控制智能家居系统，分为外出模式、在家模式、就寝模式以及自定义模式，用户只要按了其中一种模式，整个系统将自动进入该模式，自定义模式主要用于学生自定义开发模式，学生可以根据指导书自行开发相应的模式进行调试、操作，实现学习与实践相结合的效果。

实施例2：

智能电网应用采用无线传感网技术、移动通信技术、智能处理技术、嵌入式技术以及工业传输技术，在实训平台的应用区，学生可以实现智能电表远程抄表以及智能用电分析。

传统的抄表方式主要是人工采集电量，劳动强度大，抄表人员数量多，管理成本大。利用智能远程抄表，可以减少传统人工抄表带来的繁杂程序和人工耗费，并且可以增加抄表的精确度。实训台的远程抄表功能是通过智能电表来实现的，电表收集整个实训平台的总用电量。智能电表（配有485接口）连接在实训台220V电压的进出口处，并且采用两种方式进行远距离数据传输：一种是RS485有线传输，另外一种是GPRS无线传输。有线传输模式，将智能电表上的RS485接口通过网络线与网关上的RS485接口进行连接，实现数据的工业级有线传输过程。无线传输，主要是通过在智能电表上配有RS485接口的GPRS模块，通过GPRS移动网络进行无线数据的传输，将电表读取的数据通过移动网络传送到网关，进而显示在上位机上。用户也可以利用平板电脑、手机等终端随时随地查看智能电表的用电量数据，模拟实现远程查看家用电表信息。此外，智能远程终端加入了智能用电管理，分为两部分：预付费用户和后付费用户。预付费用户是指用户先付费后获取电量，即用户先向系统购买用电额，然后再用电，当系统内用户的用电余额低于设定值时，系统会向用户发送付费提醒，当用户的用电余额低于0或者为规定的值时，系统通过软件模拟自动断电。后付费用户，指先用电再付费，系统设置每个缴费的周期，每个周期系统会出示账单，催用户缴纳电费，如果用户超出一定的额度不缴纳费用，系统通过软件模拟自动断电。

系统的用电分析部分主要运用智能插座来采集用电量，在实训台的应用区域放置有4个智能插座，每个智能插座上面连接普通家用电器（例如洗衣机、冰箱等）的模型。这部分的主要目的是对每个用电设备的电量的采集，采集到的用电量通过wifi无线网络传输到软件数据库当中，系统对数据库的数据进行分析，并根据用电器类别对其分析，即对所有电表的用电量进行分析以及对单个电表分时段用电量分析，将分析数据以图标或曲线等的形式显示到上位机上。此外，系统可以远程控制智能插座的开关，可以实现家用电器的省电功能。数据分析结果可以远程传送到用户手机、平板客户端，用户可以远程查看家用电器的用电分析结果。

智能电网的用电量分析以及智能远程抄表实现了家用电器模型的用电量采集功能以及电表的远程抄表（有线和无线），智能电网应用系统按技术要求安装高度完毕后，即可进行24小时的通信，让学生尽快掌握智能电网的用电采集功能和智能远程抄表功能。

以上内容是结合具体的优选技术方案对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种可应用于智能家居、智能电网的物联网教学实训平台，其特征在于：由自上而下的感知层、网络层以及应用层三层物联网结构组成；感知层由采集控制区和自动识别区构成，网络层由ZigBee组网A区、ZigBee组网B区、泛在网通信传输区以及433M传输区构成；应用层根据需求配置，主要由智能家居模型区和智能家居控制显示区或由智能电表和智能插座构成。

2.根据权利要求1所述的可应用于智能家居、智能电网的物联网教学实训平台，其特征在于：所述采集控制区采用ModBus总线技术，分为采集子区与控制子区；采集子区中集成了温湿度、光照强度、人体红外、数字气压、CO₂、触摸调光6种高精度传感器；控制子区中集成了LED射灯、步进电机、数码管、声光报警灯和扬声器；从左往右依次是步进电机、扬声器、步进电机驱动板、数码管、声光报警器、声光报警器驱动板、触摸调光、温湿度传感器、人体红外、光照强度传感器、CO₂传感器以及数字气压传感器。

