物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓教學平臺的仿真研究

朱龍梅

(陜西財經(jīng)職業(yè)技術(shù)學院，大數(shù)據(jù)與人工智能學院,陜西，咸陽 712000)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)在世界經(jīng)濟與科技發(fā)展方面成為了重要戰(zhàn)略制高點之一，在國家對人才進行培養(yǎng)方面起到至關(guān)重要的作用。物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的衍生物，它的核心是互聯(lián)網(wǎng)，在互聯(lián)網(wǎng)的基礎上進行擴展，利用互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)信息共享的同時完成智能化發(fā)展。各大專院校對人才進行培養(yǎng)時，首先要培養(yǎng)的是學生的技術(shù)能力，在此基礎上進行額外擴展。

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的擴展，使學生的課堂知識更加豐富，該課程可以培養(yǎng)學生綜合能力，將理論知識與專業(yè)技術(shù)能力更好的結(jié)合，應用于實踐。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的人才培養(yǎng)流程主要分為2方面：一方面需要學生熟練掌握物聯(lián)網(wǎng)方面的核心技術(shù)以及理論基礎，該部分主要針對于大一與大二的學生，此年級的學生專業(yè)課并不緊密；另一方面人才培養(yǎng)針對大三即將面臨畢業(yè)的學生，大三年級的學生對物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓課程具有整體的了解與分析能力，能夠更全面的培養(yǎng)學生專業(yè)能力。

1 傳統(tǒng)“物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓”課程的現(xiàn)狀和問題

傳統(tǒng)的“物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓”課程主要是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學生學業(yè)結(jié)束前的最后一門課程，它貫穿了大學時期學過的所有課程。這門課程的主要目的是為了培養(yǎng)學生的綜合應用能力，使學生在工作崗位中可以靈活運用各種技能。但是，現(xiàn)在的教學空間有待完善，設備的數(shù)量不足以滿足龐大的教學系統(tǒng)，學生之間需要分批分組，以團隊協(xié)作的方式才能完成課堂任務，這樣的方式可以使學生具有團隊合作精神，但也有許多問題，比如它的設備連接、識別等都沒辦法滿足任務圓滿達成，在連線過程中，極易發(fā)生設備損壞等事故問題，這些問題大大降低了教學的效率，針對這些問題做出了如下研究，改善設備事故等困難問題，并且為教學質(zhì)量提供了便利[1]。

2 物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺架構(gòu)設計

該設計主要將整個物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺分為3大部分，分別是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及智能控制部分。其中，數(shù)據(jù)采集部分的各類傳感器又外接了數(shù)字量輸入節(jié)點與模擬量輸入節(jié)點2個部分，其主要功能是對數(shù)據(jù)進行采集；數(shù)據(jù)處理部分由計算機控制協(xié)調(diào)器釋放出ZigBee協(xié)議與3G信號進行影響，最后通過數(shù)據(jù)庫服務器進行分析，其主要功能是對數(shù)據(jù)進行處理與分析；智能控制部分的控制執(zhí)行機構(gòu)主要分為數(shù)字量輸出節(jié)點和模擬量輸出節(jié)點2個小部分，其主要功能是對平臺進行控制。物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺功能框架如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺功能框架圖

2.1 平臺用戶

物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺可以應用于各大高校物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)，主要為了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學生在學習知識的同時可以培養(yǎng)學生的集成能力，讓學生對無線網(wǎng)絡以及基本知識更加充分的了解，學生們通過平臺可以熟練掌握編程語言，并且對物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺的架構(gòu)進行更好的設計[2]。

2.2 平臺功能

該實訓平臺的設計使學生們對物聯(lián)網(wǎng)課程有了全新的了解，學生們不需要掌握那么多復雜又繁瑣的程序，更不需要掌握硬件編程，有調(diào)動平臺的能力即可輕松完成操作。成功構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)，需要操作者根據(jù)功能的要求，選擇與之合成契合的傳感器節(jié)點，按照系統(tǒng)原本設置好的參數(shù)生成應用系統(tǒng)即可。這種實訓平臺需要學生有一定的設計硬件開發(fā)的能力基礎，才能更好地拼裝出物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

3 物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺的硬件設計與開發(fā)

3.1 協(xié)調(diào)器、傳感器節(jié)點的設計與開發(fā)

