行空板K10+模拟声音传感器：低成本物联网智能家居演示

传感器是真的，灯、电视、窗帘、空调和窗户是虚拟的。用一块行空板 K10、一个模拟声音传感器和一台电脑，搭出低成本、高展示度的物联网智能家居演示。

一、为什么做这个项目？

在中小学创客课堂里讲“智能家居”，很容易遇到两个现实问题。

第一是硬件成本高。要演示灯光、电视、窗帘、空调、窗户五种设备，往往需要准备继电器、灯具、电视模型、窗帘电机、舵机、空调模型……一套下来，器材多、接线复杂，课堂准备时间很长。

第二是演示效果不稳定。真实窗帘可能卡住，继电器有噪声，220V 灯具涉及用电安全；几十个学生轮流操作时，设备很容易出故障。

这个项目换了一个思路：

把传感器留在真实世界，把执行器搬进浏览器。

行空板 K10 负责采集按键、光线、温湿度和声音数据；电脑上的 Python 桥接服务负责判断和控制；浏览器里的 Three.js 3D 客厅负责“执行”：灯亮起来、电视播放画面、窗帘打开、空调出风、窗户滑动。

学生看到的不是一块冷冰冰的开发板，而是一间会回应自己动作的 3D 房子。

二、项目效果

• 按下 K10 的 A 键，3D 客厅里的落地灯亮起，室内电子屏显示“灯光：开”；
• 按下 B 键，电视播放动态画面，电视墙被蓝色光染亮；
• 用手遮住光线传感器，窗帘缓缓关闭；用手机手电筒照一下，窗帘重新打开；
• 对着声音传感器拍手或喊叫，窗户立刻关闭；安静 8 秒后自动打开；
• 对着温湿度传感器哈气，湿度升高，空调开启；环境舒适后自动关闭；
• K10 屏幕、3D 客厅墙上的电子屏、网页右上角数据栏，三处显示同一份状态。

所有设备状态都来自同一套服务端状态机，不会出现“K10 显示开、网页显示关”的情况。

演示视频

下面这段演示把六个动作一次跑完：按 A 键亮灯、按 B 键开电视、遮光关窗帘、拍手关窗、哈气开空调，最后在网页上手动改一次状态再等 20 秒自动恢复。全程只用一块 K10、一个模拟声音传感器和一台电脑，没有继电器，也没有 220V 灯具。

看的时候可以留意三处画面：K10 屏幕、3D 客厅墙上的电子屏、网页右上角的数据栏，它们的状态始终一致，这就是把自动化逻辑集中在一份桥接服务里的好处。

三、系统原理：一块板子、一个桥、一间虚拟房子

结构示意如下：

┌──────────────────────┐ UDP / JSON ┌──────────────────────────┐ │ 行空板 K10 │ 传感器、按键事件 ──▶ │ Python 桥接服务 │ │ · 按键 A / B │ │ · 接收 UDP :4210 │ │ · 光线传感器 │ ◀── 状态、事件 ACK ── │ · 自动化状态机 │ │ · 温湿度 AHT20 │ │ · HTTP :8000 │ │ · DFR0034 声音传感器 │ │ · 静态网页 + JSON API │ └──────────────────────┘ └────────────┬─────────────┘ │ HTTP ▼ ┌──────────────────────────┐ │ 3D 网页（Three.js） │ │ 灯 / 电视 / 窗帘 / 空调 │ │ 窗户 / 室内电子显示屏 │ └──────────────────────────┘

这里有一个关键点：浏览器不能直接监听 UDP 端口。所以电脑上运行一个 Python 桥接服务，充当“翻译器”：

• K10 通过 WiFi 向电脑的 UDP 4210 端口发送传感器 JSON；
• 桥接服务运行自动化规则，维护灯、电视、窗帘、空调、窗户的状态；
• 桥接服务把状态回传给 K10，同时通过 HTTP 提供给浏览器；
• 浏览器每 380 ms 拉取一次/api/state，点击设备时发送/api/command。

这样做还有一个好处：自动化逻辑只有一份。K10、网页、电子屏看到的是同一个“真相”，不会各算各的。

四、硬件清单与接线

为什么不用 K10 板载麦克风？K10 的两个板载麦克风可以录音、做语音识别，但官方库没有直接输出“声音强度/声压级”的接口。因此这里使用模拟声音传感器，接到 K10 的 P0 模拟口。它的输出会随环境声音变化，适合做“噪声大关窗”的演示。

接线

整个项目不接继电器、不接 220V 灯具、不接窗帘电机，用电安全，适合课堂。

下图是模拟声音传感器与 K10 的接线实物：VCC 接 3V3、GND 接 GND、AO 接 P0 模拟口，三根线就能把环境声音读回来。

五、软件准备

项目只使用 Python 标准库和本地 Three.js，不需要安装数据库或云平台。

结构示意如下：

├─ index.html # 3D 页面入口 ├─ css/style.css # 页面 HUD、控制栏、响应式样式 ├─ js/main.js # Three.js 场景、动画、电子屏、API ├─ vendor/ # 本地 Three.js，无需联网加载 ├─ server/ │ ├─ bridge.py # UDP ↔ HTTP 桥接 + 自动化状态机 │ └─ simulator.py # 没有 K10 时的 UDP 模拟器 ├─ k10/main.py # 行空板 K10 MicroPython 程序 └─ docs/preview.png # 效果图

