物聯網虛擬仿真技術在高職物聯網實踐教學中的應用

譚方勇，劉昭斌

（蘇州市職業大學 計算機工程學院，江蘇 蘇州 215104）

0 引 言

隨著物聯網技術的飛速發展，各種物聯網應用也在我國的各個行業中不斷普及，整個社會對物聯網應用技術人才的需求迫切，這就需要高等職業院校培養更多的物聯網應用技術高技術技能型人才來滿足社會的需求[1]。物聯網技術具有跨學科和跨行業的特性[2]，這對專業的實踐教學提出了更高的要求，需要投入較多的實驗設備和場地來滿足不同的教學需求。物聯網虛擬仿真平臺因為其實驗資源豐富、建設成本低[3]、能轉變學生的學習方式、能培養學生的創新創業能力等優點[4-6]，而越來越受到各學高等院校的歡迎。

1 物聯網課程實踐環節現狀分析

1.1 傳統的物聯網實踐環境分析

物聯網技術按照層次一般分成三層結構，即感知層、網絡傳輸層和應用層。當前很多高職院校的物聯網應用技術專業的課程設置也都按照這三層架構來進行設計。感知層的主要課程有RFID技術及傳感器技術相關課程，網絡傳輸層的主要課程有無線數據通信技術及網絡互聯技術相關課程，應用層主要有典型物聯網應用的設計與開發相關課程。每個層次的課程都需要有相應的實驗環節與之相對應，既需要不同種類的單個感知層設備，又要不同物聯網應用的整體應用設備；既需要底層的嵌入式應用編程設備，又要上位機的應用開發設備；既要有無線通信的設備，又要有有線互聯的設備。這些都對物聯網應用技術專業的實驗室建設提出了很高的要求。

物聯網實驗箱、實訓平臺是當前很多高職院校所采用的實驗設備，它們把各種技術都融合到實驗箱或實訓平臺當中，目的是為了更方便地進行實驗操作，但是該實驗教學環節存在著如下弊端。

（1）各種設備集成到一個實驗箱或實訓平臺，實驗操作方便了，也便于設備的管理，但實驗的靈活性較差，也不具備創新性，學生只能按照固有模式進行實驗。

（2）物聯網的設備基本都是電子元器件，如果學生實驗操作不正規，很容易造成元器件損壞，影響正常的實驗教學。

（3）雖然直接操作物理設備，直觀印象較深，但是學生對底層的通信原理與數據并不能直觀地感受，因此，對知識的理解會有較多的延遲。

（4）物聯網設備多、種類各異且容易損壞，因此物聯網實驗室的維護相對其他實驗室來說難度較大。

1.2 物聯網虛擬仿真軟件的應用趨勢

物聯網虛擬仿真軟件的出現可以彌補上述真實物聯網教學環境中的不足，能仿真外部環境參數設置和各種條件[7]，組建大型的物聯網應用場景，方便學生課后進行自主實驗等，這些都有利于學生的創新思維的開拓和創新能力的培養。

《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》以及《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》文件中都要求高等院校將信息技術與高等教育進行深度融合，對人才培養模式進行創新，要求人才培養模式從知識技能型向應用創新型轉變，注重學生實踐能力和創新能力的培養。而虛擬仿真技術及其相關軟件平臺將物聯網技術、信息技術以及高等教育進行了有機的融合，為人才培養模式的創新提供了有力的保障。

2 物聯網虛擬仿真實驗平臺的體系架構

結合物聯網應用技術專業的課程實驗內容，依托可視化物聯網虛擬仿真軟件構建的物聯網虛擬仿真實驗平臺的體系架構，如圖1所示。該體系結構按照物聯網的3個層次來對專業課程的實驗進行劃分，在感知層主要設置了RFID認知實驗、傳感器認知實驗、RFID基礎仿真實驗、WSN基礎仿真實驗；在網絡傳輸層主要設置了WSN組網仿真實驗、RFID通信仿真實驗、網絡接入仿真實驗和串口通信仿真實驗；在應用層主要設置了物聯網的典型應用仿真實驗，如智能家居仿真實驗、智慧農業仿真實驗、智慧

上層仿真實驗、智慧圖書仿真實驗等，貫穿在整個體系結構中的還有物聯網應用創新實驗以及與虛擬平臺融合的物理平臺應用開發實驗等。

物聯網虛擬仿真實驗平臺的物聯網仿真實驗共分為六大類，分別是物聯網設備認知實驗、物聯網應用系統認知實驗、物聯網設備基本原理仿真實驗、物聯網接口開發仿真實驗、物聯網應用開發仿真實驗、物聯網應用創新實驗。仿真平臺的詳細實驗平臺有物聯網虛擬仿真實驗平臺、物聯網基礎實驗系統、物聯網應用開發教學實驗系統、智慧農業3D虛擬仿真實驗教學系統、智能家居虛擬仿真實驗教學系統、智慧商城、物聯網應用開發平臺、智能農業沙盤、智能交通沙盤、智能家居管理系統、智能門禁管理系統以及智能圖書3D虛擬仿真實驗教學系統等。

