物联网虚拟仿真技术在高职物联网实践教学中的应用

2019-01-23谭方勇刘昭斌

计算机教育 2019年1期

谭方勇，刘昭斌

（苏州市职业大学计算机工程学院，江苏苏州 215104）

0 引言

随着物联网技术的飞速发展，各种物联网应用也在我国的各个行业中不断普及，整个社会对物联网应用技术人才的需求迫切，这就需要高等职业院校培养更多的物联网应用技术高技术技能型人才来满足社会的需求[1]。物联网技术具有跨学科和跨行业的特性[2]，这对专业的实践教学提出了更高的要求，需要投入较多的实验设备和场地来满足不同的教学需求。物联网虚拟仿真平台因为其实验资源丰富、建设成本低[3]、能转变学生的学习方式、能培养学生的创新创业能力等优点[4-6]，而越来越受到各学高等院校的欢迎。

1 物联网课程实践环节现状分析

1.1 传统的物联网实践环境分析

物联网技术按照层次一般分成三层结构，即感知层、网络传输层和应用层。当前很多高职院校的物联网应用技术专业的课程设置也都按照这三层架构来进行设计。感知层的主要课程有RFID技术及传感器技术相关课程，网络传输层的主要课程有无线数据通信技术及网络互联技术相关课程，应用层主要有典型物联网应用的设计与开发相关课程。每个层次的课程都需要有相应的实验环节与之相对应，既需要不同种类的单个感知层设备，又要不同物联网应用的整体应用设备；既需要底层的嵌入式应用编程设备，又要上位机的应用开发设备；既要有无线通信的设备，又要有有线互联的设备。这些都对物联网应用技术专业的实验室建设提出了很高的要求。

物联网实验箱、实训平台是当前很多高职院校所采用的实验设备，它们把各种技术都融合到实验箱或实训平台当中，目的是为了更方便地进行实验操作，但是该实验教学环节存在着如下弊端。

（1）各种设备集成到一个实验箱或实训平台，实验操作方便了，也便于设备的管理，但实验的灵活性较差，也不具备创新性，学生只能按照固有模式进行实验。

（2）物联网的设备基本都是电子元器件，如果学生实验操作不正规，很容易造成元器件损坏，影响正常的实验教学。

（3）虽然直接操作物理设备，直观印象较深，但是学生对底层的通信原理与数据并不能直观地感受，因此，对知识的理解会有较多的延迟。

（4）物联网设备多、种类各异且容易损坏，因此物联网实验室的维护相对其他实验室来说难度较大。

1.2 物联网虚拟仿真软件的应用趋势

物联网虚拟仿真软件的出现可以弥补上述真实物联网教学环境中的不足，能仿真外部环境参数设置和各种条件[7]，组建大型的物联网应用场景，方便学生课后进行自主实验等，这些都有利于学生的创新思维的开拓和创新能力的培养。

《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》以及《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》文件中都要求高等院校将信息技术与高等教育进行深度融合，对人才培养模式进行创新，要求人才培养模式从知识技能型向应用创新型转变，注重学生实践能力和创新能力的培养。而虚拟仿真技术及其相关软件平台将物联网技术、信息技术以及高等教育进行了有机的融合，为人才培养模式的创新提供了有力的保障。

2 物联网虚拟仿真实验平台的体系架构

结合物联网应用技术专业的课程实验内容，依托可视化物联网虚拟仿真软件构建的物联网虚拟仿真实验平台的体系架构，如图1所示。该体系结构按照物联网的3个层次来对专业课程的实验进行划分，在感知层主要设置了RFID认知实验、传感器认知实验、RFID基础仿真实验、WSN基础仿真实验；在网络传输层主要设置了WSN组网仿真实验、RFID通信仿真实验、网络接入仿真实验和串口通信仿真实验；在应用层主要设置了物联网的典型应用仿真实验，如智能家居仿真实验、智慧农业仿真实验、智慧