电脑上需要：

• Python 3.8 及以上；
• Chrome / Edge 等支持 WebGL 的浏览器；
• Thonny，用于给 K10 上传 MicroPython 程序。

六、快速复现

1. 先看效果：不接硬件也能演示

在工程根目录打开 PowerShell：

在 PowerShell 里执行：

python server\bridge.py --demo

浏览器打开：

结构示意如下：

http://127.0.0.1:8000

--demo会自动生成循环变化的温度、湿度、光照和噪声，适合课前试讲或没有硬件时展示。

2. 接上 K10

电脑运行：

在 PowerShell 里执行：

python server\bridge.py

启动后会打印电脑局域网 IP，例如：

结构示意如下：

网页: http://127.0.0.1:8000 局域网: http://192.168.1.100:8000 UDP 端口: 4210 K10 配置: PC_IP = "192.168.1.100" PC_PORT = 4210

用 Thonny 打开k10/main.py，修改顶部配置：

Python 代码：

WIFI_SSID = "你的WiFi名称" WIFI_PASSWORD = "你的WiFi密码" PC_IP = "192.168.1.100" # 以 bridge.py 打印的 IP 为准 PC_PORT = 4210

把文件保存到 K10 设备，文件名必须是 main.py，然后复位运行。

Windows 如果弹出防火墙提示，请允许 Python 访问专用网络，或者手动放行 TCP 8000 和 UDP 4210。

3. 没有声音传感器也能调协议

在 PowerShell 里执行：

python server\simulator.py

模拟器通过真实 UDP 协议发包，支持：

结构示意如下：

t 28.5 设置温度 h 72 设置湿度 l 80 设置光照 n 70 设置噪声 a / b 模拟按键 A / B day/night 光照场景 quiet/noisy 安静 / 嘈杂场景

例如输入n 35，窗户会关闭；再输入quiet，约 8 秒后窗户自动打开。

七、自动化规则

这里有三个适合课堂讲解的控制思想。

1. 死区 / 回差

窗帘不是“低于 200 就关”，而是低于 80 才关；空调也不是温度一降一点就关，而是要温度和湿度都降下来。

如果没有回差，传感器在阈值附近轻微波动，设备就会反复开关。这个现象在真实智能家居里同样存在，是很好的控制论入门例子。

2. 噪声回差

关窗阈值是 大于 30%，开窗阈值是 ≤ 20% 并持续 8 秒。

为什么不直接“低于 30 就开窗”？因为环境噪声经常在 29/31 附近波动，窗户会反复开合。留出 10% 的回差，并加一个 8 秒确认时间，控制会更稳定。

3. 手动优先，自动恢复

在网页上点击窗帘、空调或窗户，会进入 20 秒手动模式。倒计时结束后，自动规则重新接管。

这模拟了真实智能家居中的“手动覆盖自动”逻辑，也方便老师在演示时临时改变状态。

八、K10 屏幕：只刷新数据，不刷新固定标签

K10 屏幕是 240 × 320 竖屏，使用screen.init(dir=2)。界面大致如下：

结构示意如下：

┌──────────────────┐ │ K10 智能家居 UDP 在线 ● │ 温度℃ 26.4 湿度% 58 │ 光照lx 320 噪声% 42 │ 灯光 A 开 │ 电视 B 关 │ 窗帘 开 │ 空调 关 │ 窗户 开 │ A灯 B电视 同步 └──────────────────┘

实现时有两个细节。

第一，所有坐标都在 0–239 内。K10 的字体只有 16×16 和 24×24 两种字号；如果按 320 宽度排版，UDP会只露出一个 U，设备状态也会在右侧被裁切。

第二，固定内容只画一次。启动时先用screen.clear()清屏，画一次标题、卡片边框、设备名称和底部说明；进入主循环后，只清除并重绘数值、开关状态和连接状态区域。

这样做的直接效果是：

• 不再整屏闪烁；
• “K10 智能家居”“启动 UDP…”等旧文字不会残留；
• 固定标签不参与循环刷新，屏幕更干净。

九、UDP 协议：让数据可靠地跑一个来回

K10 每 200 ms 发送一帧 JSON：

报文格式如下：

{ "type": "sensor", "boot": "k10-123456", "seq": 18, "sensors": { "temp": 26.4, "humi": 58.1, "lux": 320, "noise": 42 }, "events": [ { "id": 3, "name": "a" } ] }

电脑回传状态：

报文格式如下：

{ "type": "state", "online": true, "devices": { "lamp": false, "tv": true, "curtain": true, "ac": false, "window": true }, "ack_event": 3 }

