一种用于教学的实验室环境控制系统的制作方法

1.本发明涉及到智慧建筑教学用具领域，尤其涉及到一种用于教学的实验室环境控制系统。


背景技术：

2.当前智慧建筑领域的教学还停留在视频教学、书面教学中，主要依靠教师口头讲解或者观看视频获得感性认识，理论知识丰富，但是实践能力不足。大学生对于智慧建筑领域的控制系统、建筑环境参数的应用、建筑节能的认识停留在书面介绍中，缺乏直观的体验，并且在完成系统设计后也无法通过实验进行检验。


技术实现要素：

3.针对背景技术中的不足，本发明提供一种用于教学的实验室环境控制系统，为师生提供一种实验用具，便于教师开展智慧建筑实践教学，让学生围绕维持人体舒适的环境展开程序设计，检验设计成果，提高综合思维能力，获得直观的学习体验。
4.一种用于教学的实验室环境控制系统，包括程序编辑工具、边缘计算网关、控制系统、传感器系统、计量系统、液晶显示屏。
5.所述程序编辑工具与边缘计算网关通过网络进行连接。
6.所述边缘计算网关与传感器系统、控制系统、计量系统、液晶显示屏均为总线连接。
7.所述液晶显示屏用于显示设定参数与传感器系统上传的数据。
8.所述传感器系统包括：室内温度传感器、区域人数传感器、人体感应传感器、二氧化碳传感器、室外环境传感器、光照度传感器；所述传感器系统用于将采集到的环境参数上传至边缘计算网关；所述传感器系统内的传感器装置具有编号，编号与实验室区域一一对应。
9.所述室内温度传感器用于采集室内温度数据。
10.所述区域人数传感器是高清摄像头，用于实时获取当前区域内人数情况。
11.所述人体感应传感器设置于当前区域内实验室天花板上，用于实时获取当前实验室区域是否有人。
12.所述光照度传感器用于获取实验室内光照度情况。
13.所述二氧化碳传感器用于监测实验室内二氧化碳浓度。
14.所述室外环境传感器设置于实验室外，用于获取室外空气质量、温度、风力、下雨情况。
15.所述控制系统包括空调系统、新风系统、灯光控制器、开窗控制器；所述控制系统用于接收边缘计算网关指令，使空调系统、新风系统、灯光控制器或者开窗控制器执行开启或者关闭指令。
16.所述计量系统包括灯光系统计量、传感器系统计量、空调系统计量、新风系统计
量。
17.进一步的，所述计量系统是一组智能电表，用于统计灯光照明、传感器系统、空调系统、新风系统在单位时间和总时间内的耗电情况。
18.所述边缘计算网关从传感器系统获取数据，根据程序编辑工具编辑的程序，向控制系统发送控制指令。
19.进一步的，所述边缘计算网关还用于获取计量系统统计的耗电数据，并反馈至液晶显示屏。
20.所述程序编辑工具用于程序设计、参数设定与区域划分。
21.所述程序编辑工具包括自主实验模块；所述自主实验模块用于输入环境模拟参数，关闭传感器系统，以环境模拟参数以代替传感器系统采集的数据，参与程序运算。
22.进一步的，所述程序编辑工具还包括远程实验模块；所述远程实验模块用于输入环境模拟参数，开启二氧化碳传感器、光照度传感器、室内温度传感器，屏蔽传感器系统采集的数据参与程序运算，以环境模拟参数以代替传感器系统采集的数据参与程序运算；所述远程实验模块还能够获取控制系统在执行动作后反馈的指令。
23.技术效果：1.本发明采用多种传感器采集参数，要求学生综合考虑室内环境因素，在整体协同思维的框架下进行程序设计，并且通过液晶显示屏观察能耗情况，可以不断优化程序，提高程序设计能力；通过实物执行动作获取程序的执行情况，提供了直观的学习体验，有助于学生检查程序编辑情况；2.本发明可以帮助师生完成模拟实验。通过程序编辑工具关闭传感器系统，在外部客观条件不满足实验条件时，能够通过程序编辑工具人工输入环境模拟参数，及时完成实验，不受外界条件影响；3.本发明可以帮助师生获得远程实验体验。程序编辑工具能够远程获取控制系统动作反馈的信号和传感器系统采集的参数，使师生在远程条件下能够判定程序执行情况，检查程序设计情况，达成实验目标。
附图说明
24.图1是本发明系统架构示意图附图标记说明：程序编辑工具1、边缘计算网关2、液晶显示屏3、计量系统4、灯光系统计量401、传感器系统计量402、空调系统计量403、新风系统计量404、传感器系统5、人体感应传感器501、区域人数传感器502、二氧化碳传感器503、室外环境传感器504、光照度传感器505、室内温度传感器506、控制系统6、开窗控制器601、空调系统602、新风系统603、灯光控制器604。
