物聯網工程專業的智能家居虛擬仿真實驗內容設計與實現

白凱 文漢云 靳國興

（長江大學計算機科學學院，湖北 荊州 434023）

一、引言

物聯網工程是一門集通信、計算機、電子等學科于一體的交叉學科，也是一門以工程應用為基礎，綜合集成現有先進信息技術的學科。物聯網工程專業的培養需要加強實驗教學、工程技能和創新能力的培養。目前物聯網實驗教學面臨諸多挑戰，物聯網實驗教學設備價格比較昂貴，各門課的軟件和硬件也各自分離，沒有整合，每門課都是按其所設計內容安排獨立的實驗設計而沒有融會貫通，各實驗設備依賴各種獨立的供應商，并且實驗設備價格昂貴,一旦缺乏了相應的實驗方法，學生只有通過書本的理論知識來接觸物聯網原理和應用,無法從整體對理解物聯網的工作過程，從而了解物聯網的本質特點。

我們建立虛擬仿真實驗室，將這些實驗課程通過使用仿真軟件進行虛擬實驗教學，不僅可以節省大量的硬件資源，完全可以把物聯網從感知層到應用層全部整合起來。讓學生更加關注傳感器的應用、物聯網工程設計、網絡路由算法等核心方法，所以虛擬仿真實驗教學是物聯網工程專業實驗教學的有力補充，因此在物聯網專業中進行虛擬仿真實驗教學的應用和推廣是必要的。

二、設計理念

通過虛擬仿真系統，學生可以了解整個物聯網技術的開發和設計過程。掌握來自傳感器的數據采集，數據傳輸采用短距離無線通信技術，控制其對應的應用層智能設備。相關課程包括物聯網原理與應用、傳感器原理與應用、短距離無線通信技術等。該虛擬實驗在物聯網的數據采集層設計中考慮了各種傳感器在物聯網中工作過程，這樣就可以在虛擬實驗中充分體現物聯網的三層結構，從整個系統實現構建物聯網虛擬實驗的目標，該實驗設計將虛擬實驗室的建設場景設置為家庭場景。在布景場景中，安裝了各種各樣的傳感器。學生只需點擊虛擬實驗中的各種傳感器，界面就會顯示傳感器介紹、接線圖和通信節點。然后繼續設置網關，就可以做到“虛實結合”，工作后界面會展示各種設備的工作情況，引導學生了解物聯網工作的特點。虛擬實驗內容的設計為物聯網工程專業相關課程的教學內容，可以讓學生實踐學習理論得到鍛煉，充分了解物聯網技術的整體發展過程。

三、智能家居虛擬實驗設計內容

物聯網智能家居虛擬仿真系統可以從第一視角展示家庭的具體情況。圖1 是虛擬實驗的實現界面：下面把典型實驗介紹如下：

圖1 智能家居虛擬仿真實驗運行界面

（一）智能家居環境監控

實驗目的:掌握各種傳感器的使用方法，獲取現場數據，掌握基本的開關邏輯。

實驗原理:溫濕度傳感器工作原理、光傳感器工作原理、紅外傳感器工作原理。

實驗內容:實時監控家庭環境，如設備是否在線、光照溫濕度、設備的短地址等。

通過設備介紹按鈕，可以對場景中的各種傳感器有一個簡單地了解。觀察場景時，還可以點擊相應的傳感器進行進一步了解。包括傳感器的介紹、接線圖和通信節點的介紹。學生可以通過彈出的界面了解所使用的傳感器的原理、接線和設備。本實驗使用了多個節點傳感器，如人體檢測傳感器、溫濕度傳感器、煙霧傳感器等，實時采集數據，然后通過zigbee 組網將數據發送到zigbee 協調終端。然后協調器通過串口將數據發送給處理器，處理器進行進一步處理。如圖2 所示:

（二）智能燈光控制

實驗目的：掌握控制App 通訊功能，了解光敏傳感器的工作原理；掌握物聯網傳輸協議和編解碼的一般原理。讓學生學習如何通過無線網絡將各個節點的數據上傳到PLC，然后通過網絡上傳到服務器，學習如何配置網關。

實驗原理：通過串口協議建立網絡物理通道和板載ZigBee 協調器的PANID。在cortex-a8 智能網關板上啟動ZigBee 協調器后，就可以創建網絡。成功將帶RFID 的IMOTE 模塊的遠程節點搜索添加到網絡后，通過Qt 應用程序即可完成實驗功能的操作。點擊yeelight adm 按鈕，首先搜索設備。搜索設備后，點擊管理按鈕就會彈出yeelight 的操作界面。

使用客戶端將智能燈接入局域網，并在官方應用程序中打開“LAN control”接口功能，第三方應用程序可根據提供的API 接口與智能燈通信。

四、教學模式應用方法

（一）理論與實踐相結合的課堂教學

物聯網工程專業實踐性強，僅僅講解理論教學難以提高教學質量。如果能采用理論與實踐相結合的課堂教學方法，可以達到事半功倍的效果。例如，在本課程中對傳感器原理的講解中，傳感器原理比較復雜，很難理解，所以學生很難掌握知識的重點。如果老師能做一個簡短的理論教學，準確的解釋，然后讓學生用虛擬仿真的平臺去實踐，學生就能很容易的理解這個問題。在教學中，我們完全采用了真實和模擬相結合的方法來獲得良好的教學效果。

（二）情景模擬教學

智能家居設計為3D 模擬界面，可以以第一人稱視角移動，具有良好的沉浸感。在未來，我們還可以考慮加入3D 虛擬現實技術，與3D 眼鏡合作。該場景的設計可以增強學生的直觀認識，激發學生的學習興趣和動機。

圖3 3D 的顯示效果圖

（三）實訓教學案例

在每個實訓的案例中,現代信息技術是用各種各樣的合理和有效手段,充分利用網絡教學和管理、教學大綱、教學安排、教學計劃、網絡課件或視頻講座、習題、實驗指導和逐步開放上網，實現優質資源24 小時共享,方便學生自主學習。

五、結論

該虛擬仿真實驗系統建立主要達到了物聯網工程專業系列課程要求的完整性和系統性。

（一）完整性

功能齊全的物聯網虛擬仿真實驗系統可以完成“全功能”實驗和實訓。物聯網分為信息獲取與信息傳輸、信息處理與應用三個層次。目前建立的物聯網工程實驗室缺乏“信息獲取”的實驗平臺。全功能物聯網虛擬仿真實驗室將能夠開展物聯網三層結構的全功能實驗和實訓。

（二）系統性

物聯網工程虛擬仿真實驗系統建設完成后，可為相關專業學生提供包括專業基礎課、專業必修課、專業選修課和工程實訓在內的所有實踐課程提供支撐。