該硬件設計主要將協(xié)調(diào)器、傳感器節(jié)點分為4個單元，每個單元都有屬于自己的小部分，依次負責不同的功能，形成一個整體。其中，傳感單元主要功能為從不同渠道獲取信息，再將獲得的信息轉(zhuǎn)化為信號釋放給其他單元進行處理。傳感單元分為2個模塊，分別是傳感器和數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊。處理單元的開發(fā)是整個設計的核心，該設計可以處理許多高難度且復雜的數(shù)據(jù)，包括對傳感單元釋放出的信號進行數(shù)據(jù)處理，與其他單元進行融合，還可以控制傳感器節(jié)點的其他部分的協(xié)調(diào)與控制工作。無線收發(fā)單元在傳感器節(jié)點中主要負責接收數(shù)據(jù)的功能，該設計的目的主要是將傳感單元釋放出的信號經(jīng)處理單元進行處理后所得到的信息，由無線收發(fā)單元進行接收，并且與其他部分進行交換控制信息。最后一個單元為電池管理單元，該單元是維持整個設計可以正常工作的基礎，它可以為傳感器節(jié)點提供源源不斷的能量，保證傳感器節(jié)點可以正常運轉(zhuǎn)[3]。傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

3.1.1 處理單元

處理單元主要由處理器和存儲器2部分組成，其中，處理器主要分為ARM處理器以及低端微控制器2大類，選擇處理器之前，需要從該處理器的處理能力是否滿足標準需求以及處理器正常運轉(zhuǎn)過程中所消耗的能量是否過大，超過預估值等多方面角度考慮問題。ARM處理器在眾多處理器中屬于比較高端的處理器，可以稱之為處理器中的代表，它處理數(shù)據(jù)的能力極強，可以應用于多種領域，并且處理起一些高數(shù)據(jù)量的業(yè)務時，通常操作者使用該處理器將網(wǎng)絡數(shù)據(jù)匯聚在一起形成節(jié)點，操作者不需要做很多復雜的操作即可完成，但是，這個類型的處理器正常運轉(zhuǎn)過程中需要消耗巨大的能量。另一個類型的處理器為低端微控制器，該處理器相對于ARM來講，功能消耗較低，運行過程中不需要太大的能量即可完成正常運轉(zhuǎn)，通常采用的是8/16位的單片機，但是，該處理器處理數(shù)據(jù)的能力較弱，面對高數(shù)據(jù)量的業(yè)務時，可能會面臨運轉(zhuǎn)困難等問題[4]。

處理器的選用需要從多方面因素考慮，該設計中選用的是CC2530，是一種性能極高的處理器，并且擁有可以進行編程的閃存，同時還包含了ADC、WatchDog Timer等系統(tǒng)，它所采用的節(jié)點本質(zhì)為微型嵌入式系統(tǒng)，用戶可以自行設計嵌入式系統(tǒng)，在眾多處理器中，該處理器無論是從性能方面考慮，還是性價比方面都能脫穎而出，可以放心使用。

3.1.2 無線收發(fā)單元

無線收發(fā)單元包含的通信技術(shù)有很多方面，主要工作在ISM免費頻段中，用戶可以對芯片系統(tǒng)進行自定義。CC2530是各種應用中的代表，具有極好的性能，某種意義上可以真正的解決系統(tǒng)的方案，領先于其他收發(fā)器，在應用過程中充分體現(xiàn)了該收發(fā)器具有良好的可靠性以及有效性。CC2530不需要許多外圍元器件，其外接電路主要包含3部分，分別是微控制器接口電路、輸出電路發(fā)射頻率以及時鐘電路。芯片的信號可以由多種電路提供，而電容的大小取決于多種參數(shù)問題[5]。

3.1.3 傳感單元

傳感單元的主要功能是對信息進行采集處理，由傳感器以及ADC 2部分組成，既可以對模擬的輸入量與輸出量進行采集，也可以對數(shù)字的輸入以及輸出量進行采集，并且對周圍的環(huán)境情況進行監(jiān)測，當影響因素過大時，系統(tǒng)會通過傳感單元進行信息傳遞。

3.1.4 電池管理單元

電池管理單元對于電池的選擇應十分嚴謹，電池更換過程可能造成一系列問題，一般確定電池的品種后，不對電池進行多次更換。該單元的電池設計采用了可以循環(huán)使用，并且用戶可以自行充電的鋰聚合物電池，該電池作為電源應嚴格避免使用過程中出現(xiàn)的充電過久或使用時間過長造成的用電虧損等問題，這樣的問題會造成電池性能損害嚴重，市面上購買的電池并不符合標準，使用過程中應注意保護電路。

3.2 外接控制機構(gòu)的設計與開發(fā)

外接控制機構(gòu)主要利用綜合實訓平臺的控制面板，對數(shù)據(jù)信息進行控制，運行系統(tǒng)之前計算出標準數(shù)值，待傳感器節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)信息得出結(jié)果時，將結(jié)果與事先計算好的標準值進行對比，若結(jié)果不超過閾值即可執(zhí)行操作，反之需要重新判斷，其輸出結(jié)果主要分為2種類型，分別是數(shù)字量輸出以及模擬量輸出。結(jié)果出現(xiàn)后，操作者只需要根據(jù)數(shù)據(jù)顯示的案例應用情況，以及外接的設備即可完成控制機構(gòu)[6]。