具体实施方式
25.如图1所示，一种用于教学的实验室环境控制系统，包括程序编辑工具1、边缘计算网关2、液晶显示屏3、计量系统4、传感器系统5、控制系统6。
26.所述程序编辑工具1与边缘计算网关2通过网络进行连接，所述边缘计算网关2与
液晶显示屏3、计量系统4、传感器系统5、控制系统6间均为总线连接。
27.所述液晶显示屏3用于显示设定参数、传感器系统5上传的参数。
28.所述计量系统4包括灯光系统计量401、传感器系统计量402、空调系统计量403、新风系统计量404。所述计量系统4是一组电表，用于统计灯光照明、传感系统、空调系统、新风净化系统在单位时间和总时间内的耗电情况。使用时，若实验室内灯光开启，则灯光系统计量401开始计量灯光在单位时间和总时间的耗电量，并将耗电情况反馈至边缘计算网关2，边缘计算网关2将耗电数据发送至液晶显示屏3进行显示。传感器系统计量402、空调系统计量403与新风系统计量404使用情况与灯光系统计量401方式相同，本领域技术人员能够理解，不再赘述。
29.所述传感器系统5包括：人体感应传感器501、区域人数传感器502、二氧化碳传感器503、室外环境传感器504、光照度传感器505、室内温度传感器506；所述传感器系统5用于将采集到的环境参数上传至边缘计算网关2。其中，人体感应传感器501、区域人数传感器502、二氧化碳传感器503、光照度传感器505可以通过程序编辑工具1设置编号，并且编号与实验室的不同区域一一对应。
30.所述人体感应传感器501是设置于对应区域的实验室天花板上，用于实时获取对应区域是否有人。使用时，人体感应传感器501保持启动状态，当监测到有人时，边缘计算网关2启动当前区域的二氧化碳传感器503、光照度传感器505，并开启室内温度传感器506、室外环境传感器504，使传感器设备开始工作；当监测到无人时，向边缘计算网关2反馈数据，边缘计算网关2关闭当前区域的其他传感器装置，节约能耗，只保持人体感应传感器501开启。
31.所述区域人数传感器502是高清摄像头，用于实时获取当前区域内人数情况。
32.所述二氧化碳传感器503用于监测实验室内二氧化碳浓度。
33.所述室外环境传感器504设置于实验室外，用于获取室外空气质量、温度、风力、下雨情况。
34.所述光照度传感器505用于获取实验室内光照度情况。使用时，若某个区域的光照度传感器505获取的光照度低于程序编辑工具1设定人体舒适光照度时，边缘计算网关2发送开启灯光控制器604指令，开启当前区域的灯光。这样既能满足光照度要求，又不用开启全部实验室灯光，节约能耗。
35.所述室内温度传感器506用于采集室内温度数据。
36.所述控制系统6包括开窗控制器601、空调系统602、新风系统603、灯光控制器604。所述控制系统6用于接收边缘计算网关2指令，使开窗控制器601、空调系统602、新风系统603、灯光控制器604执行开启或者关闭指令，并能够向程序编辑工具1反馈开启或者关闭信号。
37.所述边缘计算网关2从传感器系统5获取数据，根据程序编辑工具1编辑的程序，向控制系统6发送控制指令。
38.使用时，边缘计算网关2根据程序编辑工具1指令使本发明环境控制系统进行自动应用。其自动应用过程具体指：在程序编辑工具1中进行程序编辑，保持每个区域的人体感应传感器501处于启动状态，人体感应传感器501监测到有人，边缘计算网关2启动传感器系统5中其他的传感器设
备。
39.区域人数传感器502反馈的某一区域总人数超过程序编辑工具1的设定最大允许值时，边缘计算网关2从室外环境传感器获取室外空气质量、天气状况，从室内温度传感器506获取室内温度，从二氧化碳传感器503获取室内二氧化碳浓度；当二氧化碳浓度高于程序编辑工具1设定值时，空气质量为良及以上等级，室外风力小于三级且无雨时，室内温度与室外温度达到程序编辑工具设定的适合人体舒适范围，边缘计算网关2根据程序编辑工具1的控制指令，向开窗控制器601发送开窗指令。边缘计算网关2根据程序编辑工具1设定的二氧化碳浓度、室内舒适温度情况实时调整窗户开启与关闭。边缘计算网关2将从传感器系统5获取的数据传输至液晶显示屏3，学生可以根据液晶显示屏3显示的温度、人数、二氧化碳浓度变化等情况直观观测到窗户开启情况，判定自己是否兼顾环境中多重参数、程序设计是否完成设计目标。