3.根据权利要求1所述的可应用于智能家居、智能电网的物联网教学实训平台，其特征在于：所述自动识别区中集成了低频、高频、超高频RFID读写设备，还具备NFC读写功能，可实现NFC模拟卡/阅读器/点对点通信三种模式。

4.根据权利要求1所述的可应用于智能家居、智能电网的物联网教学实训平台，其特征在于：所述ZigBee组网A区、ZigBee组网B区共包括6个带有自组网功能的ZigBee节点模块，分别配有可以插拔更换的温湿度传感器、烟雾传感器、人体红外传感器、霍尔传感器、火焰传感器以及CO传感器；在六个节点之间还设置有6个ZigBee节点槽，以便更换ZigBee节点位置来体现ZigBee无线定位的功能。

5.根据权利要求1所述的可应用于智能家居、智能电网的物联网教学实训平台，其特征在于：所述泛在网通信传输区设有7英寸电容触摸屏用来对该区进行显示操控，具备HDMI接口、USB接口、RS232串口、扩展串口、SPI、IIC接口；还具备语音识别功能，可以与感知区进行联动；还具备2.4G有源读写模块。

6.根据权利要求1所述的可应用于智能家居、智能电网的物联网教学实训平台，其特征在于：所述433M传输区采用频段为433M传输技术，由一个433M发送设备和一个433M接收设备组成，并与泛在网通信传输区中的433M模块进行配对通信。

7.根据权利要求1所述的可应用于智能家居、智能电网的物联网教学实训平台，其特征在于：所述应用层根据应用的不同可分为智能家居应用、智能电网应用；由智能家居模型区和智能家居控制显示区或由智能电表和智能插座构成。

8.根据权利要求7所述的可应用于智能家居、智能电网的物联网教学实训平台，其特征在于：所述智能家居模型区包括安防系统、环境监控系统以及控制系统；所述安防系统包括防盗子系统和防火子系统，防盗子系统包括门禁、人体红外感应、门磁、摄像头等设备，门禁配置RFID卡，防火子系统包括燃气探测器、烟雾探测器、排风扇控制器以及窗户控制器；所述环境监控系统包括温湿度子系统、照明子系统以及空气质量子系统，温湿度子系统包括温湿度检测器、加湿器控制器、控制模拟空调的控制器，照明子系统包括光照强度探测器、控制灯光亮暗的触摸调光控制器、控制窗帘开启关闭的窗帘控制器，空气质量子系统包括空气质量探测器、窗户控制器、通断空气净化器的开关控制器；控制系统主要负责控制家中的电器以及各种设备，包括电灯、窗帘、窗户、加湿器、空调等；智能家居控制显示区可分为安防区、环境监控区以及情景控制区；安防区包括燃气报警指示灯、烟雾火灾报警指示灯、声光报警器、窗户状态指示灯、排风扇状态指示灯、窗户控制按钮、排风扇控制按钮、门禁控制器、防盗指示灯以及布放/撤防按钮；环境监控区包括温湿度显示仪、光照显示仪、空气质量显示仪、窗帘状态指示灯、窗户状态指示灯、加湿器状态指示灯、空调状态显示屏、触摸调光控制面板、加湿器控制按钮、窗帘控制按钮、窗户控制按钮、空调控制数字键；情景控制区主要用于总体控制智能家居系统，分为外出模式、在家模式、就寝模式以及自定义模式，用户只要按了其中一种模式，整个系统将自动进入该模式。

9.根据权利要求7所述的可应用于智能家居、智能电网的物联网教学实训平台，其特征在于：所述智能电表配有485接口并具备配有RS485接口的GPRS模块，所述智能电表连接在实训平台220V电压的进出口处，并且采用两种方式进行远距离数据传输：一种是RS485有线传输，另外一种是GPRS无线传输；所述智能插座设置有4个，每个智能插座上连接普通家用电器的模型，前述普通家用电器为洗衣机、冰箱。

10.根据权利要求1或7所述的可应用于智能家居、智能电网的物联网教学实训平台，其特征在于：所述应用层还设置有辅助功能区，所述辅助功能区由逻辑分析仪和ZigBee协议分析仪构成。