VR技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實訓中的應(yīng)用

鐘石根 朱麗敏 張良杰

摘? 要：對結(jié)合VR技術(shù)利用三維數(shù)字沙盤系統(tǒng)提高教學質(zhì)量的方法進行了研究，報告了各高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實訓開展現(xiàn)狀及存在的主要問題，進行了VR三維沙盤在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實訓的應(yīng)用及其優(yōu)勢的調(diào)查。VR技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實訓提供更豐富的教學內(nèi)容，創(chuàng)造更多不同的場景，不僅活躍了教學氛圍，也促進了教學方式的改變，提高了實踐教學質(zhì)量和學生的學習效率。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù);物聯(lián)網(wǎng)專業(yè);綜合實訓

Abstract：This paper studies how to improve teaching quality by using 3D digital sand table system in combination with VR technology，reports on the current situation and main problems of comprehensive practical training of IoT majors in various universities，and investigates the application and advantages of VR 3D sand table in comprehensive practical training of IoT majors. VR technology provides more abundant teaching content for the comprehensive practical training of internet of things majors and creates more different scenes，which not only enlivens the teaching atmosphere，but also promotes the change of teaching and learning methods，and improves the quality of practical teaching and the learning efficiency of students.

Keywords：VR technology;internet of things;comprehensive training

0? 引? 言

物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things，簡稱IoT）指的是萬物相連。從結(jié)構(gòu)上把物聯(lián)網(wǎng)分成三個層次，分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。感知層通過傳感器、自動識別技術(shù)等技術(shù)實現(xiàn)全面感知，采集數(shù)據(jù)識別物體;網(wǎng)絡(luò)層通過無線傳感網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)將感知層實時識別的物體或過程及各種信息傳輸?shù)綉?yīng)用層，實現(xiàn)可靠傳輸，實現(xiàn)物與物、物與人的連接;應(yīng)用層將接收到的信息及數(shù)據(jù)進行管理、存儲等智能處理，實現(xiàn)對物體的全面感知、識別和管理。隨著5G技術(shù)的成熟，更進一步推動了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，5G主要不是面向人，而是面向物、面向產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用，與物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)不謀而合，因此，物聯(lián)網(wǎng)也將是未來十年ICT領(lǐng)域的主要發(fā)展方向和創(chuàng)業(yè)機會點。作為國家倡導的新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)備受各界重視，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域急需相關(guān)專業(yè)的人才。據(jù)工信部統(tǒng)計，物聯(lián)網(wǎng)各主要領(lǐng)域人才需求量大，且物聯(lián)網(wǎng)人才需求量將達到1 000萬人以上，預估為：智能交通市場人才需求約20萬;智能物流市場人才需求約20萬;智能電網(wǎng)市場人才需求約100萬;智能醫(yī)療領(lǐng)域人才需求達到100萬以上。

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)包含物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)高職專業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)工程本科專業(yè)，是一門復雜的交叉學科。物聯(lián)網(wǎng)感知層包括了傳感器技術(shù)、射頻識別技術(shù)等技術(shù)知識，網(wǎng)絡(luò)層包括了無線通信技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等技術(shù)知識，應(yīng)用層包括嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、中間件技術(shù)等技術(shù)知識，該專業(yè)的學生所學的知識具有多元化和混合型的特征，導致該專業(yè)各課程知識點的關(guān)聯(lián)性差。需要通過物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實訓全面應(yīng)用學生所學的所有課程知識和技能，加強物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用實踐，培養(yǎng)出知識面寬、動手能力強、綜合素質(zhì)好的物聯(lián)網(wǎng)工程技能人才。所以在高職三年級或本科四年級時進行一次綜合性、全面性的專業(yè)技術(shù)實訓的學習是有必要的。

