VR技术在物联网专业综合实训中的应用

钟石根 朱丽敏 张良杰

摘  要：对结合VR技术利用三维数字沙盘系统提高教学质量的方法进行了研究，报告了各高校物联网专业综合实训开展现状及存在的主要问题，进行了VR三维沙盘在物联网专业综合实训的应用及其优势的调查。VR技术为物联网专业综合实训提供更丰富的教学内容，创造更多不同的场景，不仅活跃了教学氛围，也促进了教学方式的改变，提高了实践教学质量和学生的学习效率。

关键词：VR技术;物联网专业;综合实训

Abstract：This paper studies how to improve teaching quality by using 3D digital sand table system in combination with VR technology，reports on the current situation and main problems of comprehensive practical training of IoT majors in various universities，and investigates the application and advantages of VR 3D sand table in comprehensive practical training of IoT majors. VR technology provides more abundant teaching content for the comprehensive practical training of internet of things majors and creates more different scenes，which not only enlivens the teaching atmosphere，but also promotes the change of teaching and learning methods，and improves the quality of practical teaching and the learning efficiency of students.

Keywords：VR technology;internet of things;comprehensive training

0  引  言

物联网（The Internet of Things，簡称IoT）指的是万物相连。从结构上把物联网分成三个层次，分别是感知层、网络层、应用层。感知层通过传感器、自动识别技术等技术实现全面感知，采集数据识别物体;网络层通过无线传感网、互联网等网络传输技术将感知层实时识别的物体或过程及各种信息传输到应用层，实现可靠传输，实现物与物、物与人的连接;应用层将接收到的信息及数据进行管理、存储等智能处理，实现对物体的全面感知、识别和管理。随着5G技术的成熟，更进一步推动了物联网的发展，5G主要不是面向人，而是面向物、面向产业的应用，与物联网的本质不谋而合，因此，物联网也将是未来十年ICT领域的主要发展方向和创业机会点。作为国家倡导的新兴战略性产业，物联网备受各界重视，物联网领域急需相关专业的人才。据工信部统计，物联网各主要领域人才需求量大，且物联网人才需求量将达到1 000万人以上，预估为：智能交通市场人才需求约20万;智能物流市场人才需求约20万;智能电网市场人才需求约100万;智能医疗领域人才需求达到100万以上。

物联网专业包含物联网应用技术高职专业和物联网工程本科专业，是一门复杂的交叉学科。物联网感知层包括了传感器技术、射频识别技术等技术知识，网络层包括了无线通信技术、无线网络技术等技术知识，应用层包括嵌入式系统技术、中间件技术等技术知识，该专业的学生所学的知识具有多元化和混合型的特征，导致该专业各课程知识点的关联性差。需要通过物联网专业综合实训全面应用学生所学的所有课程知识和技能，加强物联网工程应用实践，培养出知识面宽、动手能力强、综合素质好的物联网工程技能人才。所以在高职三年级或本科四年级时进行一次综合性、全面性的专业技术实训的学习是有必要的。

1  各校物联网专业综合实训开展现状

学生通过综合实训全面运用本专业的知识和技能，在校内进行综合性、系统化的开发训练。在项目制的专业综合实训教学中，关键问题是实训项目的设计，实训项目的专业综合性、技术新颖性等方面都会影响到实训教学效果。物联网被广泛应用于交通、物流、安防、电力、家居、医疗、矿业、军事等各个领域，通过调查，现高校比较常见的综合实训项目主要有智能交通系统、智能楼宇能耗监测系统、智能家居系统、智能园区、智能农业系统、智能商圈等。

物联网的快速发展导致物联网设备更新速度快，现有的设备缺乏创新性与代表性，限制了学生的实践能力与创新能力，大大降低了学生对专业学习的兴趣。另外，物联网综合项目对传感器模块、通信模块等模块的各部件需求较多，目前各高校硬件设施存在不足的问题，无法满足学生与教师的充分利用需求，很难促使师生在物联网综合项目教学过程中共同进步[1]。