3.3 綜合平臺的集成

數(shù)據(jù)的集成主要是綜合平臺實際應用過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，將結(jié)果整理成表格，稱之為數(shù)據(jù)表，在通過數(shù)據(jù)庫技術(shù)，將采集的數(shù)據(jù)儲存于系統(tǒng)專屬的數(shù)據(jù)庫，再利用SQL技術(shù)對其進行編寫，設置數(shù)據(jù)查詢、分析等基礎功能，為系統(tǒng)提供便捷接口，采集成功的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中設置的標準值比較，完成智能化操作。

4 物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺的軟件設計與開發(fā)

物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺的軟件設計主要將系統(tǒng)分為3個部分，分別是傳感層、傳輸層、應用層。通過物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺的建立，有效提高了教育事業(yè)的長遠發(fā)展，并且物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺的建立可以重復利用，提高利用率的同時，可以將物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺作為物聯(lián)網(wǎng)技能大賽的設備之一，為學生技能的提高打下堅實基礎。除此之外，該平臺的多種優(yōu)勢為學生提供了良好的創(chuàng)新平臺，學生可以利用物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺完善自身發(fā)展[7]。

4.1 傳感層軟件

傳感層軟件的實現(xiàn)主要利用協(xié)調(diào)器與傳感節(jié)點共同配合，并基于Z-Stack協(xié)議棧的基礎上進行開發(fā)，Z-Stack協(xié)議棧實際上指的是輪詢式操作系統(tǒng)中的一部分，通過將Z-Stack協(xié)議棧應用于傳感層軟件中，可以有效實現(xiàn)硬件與軟件中的協(xié)調(diào)工作。Z-Stack協(xié)議棧中的main函數(shù)存在于Zmain中，主要負責對物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺的軟件系統(tǒng)進行初始化，除此之外，還需要負責物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺的軟件系統(tǒng)的實體操作。通常情況下Z-Stack協(xié)議棧無需更改函數(shù)，而Z-Stack協(xié)議棧為保證各層次之間的任務完成度，從MAC層編寫至ZigBee設備應用層，有效實現(xiàn)各層次之間的相互協(xié)調(diào)。傳感器節(jié)點的作用主要是對ZigBee協(xié)議棧進行初始化，并通過掃描功能尋找協(xié)調(diào)器節(jié)點，當傳感器節(jié)點檢測到協(xié)調(diào)器節(jié)點中特有的超幀信號時，首先應對其發(fā)送建聯(lián)要求，請求成功后應立即進行綁定，從中獲取協(xié)調(diào)器的標識，通過網(wǎng)絡的引用，可以實現(xiàn)二者之間相互通信。傳感層軟件為保證監(jiān)控實驗的順利進行，將傳感層實驗分為2部分，分別是傳感器信號的采集以及ZigBee組網(wǎng)實驗。其中，傳感器信號的采集屬于傳感器實驗的基礎部分，而ZigBee組網(wǎng)實驗在傳感器實驗中的占比較高，屬于高級實驗。

4.2 傳輸層軟件

傳輸層在物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺的軟件設計與開發(fā)中至關(guān)重要，主要負責承擔嵌入式實驗系統(tǒng)和嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)。其中，嵌入式實驗系統(tǒng)又將自身分為2部分，分別是基礎實驗以及高級實驗。嵌入式實驗系統(tǒng)在傳輸層軟件主要負責探索原理并加強優(yōu)化，其中基礎實驗部分以及高級實驗部分所包含的內(nèi)容有利于傳輸層軟件的深度開發(fā)。嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡對程序進行編寫，對于網(wǎng)絡的選取十分嚴謹，大致分為2種類型，分別是以太網(wǎng)和網(wǎng)線局域網(wǎng)，通過通信串口可將網(wǎng)絡嵌入至程序之中[8]。