1? 各校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實訓開展現(xiàn)狀

學生通過綜合實訓全面運用本專業(yè)的知識和技能，在校內(nèi)進行綜合性、系統(tǒng)化的開發(fā)訓練。在項目制的專業(yè)綜合實訓教學中，關(guān)鍵問題是實訓項目的設(shè)計，實訓項目的專業(yè)綜合性、技術(shù)新穎性等方面都會影響到實訓教學效果。物聯(lián)網(wǎng)被廣泛應(yīng)用于交通、物流、安防、電力、家居、醫(yī)療、礦業(yè)、軍事等各個領(lǐng)域，通過調(diào)查，現(xiàn)高校比較常見的綜合實訓項目主要有智能交通系統(tǒng)、智能樓宇能耗監(jiān)測系統(tǒng)、智能家居系統(tǒng)、智能園區(qū)、智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)、智能商圈等。

物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展導致物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備更新速度快，現(xiàn)有的設(shè)備缺乏創(chuàng)新性與代表性，限制了學生的實踐能力與創(chuàng)新能力，大大降低了學生對專業(yè)學習的興趣。另外，物聯(lián)網(wǎng)綜合項目對傳感器模塊、通信模塊等模塊的各部件需求較多，目前各高校硬件設(shè)施存在不足的問題，無法滿足學生與教師的充分利用需求，很難促使師生在物聯(lián)網(wǎng)綜合項目教學過程中共同進步[1]。

以廈門南洋職業(yè)學院物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)高職專業(yè)近兩年在大三開展的智能交通綜合實訓為例。智能交通實訓系統(tǒng)結(jié)合嵌入式、自動識別技術(shù)、無線傳感網(wǎng)、汽車導航定位以及多種集成智能化處理技術(shù)，以車輛交通為核心，通過人、車、路傳感網(wǎng)的互通互聯(lián)實現(xiàn)對車輛交通系統(tǒng)的智能控制、管理。實訓系統(tǒng)主要由智能車輛平臺、道路傳感網(wǎng)和交通沙盤模型單元三個子系統(tǒng)模塊構(gòu)成。能夠完成的綜合項目有：道路傳感網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測實訓、道路視頻監(jiān)控實訓、智能ETC收費系統(tǒng)實訓、道路交通路況監(jiān)測實訓、停車場車位監(jiān)測實訓等。

在停車場車位監(jiān)測實訓中，實訓主要目的要完成停車場的車輛出入管理，同時能夠顯示車位信息，為車主提供指引，方便車主更好地找到車位。學生在實訓中學習停車位監(jiān)測設(shè)備如何進行數(shù)據(jù)采集、傳輸。系統(tǒng)需要包括以下功能[2]：

（1）停車場出入管理。當小車進出停車場柵欄時，通過傳感器設(shè)備接收小車信號，并將信號傳輸?shù)娇刂浦行模到y(tǒng)通過繼電器設(shè)備控制柵欄打開，車輛進入后，柵欄能夠自動放下。通過RFID識別技術(shù)來識別車輛信息，并將記錄傳輸?shù)娇刂乒芾碇行摹?/p>

（2）停車位信息顯示管理。通過在每個車位上安裝的傳感器設(shè)備監(jiān)測車位上是否已停放車輛，通過無線傳感網(wǎng)，將車位信息傳輸?shù)娇刂乒芾碇行模ㄟ^存儲、運算處理后在顯示模塊上顯示車位信息，方便車主更好地找到車位。

學校通過購買交通沙盤來實現(xiàn)智能交通綜合實訓項目，但因場地、沙盤價格昂貴及學校經(jīng)費限制，通常學校只能購置兩三套，導致學生的參與性較差，而且一旦沙盤模型確定后，綜合實訓只能在定制化的極少場景體驗下進行，這些會限制物聯(lián)網(wǎng)在專業(yè)教學中的突破性開展，限制學生的綜合素質(zhì)及解決實際問題能力的培養(yǎng)。

針對存在的問題，本文以智能交通系統(tǒng)項目為例提出利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)與實際相結(jié)合的一種教學模式，可以讓每個學生都能夠身臨其境地搭建不同的實訓場景，打破了傳統(tǒng)的固定式場景的重復性，能夠激發(fā)學生主動學習的積極性、創(chuàng)造性。

2? VR技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實訓中的應(yīng)用

2.1? VR技術(shù)

