基于Packet Tracer的物聯網實訓仿真平臺開發

摘要：構建以思科（Cisco）公司的Packet Tracer軟件為依托的物聯網實訓教學仿真平臺，旨在將計算機網絡專業的知識與技能串聯起來，完成一個典型的、較復雜的、接近企業級物聯網項目的設計與研發，根據崗位能力目標要求，采用基于實際應用的典型物聯網工程項目，根據學生的認知能力和技能水平，按照教學需要進行適當重構后在仿真平臺予以部署和實現，采用“項目引領，任務驅動”的教學方法，將仿真項目分解為若干個工作任務，每個任務圍繞教學目標各有側重，涵蓋相應知識要點，按照由淺入深、循序漸進的教學規律，融“教、學、做”于一體，以達到強化學生動手操作能力、培養學生工程項目意識，具備物聯網項目實施和運維等工程應用能力的目的。

關鍵詞：Packet Tracer；物聯網；實訓仿真平臺；實訓項目

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.01.023

中圖分類號：TP 393.1 文獻標志碼：A 文章編碼：1672-7274（2025）01-00-04

Development of IoT Training and Simulation Platform Based on Packet Tracer

WU Weiwei， LI Qingping

（Zhejiang Yuying Vocational and Technical College， Hangzhou 310018， China）

Abstract： The IoT training and teaching simulation platform is based on Cisco's Packet Tracer software， aiming to connect the knowledge and skills of computer networking majors to complete the design and development of a typical， complex， and enterprise level IoT project. According to the requirements of job competency goals， a typical IoT engineering project based on practical applications is adopted. Based on students' cognitive abilities and skill levels， it is appropriately reconstructed according to teaching needs and deployed and implemented on the simulation platform. The \"project led， task driven\" teaching method is adopted to decompose the simulation project into several work tasks， each task has its own focus around teaching objectives， covers corresponding knowledge points， and follows the teaching law of \"teaching from shallow to deep， gradually integrating\" teaching， Integrating learning and doing， To enhance students' hands-on skills， cultivate their awareness of engineering projects， and equip them with engineering application abilities such as IoT project implementation and operation.

Keywords： packet tracer; internet of things; training simulation platform; training program

2005年11月17日，在突尼斯舉行的信息社會世界峰會（WSIS）上，國際電信聯盟（ITU）發布《ITU互聯網報告2005：物聯網》，引入了物聯網的概念，之后世界各國紛紛掀起了發展物聯網的熱潮。全球知名企業增長咨詢公司Frostamp;Sullivan（弗若斯特沙利文公司）的研究報告提出了物聯網的八大發展趨勢：物聯網將演變為認知工具；認知技術成為新的智慧；物聯網平臺商品化；無人機運輸成真；物聯網是國家網絡安全的危機；智能汽車和智能家居的融合實現；爭取競爭優勢的AI助理；云端運算普及化。

鑒于物聯網產業的廣闊發展前景及物聯網在未來經濟發展中的戰略地位，我國多次從國家戰略的高度對物聯網的發展進行了一系列規劃部署。“十二五”規劃在第三部分“轉型升級提高產業核心競爭力”中提出，要全面提高我國信息化水平，加快建設寬帶、融合、安全、泛在的下一代國家信息基礎設施，推動信息化和工業化深度融合，推進經濟社會各領域信息化。根據“十二五”規劃的安排，各省市也積極采取措施推進物聯網產業發展，其中無錫提出建成物聯網標準體系和專利池，北京推動物聯網應用實踐，廣州重點推進“智慧廣州”建設，上海推進物聯網產業自主發展，杭州提出物聯網產值1 000億元發展目標。

教育部于2010年將物聯網確認為新一批的大學專業，當前開設物聯網相關專業的本科院校已經超過700所，物聯網專業在校生人數超過70萬人。盡管社會和高校對于物聯網教育有著較大的熱情，但作為新興專業，在物聯網教學過程中仍然存在一些問題[1]，其中在實訓教學環節主要體現如下。一是缺乏專業綜合實訓項目。大部分高校物聯網課程的實訓內容都是相互獨立設置的，缺乏綜合設計與實踐項目，使得學生對物聯網缺乏整體工程項目的意識，不利于綜合型人才的培養。二是綜合性實驗場所與設備短缺。物聯網綜合性實訓課程與活動要依托專門的物聯網綜合實驗室才能正常開展，然而大多數高校缺少綜合性的物聯網實驗開發平臺，難以開展綜合開發與設計項目的實訓教學活動，因此探索融入典型工程項目的物聯網綜合實訓教學對于提升學生的實踐能力，培養高端技能型物聯網專業人才具有一定的實際意義。

1 物聯網核心技術

物聯網的核心技術包括感知技術、網絡技術、通信技術、數據處理技術以及安全與隱私保護技術。這些技術相互依存、相互支撐，共同構成物聯網系統的基底，為實現物聯網系統的高效運行提供重要支持和保障。

