物 联 网 虚 拟 仿 真 实 验 教 学 平 台——网络和嵌入式网关层

陈建锋， 罗家兵， 黄福春

(广州大学 华软软件学院，广州 510990)

0 引 言

物联网是利用局部网或互联网等通信技术把传感器、控制器、机器、人和物等通过新的方式联在一起，实现信息化、远程管理控制和智能化的网络[1]。物联网被称为是继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第3次浪潮，它要解决的是人与物、物与物的互联问题[2]，国家已将其视为战略性新兴产业。基于物联网专业人才培养的需求，本文研究OPNET、SoftRadio、Qemu、Proteus、Docker等软件，搭建了综合物联网虚拟仿真实验教学平台，贯穿物联网的感知层、网络层、应用层，如图1所示。本文介绍物联网的网络和嵌入式网关层等课程的虚拟仿真实验教学平台的构建和运用情况，重点介绍计算机网络、无线网络、嵌入式物联网网关(Cortex-A9、Raspberry Pi)等课程在该平台上可以开展的基础性实验和综合性实验的虚拟仿真教学，相关课程重点设计了串口通信编程、网络通信编程和数据库编程的综合性实验，能帮助学生更好地解决物联网应用系统设计与实现的“通”(实时通信)、“存”(数据存储)、“用”(数据应用)等问题。该平台既方便教师将综合的物联网实验项目带进课堂，在课堂上利用虚拟实验平台进行现场操作和演示，使理论知识的教学更加形象、生动，也解决了实验学时不能满足学生实验的难题，使物联网工程专业相关实验课程的学习不再局限于理论课堂和实验室，在教学时间和空间上拓展了学生对物联网工程专业相关实验课程的学习范围[3-4]，为物联网工程的网络层和嵌入式网关层课程的实验教学的开展提供较好的支持。

1 OPNET网络仿真平台

OPNET是一个网络仿真技术软件包，它能够准确地分析复杂网络的性能和行为，在网络模型中的任意位置都可以插入标准的或用户指定的探头，以采集数据和进行统计。通过探头得到的仿真输出可以以图形化显示、数字方式观察，或者输出到第3方的软件包去[5-6]。在计算机网络教学中，仿真实现了简单容量规划、HTTP性能、采用RIP进行路由、采用OSPF进行路由、无线通信等基础性实验和IP编址和网络地址转换、传感器网络、ZigBee协议等综合性实验[7-8]。详细的计算机网络仿真实验项目的名称和实验项目涉及的相关内容，见表1。图2是传感器网络仿真综合性实验的运行情况。

图1 综合物联网虚拟仿真实验教学平台

表1 计算机网络仿真实验项目

图2 传感器网络仿真实验

2 SoftRadio模拟NB-IOT

SoftRadio是一款PC软件，在测试场景下，使用者在不需要芯片/模组、NB-IOT基站和核心网的情况下，借助PC端的SoftRadio软件，任何时候都可通过互联网连接到IOT平台和APP应用，用于NB-IOT设备和APP Server基本功能调试，提升调试效率[9]。图3为SoftRadio模拟NB-IOT的情况。

Device:NB-IOT终端(如智能水表、气表等)通过空口连接到eNodeB。SoftRadio:在测试场景中模拟NB-IOT芯片与模组、屏蔽无线空口的软件。eNodeB:主要承担空口接入处理和小区管理等相关功能，通过S1-lite接口与IOT核心网进行连接，将非接入层数据转发给高层网元处理。IOT核心网:承担与终端非接入层交互的功能，将IOT业务相关数据转发到IOT平台进行处理。IOT管理平台:IOT联接管理平台汇聚从各种接入网得到的IOT数据，根据不同类型转发至相应的业务应用进行处理[10]。图4是SoftRadio运行界面，表2为SoftRadio模拟NB-IOT的AT指令。

图3 SoftRadio 模拟NB-IOT

图4 SoftRadio运行界面

表2 SoftRadio模拟NB-IOT的AT指令

3 QEMU虚拟仿真平台

QEMU是一款通用开源模拟器及虚拟机监管器。QEMU主要提供两种功能给用户使用。一是作为用户态模拟器，利用动态代码翻译机制来执行不同于主机架构的代码;二是作为虚拟机监管器，模拟全系统，利用其VMM(Xen、KVM)来使用硬件提供的虚拟化支持，创建接近于主机性能的虚拟机。

3.1 QEMU实现ARM(Cortex A9)平台仿真

QEMU可以模拟IA-32(x86)个人电脑，AMD64个人电脑，MIPS R4000，ARM v6,v7(Cortex-A8,A9，A15)等架构[10]。Debian完全支持移植到little-endian ARM的3种类型的硬件：ARM EABI(armel)、硬浮点ABI ARM(armhf)、64位ARM(arm 64)。本文的“物联网虚拟仿真实验教学平台”借助QEMU和Debian实现Cortex-A9平台的虚拟仿真实验教学，在嵌入式物联网网关(Cortex-A9)的教学中，设计了文件IO、串口通信、多线程、数据库和网络通信编程等基础性实验和数码相框实验、串口调试助手、环境监测综合系统等综合性实验[11-12]。详细的嵌入式物联网网关(Cortex-A9)仿真实验项目的名称和实验项目涉及的相关内容，见表3。图5是串口调试助手综合性实验的仿真运行情况。ARM镜像下载网站(https://people.debian.org/～aurel32/qemu/)。

表3 嵌入式网关(Cortex- A9)仿真实验项目

3.2 QEMU实现树莓派平台仿真

树莓派(Raspberry Pi)是为学习计算机编程教育而设计，只有信用卡大小的微型电脑[13]。本文的“物联网虚拟仿真实验教学平台”，借助QEMU和Debian实现树莓派平台的虚拟仿真实验教学，在嵌入式物联网网关(Raspberry Pi)的教学中结合目前比较流行的Python编程语言，设计了多线程,GUI、串口通信、数据库和网络通信编程等基础性实验和串口调试助手、MQTT协议测试工具、环境监测综合系统等综合性实验[14-15]。嵌入式物联网网关(Raspberry Pi)仿真实验项目的名称和实验项目涉及的相关内容，见表4。图6是MQTT协议测试工具综合性实验的仿真运行情况。树莓派镜像文件下载网站(http://downloads.raspberrypi.org/raspbian/images/)。

图6 MQTT协议测试工具实验

表4 嵌入式网关(Raspberry Pi)仿真实验项目

4 结 语

综合利用OPNET、SoftRadio、Qemu、Proteus、Docker等软件，完成搭建物联网虚拟仿真综合实验教学平台，实现感知层、网络层、嵌入式网关层和应用层课程的仿真。介绍了物联网中网络层和嵌入式网关层的计算机网络、无线网络、嵌入式物联网网关(Cortex-A9、Raspberry Pi)等课程的基础性和综合性实验项目的仿真教学设计，虚拟仿真实验教学平台为物联网络和嵌入式网关层的课程实验教学的开展提供较好的支持。实践证明，通过这些实验项目的虚拟仿真，能让学生更好地掌握串口通信、网络通信和数据库编程等专业知识，较好地解决物联网应用系统设计与实现的“通、存、用”等问题。