智慧物体设备系统沙盘制作需围绕 “多类型物体互联 + 全链路智能控制” 核心，遵循 “需求规划→场景设计→硬件集成→软件开发→系统调试→教学适配” 六步工艺，覆盖 “设备感知 - 数据传输 - 联动控制 - 远程管理” 全流程，满足设备调试、系统集成等教学实训需求。

一、前期规划：明确需求与方案定版

此阶段需聚焦 “物体多样性” 与 “教学实用性”，避免功能单一，确保沙盘能承载 “设备认知、组网调试、逻辑编程、故障排查” 四类教学场景。

1. 需求与参数确定：明确需覆盖的智慧物体类型（家居类：灯光、窗帘、插座；工业类：微型电机、传送带；环境类：温湿度、烟雾、光照传感器；安防类：人体红外、门磁传感器），确定尺寸比例（常用 1:30-1:50，适配教室实训桌，沙盘面积建议 1.5-2㎡）、交互方式（触屏控制、手机 APP、上位机操作）及核心实训点（设备组网配置、传感器数据采集、多设备联动逻辑设置）。

2. 方案输出：绘制 2D 功能区布局图（标注 “家居模拟区”“工业设备区”“环境监测区”“控制中枢区” 位置）和 3D 场景结构图（用 SketchUp 或 SolidWorks 设计设备模型），列出材料清单（场景结构件、物联网硬件、软件工具），确保各区域设备逻辑与真实智慧系统一致。

二、核心制作：分模块实现 “物体互联 + 智能控制”

沙盘需按 “功能区 + 设备类型” 拆分模块制作，各模块独立调试后再集成，既便于教学拆解讲解，也降低制作难度。

1. 沙盘场景制作：搭建多类型物体承载框架

场景需兼顾 “设备展示性” 与 “操作便捷性”，方便学生观察设备连接与运行状态。

• 整体框架：用木质板材或铝合金型材搭建沙盘底座（高度 10-15cm，预留电子元件安装空间），外围用亚克力板分隔各功能区，贴标签明确区域名称；底座表面铺设防滑垫，避免设备移位。

• 功能区场景制作：

• 家居模拟区：用 3D 打印制作 1:30 比例小房子模型（1-2 层），内部预留设备安装位 —— 墙面装 LED 灯（模拟室内照明）、窗户装微型舵机驱动的窗帘（塑料材质）、桌面放继电器控制的 “插座模型”（带 LED 指示灯，显示通断电状态）。

• 工业设备区：制作小型传送带（微型电机 + 皮带轮）、旋转电机模型（带塑料转盘，模拟生产设备），设备旁加装 “急停按钮模型”（物理按键，联动电机启停）。

• 环境监测区：搭建金属支架（高度 20-30cm），分层安装温湿度传感器、烟雾传感器、光照传感器，支架顶部贴 “环境监测节点” 标签。

• 控制中枢区：预留触摸屏（7-10 寸）、核心控制器安装位，周围贴 “设备组网接口” 标识（如 Wi-Fi、蓝牙、LoRa 接口），方便学生连接外部设备。

2. 硬件集成：实现 “感知 - 执行 - 控制” 链路

硬件需以 “开源、易上手” 为原则，优先选择物联网常用硬件，覆盖核心技术环节。

• 控制核心：采用 ESP32（支持 Wi-Fi/Bluetooth，适配多数家居、环境设备）作为各功能区控制器 —— 家居区、工业区、环境监测区各配 1 个，通过 Wi-Fi 接入上位机 “控制中枢”，实现统一管理。

• 硬件连接：

• 感知层：在对应区域安装传感器 —— 家居区装人体红外传感器（检测 “人员存在”）、工业区装红外传感器（检测传送带物料位置）、环境监测区装温湿度 / 烟雾 / 光照传感器（采集环境数据）。

• 执行层：用微型电机驱动窗帘、传送带，LED 灯模拟照明，继电器模块控制 “插座” 通断电，直流电机驱动工业旋转转盘。

• 交互层：控制中枢区安装触摸屏（显示所有设备状态、传感器数据），各功能区设置物理按钮（单设备启停键、故障触发键），支持手机 APP 连接（通过蓝牙控制灯光、窗帘）。

3. 软件开发：实现 “数据采集 + 智能联动 + 教学功能”

软件需兼顾 “自动化控制” 与 “教学可干预性”，既展示智慧系统的智能运作，也支持学生手动调试参数。

• 核心功能编程：

• 数据采集：用 C++（基于 Arduino 框架）编写传感器数据采集代码，实时获取温湿度、光照、人体感应等数据，通过 Wi-Fi 上传至上位机。

• 设备控制：编写执行设备控制代码 —— 如 “人体红外检测到人员→自动开灯 + 拉开窗帘”“烟雾浓度超标→触发报警灯 + 切断插座电源”“传送带检测到物料→启动旋转电机”。

• 远程管理：用 Python（基于 Flask 框架）开发上位机界面，支持实时查看设备状态、手动下发控制指令（如远程关灯、调整传送带速度）。

• 教学功能开发：

• 数据可视化：上位机界面用图表展示传感器数据变化（如温湿度曲线、设备运行时长统计），支持数据导出为 Excel，用于分析实训结果。

• 故障模拟：编写代码触发常见故障（如 “传感器离线无数据”“设备联动失效”“网络断开连接”），故障时对应设备亮红灯、触摸屏弹窗提示故障类型，引导学生排查。

• 手动调试：设置 “自动 / 手动” 切换模式，学生可手动修改传感器阈值（如 “光照低于 500lux 自动开灯”）、配置设备联动逻辑（如 “电机启动后 10 秒传送带停止”），理解智能控制原理。

三、后期优化：调试与教学适配

制作完成后需通过多轮调试，确保功能稳定且符合教学场景，降低学生操作门槛。

1. 功能调试：

• 硬件调试：检查传感器数据采集精度（温湿度误差 ±1℃/±5% RH）、设备响应速度（触发指令后 1-2 秒内执行）、网络连接稳定性（Wi-Fi/Bluetooth 连接无频繁断开）。

• 软件调试：验证全流程逻辑（如 “人员进入家居区→开灯 + 拉窗帘→环境温湿度上传→上位机显示”），确保无卡顿或误触发；测试故障模拟功能，确保故障提示准确、排查路径清晰。

• 场景调试：验证不同功能区设备联动效果（如 “环境监测区烟雾超标→家居区切断插座电源 + 工业区停止电机”）。

2. 教学适配：

• 部件标注：在传感器、控制器、执行设备上贴标签，标注设备名称、功能及接线方式（如 “ESP32 控制器：负责家居区设备控制，接线：VCC 接 5V、GND 接 GND”）。

• 操作简化：将复杂功能集成到触摸屏 “一键演示全流程”“单区域测试” 按钮，配套图文实训手册（含硬件接线图、代码注释、故障排查步骤）。

• 安全优化：对裸露线路套绝缘管，电源处加装过载保护开关，设备运动部件（如传送带、电机）加装防撞海绵，避免实训时触电或碰撞受伤。