VR是Virtual Reality的縮寫，即虛擬現(xiàn)實。虛擬現(xiàn)實是利用計算機模擬產(chǎn)生的一個三維空間的虛擬世界，提供人們關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓人們?nèi)缤砼R其境一般，沒有限制地觀察虛擬空間內(nèi)的所有事物。

2.2? 數(shù)字沙盤系統(tǒng)

數(shù)字沙盤系統(tǒng)是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)，它利用計算機生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真使用戶沉浸到該環(huán)境中。一種是將模擬的三維立體影像投射在實體模型上。另一種是沒有實體沙盤模型純?nèi)S數(shù)字沙盤，互動性更強。

2.3? VR技術(shù)在停車場車位監(jiān)測實訓中的應(yīng)用

VR技術(shù)現(xiàn)狀從市場來看VR產(chǎn)品主要有硬件設(shè)備和內(nèi)容兩大類[3]，通過實訓內(nèi)容要求，設(shè)計好多種不同實訓場景可供學生選擇并重復使用，再通過硬件設(shè)備，如頭戴設(shè)備、非頭戴設(shè)備和手套等，達到一種身臨其境的體驗效果。

在停車場車位監(jiān)測實訓中，通過學生自己的想法，選擇不同停車場的VR模型，如圖1所示的公交車停車場場景、圖2所示的地下車庫停車場場景。利用數(shù)字沙盤系統(tǒng)將模擬的三維立體影像投射在實體模型上，增強場景可以讓學生完全沉浸在一個被三維立體投影畫面包圍的高級虛擬仿真環(huán)境中。

在進行設(shè)計開發(fā)過程中，學生利用VR場景模型，在對應(yīng)的位置上布設(shè)傳感器節(jié)點、ZigBee節(jié)點，完成實訓系統(tǒng)的建設(shè)，如圖3所示，在車場出入口出布設(shè)地感線圈、RFID識別等設(shè)備來采集及識別車輛，通過這個過程，掌握了整個系統(tǒng)的硬件，可以更好地編寫相應(yīng)的控制軟件和驅(qū)動軟件，完成停車場出入管理。

通過VR技術(shù)模擬駕駛車輛進入停車場，然后通過提示尋找停車位，通過多次身臨其境的感受，來完善停車場的設(shè)計，達到最佳的找車位方案，如圖4所示。

利用場景布設(shè)紅外傳感器及ZigBee節(jié)點，通過車位信息采集然后利用模擬指示燈提醒車位停放情況，如圖5所示。

通過VR技術(shù)讓每個學生都能夠身臨其境地搭建智能交通平臺，并能通過模擬駕車等感受智能交通所帶來的便利，另一個優(yōu)勢是，在VR中可以根據(jù)實訓的進度隨時切換場景，彌補沙盤場景單一的缺陷。

3? 結(jié)? 論

總而言之，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實訓中的應(yīng)用，實現(xiàn)了高校實踐教學的改革創(chuàng)新，VR技術(shù)不僅活躍了教學氛圍，也促進了教學方式的改變，提高了實踐教學質(zhì)量和學生的學習效率。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷成熟，可以為教育教學提供更多的現(xiàn)實化方法，為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實訓提供更豐富的教學內(nèi)容，創(chuàng)造更多不同的場景。相信在不久的將來，VR技術(shù)將會在更多課程中呈現(xiàn)更多不同的、突出的應(yīng)用。

參考文獻：

[1] 袁凱烽.虛擬仿真技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)教學中的應(yīng)用 [J].文教資料，2017（28）：170-171.

[2] 朱其慎，張以利.高職院校物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)綜合實訓研究 [J].內(nèi)江科技，2014，35（12）：97-98.

[3] 張良杰，朱麗敏，鐘石根，等.VR技術(shù)現(xiàn)狀與應(yīng)用領(lǐng)域研究 [J].傳感器世界，2017，23（5）：26-31.

作者簡介：鐘石根（1979—），男，漢族，江西宜春人，教授，碩士研究生，研究方向：職業(yè)教育;朱麗敏（1990—），女，漢族，福建莆田人，講師，本科，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用;張良杰（1988—），男，漢族，福建福州人，講師，本科，研究方向：應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)、人臉識別、語音識別。