“物聯網智慧農業”虛擬仿真教學綜合實訓設計

金強山　馮光　李改鋒

摘? 要： 針對西部院校物聯網專業實訓環節教學資源不足、教學內容與實際生活脫節等問題，利用虛擬仿真提升實驗實訓教學效果。綜合實訓緊緊圍繞物聯網核心技術三個層次（感知層、傳輸層、應用層）展開，利用實訓仿真平臺，實現了對溫室蔬菜大棚內數據的監測與預警，最終編寫上位機程序獲取顯示各項數據，繪制數據曲線觀察數據動態變化趨勢。實踐結果表明，此綜合設計案例提升了學生對物聯網系統的設計與綜合實踐能力，激發了學生學習的積極性。

關鍵詞： 物聯網; 智慧農業; 虛擬仿真; 綜合實訓

中圖分類號：TP311.01? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2022）04-21-03

Comprehensive training design of virtual simulation teaching for

"Internet of things intelligent agriculture"

Jin Qiangshan， Feng Guang， Li Gaifeng

（Xinjiang Institute of Technology， Information Engineering Department， Aksu， Xinjiang 843000， China）

Abstract： In western colleges and universities， there are problems such as insufficient teaching resources and disconnection between teaching content and real life in the practical training of Internet of Things. The use of virtual simulation can improve the teaching effect of practical training. The experiment only focuses on the three levels （perception layer， transmission layer and application layer） of the core technology of the Internet of things. Using the "Internet of things industry training simulation" platform， the monitoring and early warning of the data in the vegetable greenhouse are realized. The host computer program is compiled to display the data， draw the curve and observe the dynamic change trend. The practical results show that through this comprehensive design case， the students' ability of analysis， design and comprehensive practice of the Internet of things system is improved， and their enthusiasm for learning is stimulated.

Key words： Internet of things; intelligent agriculture; virtual simulation; comprehensive training

0 引言

物聯網作為一門新型交叉學科，涉及通信技術、傳感技術、網絡技術等，被認為是信息時代的第三次浪潮[1]。物聯網專業實踐教學體系中，綜合實訓是實現人才培養目標、提升學生綜合實踐能力的重要環節。傳統物聯網實訓環節存在一些不足，如實驗教學內容過于陳舊，與實際生活脫節;綜合性實驗較少，不能融合多學科知識;實驗內容多為驗證性實驗，學生積極性不高[2]。對于西部地區應用型本科院校來講，實驗室建設經費不足，實驗教學資源不充裕，教學效果不理想;為了能夠滿足實踐教學的需求，虛擬仿真系統逐漸成為教師關注的熱點。

因此，將虛擬仿真系統引入綜合實訓課程，不僅有效緩解實驗教學資源匱乏的問題，而且仿真系統逼真的實驗環境有效的還原真實的實驗情境，提升學生學習的積極性。

1 物聯網綜合實訓

物聯網實踐教學體系主要包括基礎實踐教學、綜合實訓、創新實踐教學三部分，其中綜合實訓指學生能夠利用學過的物聯網基礎知識，完成簡單的物聯網項目，提升學生對知識的綜合應用能力，同時既是基礎實踐教學的延伸，也是創新實踐教學的開端。綜合實訓（如圖1所示）要僅僅圍繞物聯網技術的三個層次結構，包括感知層、傳輸層、應用層[3]。要求學生掌握物聯網三個層次結構的關鍵技術、數據通信協議，能夠完成一些綜合性設計項目，如智慧農業、智能交通、智能家居、物聯網移動綜合互連等。