上层仿真实验、智慧图书仿真实验等，贯穿在整个体系结构中的还有物联网应用创新实验以及与虚拟平台融合的物理平台应用开发实验等。

物联网虚拟仿真实验平台的物联网仿真实验共分为六大类，分别是物联网设备认知实验、物联网应用系统认知实验、物联网设备基本原理仿真实验、物联网接口开发仿真实验、物联网应用开发仿真实验、物联网应用创新实验。仿真平台的详细实验平台有物联网虚拟仿真实验平台、物联网基础实验系统、物联网应用开发教学实验系统、智慧农业3D虚拟仿真实验教学系统、智能家居虚拟仿真实验教学系统、智慧商城、物联网应用开发平台、智能农业沙盘、智能交通沙盘、智能家居管理系统、智能门禁管理系统以及智能图书3D虚拟仿真实验教学系统等。

该仿真平台中，物联网虚拟仿真实验平台是核心的仿真操作平台，其他系统的仿真都依靠该平台进行仿真实验。其中，基础实验系统中可以完成物联网中RFID、传感器等基本技能实验；物联网应用开发教学实验系统中可以依靠虚拟仿真实验平台完成基于Android、C#、Java的上层物联网应用系统的开发，智慧农业、智能家居、智慧图书3D虚拟仿真实验教学系统、智慧商城等模块搭建了典型的物联网综合应用系统的实践环境，可以帮助学生体验实际物联网的应用场景。

3 基于物联网虚拟仿真技术的实践教学设计

3.1 渐进式实践教学设计

物联网虚拟仿真实验平台的实验教学设计理念是：由易到难、由简到繁再到创新的设计理念，让学生通过仿真平台进行渐进式的学习。仿真实验分为4个阶段。

图1 物联网虚拟仿真实验平台体系结构

（1）认知性实验。本阶段为认知阶段，通过仿真平台中种类丰富且仿真的物联网设备、元器件、物联网应用的仿真沙盘、3D仿真环境等实验内容，让学生对物联网及其相关的设备和应用有一个较为感性的认识。

（2）验证性实验。本阶段通过仿真平台设计的单项技术技能训练来提升学生对物联网常见的技术和技能的掌握，如RFID技术、WSN技术、物联网编程技术等。学生可以进入物联网虚拟仿真实验平台，选择对应的RFID设备组件、传感器组件搭建虚拟的物联网实验环境，并可以利用其自带的测试工具测试设备的运行情况，验证通信的基本过程。

（3）设计性实验。在本阶段学生将利用仿真平台搭建物联网小型应用场景的便利性，根据实验任务要求在仿真平台中搭建应用环境，并可以参考其中的实验指导和例程，在真实的编程开发环境中来对自己搭建的设备进行开发，获取数据或控制仿真设备。

（4）创新性实验。本阶段主要是为感兴趣并且学有余力的同学设计的，学生通过仿真平台提供的典型行业的物联网应用系统进行物联网设备的调整、物联网应用程序的二次开发等，并可以进行虚拟环境和真实环境的联动，通过真实环境的应用程序来控制仿真平台中的虚拟设备。

3.2 实验教学趣味性设计

物联网技术涉及的知识面较广、技术原理难、设备操作相对复杂，学习的难度较高。为了提升学生的学习兴趣，在课程及实验的设计上引入了趣味性实验项目，通过一些有趣且又显性的实验提高学生学习的积极性，如WSN实验，通过仿真系统中模拟温湿度、光照的参数的变化，通过测试程序向继电器发送指令控制风扇或电灯的开关等操作，如图2所示。

3D仿真的综合实验室系统可以动态、实时地显示物联网应用的状态变化，并可以进行相应的操作和控制，如图3所示，让学生有身临其境的效果，提升其学习的兴趣。

3.3 综合项目仿真及创新实验设计

将物联网综合实训项目如智能仓储管理系统分成物联网设备集成、C#上位机开发、Android移动端开发3个模块，学生以项目团队方式分工合作完成该项目的实验，负责系统集成的成员在仿真平台中根据项目需求，选择需要的阅读器类型、电源以及标签的类型，进行串口、电源等线缆的连接，满足智能仓库管理系统的硬件需求，并测试设备的连通性和可用性。软件设计部分分为上位机和手持端。负责上位机开发的成员负责设计数据库系统，并选择C#开发工具完成智能仓储管理系统的上位机程序与仿真平台的通信程序开发、界面设计、出入库等系统功能设计。负责手持端开发的成员在Android开发平台完成手持端程序的界面设计、物品查询、统计等功能设计。最终，项目组在PC和手持端上分别进行系统的功能测试，也可以将系统移植到真实的物联网设备环境下进行测试，从而实现综合项目训练的要求。