按键事件会重复发送，直到收到ack_event。桥接服务按事件id去重，因此即使 UDP 丢包、重发，灯光也只会切换一次。

boot字段用于 K10 重启后重置事件序号，避免重启后的事件被误判为“旧事件”。

十、3D 客厅是怎么动起来的？

3D 部分使用 Three.js，全部资源放在本地vendor/，不依赖外部 CDN。

场景里包含：

• 木地板、地毯、沙发、茶几、落地灯、绿植；
• 左墙电视和电视柜；
• 后墙窗户、推拉窗扇、窗帘、窗台；
• 壁挂空调和出风口；
• 墙上的室内电子显示屏；
• 茶几旁的迷你 K10 模型。

状态变化通过动画过渡：

• 灯光开启时，点光源、灯罩自发光、灯泡和地面暖色光池一起增强；
• 电视开启时，Canvas 绘制动态的“NIGHT SIGNAL”画面，并用蓝色光染亮电视墙；
• 窗帘打开时向两侧收拢，关闭时合拢；
• 窗户通过两扇窗扇的横向滑动表示开合；
• 空调开启时，出风口叶片摆动并显示气流粒子；
• 室内电子屏用 CanvasTexture 实时绘制温度、湿度、光照、噪声和五个设备状态。

网页上还可以直接点击 3D 物体控制设备；底部快捷栏、键盘A/B也可以操作。

十一、课堂演示脚本

下面是一套约 8 分钟的演示流程，适合在课堂投影或社团招新时使用。

1. 导入：什么是数字孪生？

先让学生看 3D 客厅，提问：

“这间房子是真的，还是假的？传感器是真的，为什么灯和窗帘可以是假的？”

引出“数字孪生”：真实世界的数据，可以驱动虚拟世界里的对象；虚拟世界也可以反过来显示真实设备的状态。

2. 按键控制

按下 K10 的 A 键，灯光亮起；按 B 键，电视播放。

提示学生观察：K10 屏幕、网页、室内电子屏三处状态是否一致。

3. 光线控制窗帘

用手遮住 K10 的光线传感器，光照降到 80 lx 以下，窗帘关闭；用手机手电筒照一下，光照超过 200 lx，窗帘打开。

提问：为什么不在 150 lx 时反复开关？引出“回差”。

4. 声音控制窗户

对着 DFR0034 拍手或喊叫，噪声超过 30%，窗户立刻关闭；安静 8 秒后，窗户重新打开。

提问：如果噪声一直在 29–31 之间，会发生什么？为什么需要 20% 的开窗阈值和 8 秒确认？

5. 温湿度控制空调

用手捂住温湿度传感器或哈气，湿度升高，空调开启；等环境恢复后，空调关闭。

提示：真实空调不会因为湿度高 1% 就立刻动作，阈值和回差是工程中常见的“防抖”设计。

6. 手动覆盖自动

在网页上手动关闭窗帘，观察按钮出现MANUAL，20 秒后自动规则重新接管。

提问：真实智能家居里，手动开关和自动策略冲突时，应该听谁的？

十二、面向课堂的分层任务

基础任务

• 修改灯光阈值，让窗帘在更暗或更亮时关闭；
• 修改空调开启温度；
• 修改噪声关窗阈值，观察演示效果。

进阶任务

• 在 3D 场景里增加一个“门”或“扫地机器人”；
• 给网页增加一个手动按钮；
• 让电子屏显示一条新的传感器数据。

挑战任务

• 用 MQTT 替代 UDP，把数据发到局域网服务器；
• 把传感器数据记录成 CSV，画出一节课的温湿度曲线；
• 增加“回家模式”：一键开灯、开空调、开窗帘；
• 让多个 3D 房间共享同一套设备状态。

十三、常见问题

十四、还可以怎么扩展？

这个项目的价值不只在“演示一个智能家居”，而在于它提供了一个可扩展的物联网教学框架：

• 把虚拟执行器换成真实继电器、舵机、灯带；
• 把 UDP 换成 MQTT，接入 Home Assistant 或云平台；
• 增加历史数据、曲线、告警和语音控制；
• 用多个 K10 控制多个房间；
• 把 3D 场景换成校园、温室、鱼菜共生系统。

对创客课堂来说，先用虚拟执行器把逻辑跑通，再逐步接入真实硬件，是一种成本低、风险小、迭代快的教学路径。

十五、结语

物联网项目不只是“把传感器接上开发板”，更重要的是让学生理解一条完整链路：

感知 → 传输 → 判断 → 执行 → 反馈

行空板 K10 负责感知和交互，Python 桥接服务负责传输和判断，3D 客厅负责执行和可视化。硬件只保留了最必要的部分，学生却能看到一个完整、即时、可互动的智能家居系统。

把执行器放进屏幕里，把真实问题留在课堂里。这或许就是低成本物联网创客课堂的一种好打开方式。

项目文件

• server/bridge.py：UDP/HTTP 桥接与自动化
• server/simulator.py：无硬件 UDP 模拟器
• k10/main.py：行空板 K10 MicroPython 程序
• index.html、css/style.css、js/main.js：3D 网页
• docs/preview.png：效果图