該仿真平臺中，物聯網虛擬仿真實驗平臺是核心的仿真操作平臺，其他系統的仿真都依靠該平臺進行仿真實驗。其中，基礎實驗系統中可以完成物聯網中RFID、傳感器等基本技能實驗；物聯網應用開發教學實驗系統中可以依靠虛擬仿真實驗平臺完成基于Android、C#、Java的上層物聯網應用系統的開發，智慧農業、智能家居、智慧圖書3D虛擬仿真實驗教學系統、智慧商城等模塊搭建了典型的物聯網綜合應用系統的實踐環境，可以幫助學生體驗實際物聯網的應用場景。

3 基于物聯網虛擬仿真技術的實踐教學設計

3.1 漸進式實踐教學設計

物聯網虛擬仿真實驗平臺的實驗教學設計理念是：由易到難、由簡到繁再到創新的設計理念，讓學生通過仿真平臺進行漸進式的學習。仿真實驗分為4個階段。

圖1 物聯網虛擬仿真實驗平臺體系結構

（1）認知性實驗。本階段為認知階段，通過仿真平臺中種類豐富且仿真的物聯網設備、元器件、物聯網應用的仿真沙盤、3D仿真環境等實驗內容，讓學生對物聯網及其相關的設備和應用有一個較為感性的認識。

（2）驗證性實驗。本階段通過仿真平臺設計的單項技術技能訓練來提升學生對物聯網常見的技術和技能的掌握，如RFID技術、WSN技術、物聯網編程技術等。學生可以進入物聯網虛擬仿真實驗平臺，選擇對應的RFID設備組件、傳感器組件搭建虛擬的物聯網實驗環境，并可以利用其自帶的測試工具測試設備的運行情況，驗證通信的基本過程。

（3）設計性實驗。在本階段學生將利用仿真平臺搭建物聯網小型應用場景的便利性，根據實驗任務要求在仿真平臺中搭建應用環境，并可以參考其中的實驗指導和例程，在真實的編程開發環境中來對自己搭建的設備進行開發，獲取數據或控制仿真設備。

（4）創新性實驗。本階段主要是為感興趣并且學有余力的同學設計的，學生通過仿真平臺提供的典型行業的物聯網應用系統進行物聯網設備的調整、物聯網應用程序的二次開發等，并可以進行虛擬環境和真實環境的聯動，通過真實環境的應用程序來控制仿真平臺中的虛擬設備。

3.2 實驗教學趣味性設計

物聯網技術涉及的知識面較廣、技術原理難、設備操作相對復雜，學習的難度較高。為了提升學生的學習興趣，在課程及實驗的設計上引入了趣味性實驗項目，通過一些有趣且又顯性的實驗提高學生學習的積極性，如WSN實驗，通過仿真系統中模擬溫濕度、光照的參數的變化，通過測試程序向繼電器發送指令控制風扇或電燈的開關等操作，如圖2所示。

3D仿真的綜合實驗室系統可以動態、實時地顯示物聯網應用的狀態變化，并可以進行相應的操作和控制，如圖3所示，讓學生有身臨其境的效果，提升其學習的興趣。

3.3 綜合項目仿真及創新實驗設計

將物聯網綜合實訓項目如智能倉儲管理系統分成物聯網設備集成、C#上位機開發、Android移動端開發3個模塊，學生以項目團隊方式分工合作完成該項目的實驗，負責系統集成的成員在仿真平臺中根據項目需求，選擇需要的閱讀器類型、電源以及標簽的類型，進行串口、電源等線纜的連接，滿足智能倉庫管理系統的硬件需求，并測試設備的連通性和可用性。軟件設計部分分為上位機和手持端。負責上位機開發的成員負責設計數據庫系統，并選擇C#開發工具完成智能倉儲管理系統的上位機程序與仿真平臺的通信程序開發、界面設計、出入庫等系統功能設計。負責手持端開發的成員在Android開發平臺完成手持端程序的界面設計、物品查詢、統計等功能設計。最終，項目組在PC和手持端上分別進行系統的功能測試，也可以將系統移植到真實的物聯網設備環境下進行測試，從而實現綜合項目訓練的要求。

圖2 傳感器仿真實驗

圖3 智慧農業3D仿真實驗教學系統

4 結 語

物聯網虛擬仿真技術在高等職業院校物聯網應用技術專業實驗教學中的應用有助于解決專業建設成本高、實驗室管理困難等問題，其豐富的實驗資源為學生提供更直觀、結果更易顯現的實驗環境，有利于培養學生的創新思維能力，改變其學習方式，是當前教育信息化中的一個有效教學手段。