2 虛擬仿真實驗

實驗教學是提升學生實踐能力、培養學生創新能力的重要載體，利用虛擬仿真技術可以拓展實驗教學內容的廣度和深度，延伸實驗教學的時間和空間，提升課程實驗教學的質量和水平[4]。虛擬仿真實驗具有以下幾點優勢：①虛擬仿真實驗可以真實呈現常規實驗不易觀察的現象與結果，縮短實驗周期，克服空間與場所的局限[5];②虛擬仿真實驗高標準的仿真度，給學生以沉浸感，克服了實際教學資源不足的困難，降低了教學成本[6];③虛擬仿真實驗使實驗教學更靈活，突顯了“以學生為中心”的理念，激發了學生學習的積極性[7]。虛擬仿真實驗提升了學生的創新能力、信息化應用能力及綜合素質，在物聯網專業應用型人才培養中具有較強的優勢。38FEC368-C650-4D42-ADE6-5F0FBCBF81DF

3 “物聯網智慧農業”虛擬仿真綜合實訓設計

在Windows操作系統下，利用“物聯網行業實訓仿真”平臺完成“物聯網智慧農業”綜合實訓案例，采集溫室蔬菜大棚中溫度、濕度、二氧化碳、光照、土壤溫度與濕度等數據，并能夠對數據進行采集與呈現。

3.1 實驗目的與要求

實驗目的：①能夠對簡單的物聯網系統進行分析、設計;②能夠熟練使用常用的傳感器設備;③能夠熟練掌握相關的通信協議與設備并進行組網;④能夠編寫簡單的上位機程序對獲取到的數據進行呈現。

實驗任務要求：設計簡單的物聯網系統，完成對溫室蔬菜大棚中溫度、濕度、二氧化碳、光照、土壤溫度和濕度等數據的采集;如果某一項數據的值脫離標準范圍，警報燈點亮;上位機程序能實時顯示傳感器采集的數據。

3.2 實驗環境

實驗所使用計算機為Inter（R）Core（TM）i5-4590、3.3GHz、4GB內存、Win7操作系統，使用“物聯網行業實訓仿真”平臺、USR-VCOM虛擬串口、JDK1.8、Eclipse 4.7.2開發環境。

3.3 實驗方法和步驟

⑴ 設計“物聯網智慧農業”監測系統，重點考核學生I/O模塊組網、相關傳感器設備互聯互通、常用傳感器功能等知識點，一種設計方案如圖2所示。

⑵ 在“物聯網行業實訓仿真”平臺中，打開“測試連線”和“模擬實驗”檢測傳感器之間連線是否正確。若出現錯誤連線，平臺將進行提示;可通過消息面板查看各傳感器獲取數據是否正常。

⑶ 基于Eclipse編寫上位機程序，獲取傳感器數據，使其顯示在界面中。本環節重點考查學生獲取傳感器數據，利用Java面向對象基礎知識，如圖形用戶界面的編寫、事件監聽、內部類的使用等;若對代碼規范有更高的要求，可引入“觀察者設計模式”，提升代碼復用，優化代碼結構，如圖3所示。

⑷ 在仿真實驗平臺中，打開“模擬實驗”，運行上位機程序，檢測上位機程序是否能夠正確獲取數據，上位機正確運行界面如圖4所示。

⑸ 對傳感器獲取到的數據（如溫濕度、二氧化碳、光照、土壤溫度與濕度等）進行繪圖，觀察數據的動態變化及趨勢。

4 教學實施與評價

“物聯網智慧農業”虛擬仿真綜合實訓為期兩周，學生三人一組，小組內自主協調分工，共同完成綜合實訓內容。考評主要以現場答辯和實驗報告兩項，分值各占50%。學生需要匯報“物聯網智慧農業”系統設計的思路，選取傳感器，組建傳感器網絡，系統連線測試，及上位機的編寫等，思路要清晰，可以展示小組系統的特色與亮點，提升學生對物聯網三個層次核心技術的進一步認識。

5 總結

通過“物聯網智慧農業”虛擬仿真綜合實訓，學生利用“物聯網行業實訓仿真”平臺，掌握了物聯網感知層、傳輸層、應用層三個層次的核心技術，一方面發揮了虛擬仿真實驗的優勢，解決了實際教學資源不足的困難;另一方面突破了時間和空間的限制，學生可以反復實踐訓練，提升了學生需求分析、系統設計、團隊協作及動手實踐能力，最終取得了良好的教學效果。

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