感知技術作為物聯網系統的基礎，主要負責采集和感知環境中的各種信息。在感知技術中，傳感器是不可或缺的關鍵組成部分。傳感器可以實時監測環境中的溫度、濕度、氣壓等數據，并將這些數據轉化為數字信號，為物聯網系統提供數據支撐。

物聯網采用異質網絡結構，需要將各種不同的設備進行互聯，因此網絡技術是構建物聯網系統的關鍵。物聯網系統中的網絡技術主要包括無線傳感器網絡（WSN）、物聯網傳感器網絡（IoTSN）等，為物聯網系統的運行提供基礎。

通信技術是物聯網系統中設備之間進行信息傳遞的關鍵技術。在物聯網系統中，設備之間需要進行數據的傳輸和通信。通信技術主要包括無線通信技術和有線通信技術，無線通信技術可以實現設備之間的遠程通信，有線通信技術則可以提供更穩定和可靠的通信。

物聯網系統運行中會產生海量的數據，如何對這些數據進行有效處理和分析是物聯網系統設計中的一項重要任務。數據處理技術主要包括數據存儲技術、數據分析技術和數據挖掘技術等，對物聯網系統中的數據進行有效的管理和分析。

物聯網系統中涉及大量的敏感數據，如何保護數據的安全和隱私是物聯網系統設計中至關重要的一環。安全與隱私技術主要包括身份認證技術、加密技術和訪問控制技術等，可以有效地保護物聯網系統中的數據安全和用戶隱私，提高系統的可信度和可靠性。

2 Packet Tracer簡介

Packet Tracer是一款由思科公司開發的網絡仿真軟件，主要用于網絡教育和網絡實訓，可以模擬現實中的網絡設備和網絡環境，幫助用戶進行網絡實驗和教學，并提供實時的反饋和評估。Packet Tracer具有圖形化界面、操作簡單易學等特點，適合初學者和專業人士使用。

Packet Tracer的主要功能包括創建各種類型的網絡拓撲，配置網絡設備的參數，進行網絡通信和數據傳輸等，支持多種網絡協議和技術，包括以太網、無線網絡、LAN、WAN等。用戶可以通過拖曳、連接和配置設備來構建網絡拓撲，然后使用命令行界面或圖形界面來配置設備的各種參數。

除了網絡設備模擬功能，Packet Tracer還提供了豐富的實驗和實際應用場景，包括網絡安全、網絡管理和網絡設計等。用戶可以通過實驗模塊來學習各種網絡技術和概念，如路由器配置、網絡拓撲設計、網絡故障排除等。同時，Packet Tracer還支持實時調試和監測網絡，幫助用戶理解網絡運行原理和故障排查方法[2]。

在物聯網領域，Packet Tracer也扮演著重要的角色，可以模擬物聯網設備和傳感器，構建物聯網拓撲，進行物聯網通信和數據交互。用戶可以通過Packet Tracer來學習和實踐各種物聯網技術和應用，如物聯網安全、物聯網云平臺、物聯網數據分析等[3]。

3 實訓仿真平臺的需求分析

3.1 平臺設計目標

為了提高平臺的易用性和適應性，提供一系列模擬實驗和項目，以覆蓋物聯網領域的各個方面，如傳感器網絡、數據處理等，可以通過仿真實驗來幫助學生深入理解物聯網的相關知識和技術，并通過自主操作和實踐來鞏固所學內容。

為了滿足不同學習者的需求和不同實訓場景的要求，仿真平臺的各個功能模塊以及實驗項目的組織方式具有一定的靈活性和可定制性。學習者可以自由選擇不同的模塊進行學習，根據自身需求進行實驗項目的選取和定制。

為了提高學習者的實訓效果，通過仿真實驗，可以對物聯網的真實工作環境產生更加直觀和深入的了解，可以與平臺進行互動交流，并即時獲得反饋和評估結果，以便及時調整學習策略和提高學習效果。

在平臺開發過程中，注重代碼質量和系統設計的合理性，以確保平臺的高可靠性和高性能，同時對平臺進行定期的維護和升級，保證平臺的穩定運行和用戶體驗[4]。

3.2 功能需求分析

（1）網絡拓撲設計和配置。在實訓仿真平臺中，可以提供一個圖形化的界面，方便用戶進行網絡拓撲的設計和配置。用戶可以通過拖曳和連接不同類型的設備來構建一個完整的網絡環境。同時，還需要支持網絡設備的配置和管理，包括IP地址分配、路由配置、ACL、NAT配置等。

（2）設備模擬和交互。實訓仿真平臺需要提供真實設備的模擬和交互功能，使用戶能夠像在真實網絡環境中一樣進行實驗和操作。用戶可以登錄到設備的命令行界面，并執行各種命令和配置操作。同時還需要支持設備之間的通信，包括ping測試、文件傳輸等。