40.当传感器采集的参数具备下列条件之一时：（1）空气质量为差；（2）室外风力大于三级；（3）室外有雨时；（4）室外温度与人体舒适温度相差超过程序编辑工具1设定值；此时，边缘计算网关2发送控制指令至开窗控制器601，控制窗户保持关闭状态，同时，若室内二氧化碳浓度超过程序编辑工具1设定的人体舒适的二氧化碳浓度值时，边缘计算网关2发送开启指令至新风系统603，新风系统603开启后并向边缘计算网关2反馈开启信号，边缘计算网关2获取新风系统603开启信号后，开启新风系统计量404，新风系统计量404统计新风系统603在单位时间、总时间耗电情况；边缘计算网关2获取室内温度传感器506采集的数据，室内温度高于或者低于程序编辑工具1设计的人体舒适温度时，边缘计算网关2开启空调系统602。
41.光照度传感器505实时获取当前区域的光照度，并将数据实时上传至边缘计算网关2，若光照度低于程序编辑工具1内设定的光照度参数，则边缘计算网关2发送控制指令至灯光控制器604，由灯光控制器604开启照明工具，同时灯光系统计量401开启，记录单位时间和总时间灯光照明耗电量。
42.人体感应传感器501监测到无人时，边缘计算网关关闭控制系统6，只保留人体感应传感器501启动，其他传感器系统5内的传感器关闭，节约资源。
43.进一步的，所述边缘计算网关2还用于获取计量系统4统计的耗电数据，并反馈至液晶显示屏3。使用时，通过液晶显示屏3显示的耗电情况，学生可以获知自己程序设计的耗能情况，根据耗能情况可以不断优化程序，获取最佳节能的程序设计。
44.所述程序编辑工具1用于程序设计、参数设定与区域划分。
45.使用时，程序编辑工具1用于程序设计，还用于设置人体舒适的环境参数及允许误差范围，并将实验室划分为若干区域，将不同区域进行编号，同时将该区域内对应的传感器装置进行编号，使传感器装置与区域一一对应。
46.所述程序编辑工具1包括自主实验模块，所述自主实验模块用于输入环境模拟参数，关闭传感器系统5，以环境模拟参数以代替传感器系统5采集的数据，参与程序运算。
47.其中，在外部不具备实验条件时，比如遇到室外刮大风、下雨等情况时，无法达到触发控制系统自动应用的条件，为使实验或者教学正常进行，启动自主实验模块，边缘计算网关2发送控制指令关闭人体感应传感器501，关闭传感器系统5，此时由学生在自主实验模块中输入模拟环境参数去替代传感器采集的数据，使边缘计算网关2根据输入的环境模拟
参数与设计参数去比较，执行程序设计的指令进行自动应用。其过程与上述自动应用情况相同，本领域技术人员能够理解，不再赘述。所述环境模拟参数至少包括区域人数、室内二氧化碳浓度、室内温度、室外风力等级、室外是否下雨中的一个或者多个。这样学生在实验室内开展实验时既能直观观察到设备动作情况，也能切身感受环境的变化，同时关闭了传感器系统5，也节约了资源。
48.进一步的，所述程序编辑工具1还包括远程实验模块。所述远程实验模块用于输入环境模拟参数，开启二氧化碳传感器503、光照度传感器505、室内温度传感器506，屏蔽传感器系统5采集的数据参与程序运算，以环境模拟参数以代替传感器系统采集的数据参与程序运算；所述远程实验模块还能够获取控制系统6在执行动作后反馈的指令。
49.远程使用时，启动远程实验模块，在远程实验模块输入环境模拟参数，传感器系统5中的二氧化碳传感器503、、光照度传感器505、室内温度传感器506开启，远程实验模块屏蔽传感器系统5采集的数据参与程序运算，而获取的室内二氧化碳浓度、光照度、室内温度参数仅用于判断程序执行后的结果，当边缘计算网关2根据程序编辑工具1的程序编辑情况，发送控制指令至控制系统6时，使控制系统6执行开启或者关闭指令时，能够向程序编辑工具1中的远程实验模块反馈开启或者关闭信号，同时远程实验模块能够获取传感器系统5采集的数据，由此通过远程也能判定当前的实验室环境是否达到设计要求，以此来获得远程实验的体验，而不用考虑室外客观环境条件。