4.3 應用層軟件

物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺的軟件設計與開發(fā)中除了傳感層、傳輸層，還包含了應用層，該部分主要由界面設計以及中間件程序設計組成，可以用于項目數(shù)據(jù)處理、管理層控制等方面。物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺的項目軟件主要包括模擬智能安防、環(huán)境監(jiān)測等綜合程序。該部分主要以智能安防為例闡述物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺的軟件設計與開發(fā)的方法。智能安防將系統(tǒng)分為三層結(jié)構(gòu)，其中最為主要的底層結(jié)構(gòu)由3個傳感節(jié)點組成，并將3個傳感節(jié)點通過串行接口與ZigBee協(xié)議棧建立連接，連接完成后，通過UDP協(xié)議的方式將數(shù)據(jù)信息進行上傳，而數(shù)據(jù)包經(jīng)過ZigBee協(xié)議棧傳輸后，將數(shù)據(jù)上傳方式轉(zhuǎn)換為TCP協(xié)議，以此實現(xiàn)遠程監(jiān)控。嵌入式程序流程圖如圖3所示。從圖3中可以看出數(shù)據(jù)信息的高速傳輸為關(guān)鍵性問題，通常數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?nèi)容以圖片的形式展現(xiàn)，為提高數(shù)據(jù)信息的傳輸速度，將采取UDP協(xié)議，并通過聯(lián)通WCDMA 3G網(wǎng)絡，將以圖片的形式展現(xiàn)的數(shù)據(jù)信息形成.jpg格式，經(jīng)系統(tǒng)優(yōu)化，最終的分辨率為320×240像素，速度為10幀/s。

圖3 嵌入式程序流程圖

5 物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺實際應用

5.1 物聯(lián)網(wǎng)仿真實驗平臺介紹

該實驗平臺主要以物聯(lián)網(wǎng)為基礎，以軟件的方式模擬各種感知設備，通過拓撲的方式完成自由組合，它的系統(tǒng)設備包含了許多面板，每個面板都有自己各自的功能，例如控制面板主要用于新建文件、編輯文件、打印仿真文件等控制行為，操作者可以輕松操作該系統(tǒng)；功能面板有著不同于其他面板的功能，它可以通過模擬傳感器進行數(shù)據(jù)模擬實驗等，操作者只需要將功能面板設置上報線路即可完成操作；消息面板的作用主要是查看數(shù)據(jù)，方便操作者及時觀察數(shù)據(jù)的變化，物聯(lián)網(wǎng)仿真實訓平臺示意圖如圖4所示。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)仿真實訓平臺示意圖

5.2 物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺在項目教學中的運用

為了證實物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓教學平臺的有效性，以項目教學為例，通過物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺的運用提高項目教學質(zhì)量，完善項目教學內(nèi)容，項目實訓開始前將制定實訓管理的規(guī)范法則，其內(nèi)容主要包括實訓管理模式、實訓紀律以及制度、考核、評定方式等。為保證物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺在項目教學中的順利運用，特將物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓的教學過程分為3個階段，分別是準備階段、實訓執(zhí)行階段以及總結(jié)驗收階段[9]。如表1所示。

表1 物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓教學平臺在項目教學中的實際運用

(1)準備階段通常在物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓教學開始之前進行，并詳細講解物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓教學的展開方式，通過物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺為學生解釋每個項目的實現(xiàn)過程以及自身所具備的優(yōu)勢等；主要培訓內(nèi)容包括物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式應用系統(tǒng)主要特征的分析，強調(diào)無線傳感器網(wǎng)絡開發(fā)的主要方法等。

(2)實訓執(zhí)行階段屬于物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓教學中最重要的部分，該階段可以直觀的體現(xiàn)出物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓教學的優(yōu)勢，有利于學生在氣氛良好的環(huán)境下開展學習，在學習過程中遇到難題，指導教師可以及時幫助學生解決，有效推進項目教學的開發(fā)；通過師生之間的相互交流來獲取相關(guān)知識，幫助學生掌握相關(guān)技術(shù)細節(jié)。

(3)總結(jié)驗收階段通常在物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓教學的最后階段展開，該階段學生需要將所學習的內(nèi)容進行整理，并將整理的結(jié)果以實訓報告的形式提交，指導教師可以根據(jù)學生的出勤等表現(xiàn)形成考核成績，通過指導教師組給出成績的結(jié)果定為該學生的總評成績[10]。

6 總結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓教學平臺的建立，可以更加完美地解決傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓課程教學過程所遇到的種種問題。學生們從本文中可以更加了解物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓課程可以應用于哪些領域、物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓課程的架構(gòu)是如何設計以及物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺的各種設計，從這些方面學生可以對物聯(lián)網(wǎng)更加感興趣，從而提高授課的效率以及質(zhì)量。

綜上所述，基于該物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓平臺，也可以設計多種多樣的物聯(lián)網(wǎng)方面的項目，比如智能家居實驗教學系統(tǒng)便可以根據(jù)仿真實訓平臺進行設計。從物聯(lián)網(wǎng)的多方面應用吸引物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學生濃厚的學習興趣，在完成學校建設的同時，還可以提高學生的實際操作能力，并且提升學生的就業(yè)率，該物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓教學平臺仿真研究就有一定的教學價值。