（3）故障診斷和調試。在實訓仿真平臺中，用戶可以模擬和排查各種故障場景，進行故障診斷和調試。平臺需要提供相應的故障模擬工具，用于模擬諸如網絡鏈路故障、設備故障等。用戶可以通過觀察和分析網絡狀態，以及使用ping、traceroute等命令來排查和定位故障[5]。

（4）實驗記錄和評估。實訓仿真平臺需要支持實驗記錄和評估功能。用戶可以記錄實驗過程中的操作和結果并保存為實驗報告，同時還需要提供評估工具，對用戶的操作和實驗結果進行評估和反饋。

（5）多用戶協作與共享。實訓仿真平臺可以支持多用戶協作和共享。多個用戶可以在同一網絡環境中進行實驗和操作，并實時觀察和交流。平臺需要提供相應的用戶管理和權限設置功能，以確保用戶之間的安全與隱私。

（6）教學資源和實驗案例。實訓仿真平臺需要提供豐富的教學資源和實驗案例，這些資源包括網絡教材、實驗指導、示例代碼等，用戶可以根據自己的需求選擇相應的資源，并進行學習和實驗。

3.3 系統性能需求

系統性能需求是指物聯網實訓仿真平臺在功能實現和穩定性方面的需求[6]。

（1）并發處理能力。實訓仿真平臺應具備良好的并發處理能力，能夠同時處理多個用戶的請求。在設計中，需要考慮用戶數量和操作頻率，合理安排系統資源，以確保系統能夠快速響應用戶的操作請求。

（2）響應時間。實訓仿真平臺需要保證在用戶操作時能夠以較快的速度給出響應。在設計中，需要優化系統的代碼邏輯，以提高響應時間。

（3）系統穩定性。實訓仿真平臺需要保證系統的穩定性，能夠長時間運行而不會出現斷連現象。在設計中，需要進行系統健壯性測試，發現并修復潛在的問題，以保證系統的穩定性。

（4）可擴展性。實訓仿真平臺需要具備較好的擴展性，能夠根據用戶需求和系統發展需求進行功能擴展和性能提升。在設計中，需要采用模塊化的架構和設計，方便對系統進行功能模塊的添加和修改。

4 實訓平臺的構建與內容安排

基于Packet Tracer的物聯網綜合實訓平臺如圖1所示，旨在訓練學生對物聯網工程項目綜合運用能力，進而提高學生實際動手能力與集成分析技能，按職業崗位要求，融入企業實際實施的“物聯網智能小區系統”項目[7]，圍繞物聯網項目解決方案、項目實施與管理展開，讓學生掌握常用感知設備、網絡設備及應用軟件的配置與使用方法，熟悉各個模塊，明確整體工程流程，強化實踐操作能力，具體實訓內容安排如表1所示。

5 結束語

為了培養學生具備物聯網的相關職業技能，工作后能切實解決實際問題，綜合實訓必須引入企業真實項目，但考慮到高職學生的認知能力和學習基礎，在實際教學中又必須進行適當改造，同時為了適應網絡技術的發展，還需要融入新的知識，如IPv6+物聯網技術或IPv4/IPv6過渡技術+物聯網技術等。另外，考慮到學校實訓條件的限制和節約設備投入成本，為了提高教學效率，行之有效的方法就是將企業項目仿真化，項目立足物聯網崗位技能需求，以職業崗位的工作任務為導向，以項目為載體，以培養工程項目意識為主線，引入企業真實項目，根據教學需要重新設計實訓內容并在仿真平臺予以部署和實現，既符合高職學生的認知能力，又能有效提高學生的綜合實踐能力，同時還能提高教學效率，節約投入成本，可以說是一舉多得。■

參考文獻

[1] 劉國梅．仿真教學在物聯網通信技術課程中的應用[J]．智能物聯技術，2023，6（1）：46-53．

[2] 羊冰．Packet Tracer在高中信息技術教學中的價值及實踐運用[J]．教育界，2022（36）：20-22．

[3] 楊澤明．Packet Tracert在IoT物聯網中的應用與實踐[J]．電腦知識與技術，2020，16（36）：8-9．

[4] 吳薇薇，李清平．IPv4/IPv6雙棧物聯網智能家居系統設計與仿真實現[J]．現代計算機，2023，29（9）：92-97．

[5] 舒展．基于Packet Tracer的智慧小區環境監測與報警系統設計[J]．九江職業技術學院學報，2022（3）：35-38．

[6] 陳水生．物聯網平臺項目集成教學設計研究[J]．發明與創新（職業教育），2021（1）：24，26．

[7] 李清平，吳薇薇，章新斌．基于IPv6的物聯網智能家居仿真部署與實現[J]．河北軟件職業技術學院學報，2021，23（1）：1-7．

基金項目：2024年浙江省大學生科技創新活動計劃暨新苗人才計劃（編號2024R463A003）。

作者簡介：吳薇薇（1989—），女，漢族，浙江湖州人，講師，實驗師，碩士，研究方向為計算機信息技術。

李清平（1969—），男，漢族，江西萍鄉人，教授，本科，研究方向為計算機網絡技術。