以厦门南洋职业学院物联网应用技术高职专业近两年在大三开展的智能交通综合实训为例。智能交通实训系统结合嵌入式、自动识别技术、无线传感网、汽车导航定位以及多种集成智能化处理技术，以车辆交通为核心，通过人、车、路传感网的互通互联实现对车辆交通系统的智能控制、管理。实训系统主要由智能车辆平台、道路传感网和交通沙盘模型单元三个子系统模块构成。能够完成的综合项目有：道路传感网环境监测实训、道路视频监控实训、智能ETC收费系统实训、道路交通路况监测实训、停车场车位监测实训等。

在停车场车位监测实训中，实训主要目的要完成停车场的车辆出入管理，同时能够显示车位信息，为车主提供指引，方便车主更好地找到车位。学生在实训中学习停车位监测设备如何进行数据采集、传输。系统需要包括以下功能[2]：

（1）停车场出入管理。当小车进出停车场栅栏时，通过传感器设备接收小车信号，并将信号传输到控制中心，系统通过继电器设备控制栅栏打开，车辆进入后，栅栏能够自动放下。通过RFID识别技术来识别车辆信息，并将记录传输到控制管理中心。

（2）停车位信息显示管理。通过在每个车位上安装的传感器设备监测车位上是否已停放车辆，通过无线传感网，将车位信息传输到控制管理中心，通过存储、运算处理后在显示模块上显示车位信息，方便车主更好地找到车位。

学校通过购买交通沙盘来实现智能交通综合实训项目，但因场地、沙盘价格昂贵及学校经费限制，通常学校只能购置两三套，导致学生的参与性较差，而且一旦沙盘模型确定后，综合实训只能在定制化的极少场景体验下进行，这些会限制物联网在专业教学中的突破性开展，限制学生的综合素质及解决实际问题能力的培养。

针对存在的问题，本文以智能交通系统项目为例提出利用虚拟现实技术与实际相结合的一种教学模式，可以让每个学生都能够身临其境地搭建不同的实训场景，打破了传统的固定式场景的重复性，能够激发学生主动学习的积极性、创造性。

2  VR技术在物联网专业综合实训中的应用

2.1  VR技术

VR是Virtual Reality的缩写，即虚拟现实。虚拟现实是利用计算机模拟产生的一个三维空间的虚拟世界，提供人们关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让人们如同身临其境一般，没有限制地观察虚拟空间内的所有事物。

2.2  数字沙盘系统

数字沙盘系统是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中。一种是将模拟的三维立体影像投射在实体模型上。另一种是没有实体沙盘模型纯三维数字沙盘，互动性更强。

2.3  VR技术在停车场车位监测实訓中的应用

VR技术现状从市场来看VR产品主要有硬件设备和内容两大类[3]，通过实训内容要求，设计好多种不同实训场景可供学生选择并重复使用，再通过硬件设备，如头戴设备、非头戴设备和手套等，达到一种身临其境的体验效果。

在停车场车位监测实训中，通过学生自己的想法，选择不同停车场的VR模型，如图1所示的公交车停车场场景、图2所示的地下车库停车场场景。利用数字沙盘系统将模拟的三维立体影像投射在实体模型上，增强场景可以让学生完全沉浸在一个被三维立体投影画面包围的高级虚拟仿真环境中。

在进行设计开发过程中，学生利用VR场景模型，在对应的位置上布设传感器节点、ZigBee节点，完成实训系统的建设，如图3所示，在车场出入口出布设地感线圈、RFID识别等设备来采集及识别车辆，通过这个过程，掌握了整个系统的硬件，可以更好地编写相应的控制软件和驱动软件，完成停车场出入管理。

通过VR技术模拟驾驶车辆进入停车场，然后通过提示寻找停车位，通过多次身临其境的感受，来完善停车场的设计，达到最佳的找车位方案，如图4所示。

利用场景布设红外传感器及ZigBee节点，通过车位信息采集然后利用模拟指示灯提醒车位停放情况，如图5所示。

通过VR技术让每个学生都能够身临其境地搭建智能交通平台，并能通过模拟驾车等感受智能交通所带来的便利，另一个优势是，在VR中可以根据实训的进度随时切换场景，弥补沙盘场景单一的缺陷。

3  结  论

总而言之，虚拟现实技术在物联网专业综合实训中的应用，实现了高校实践教学的改革创新，VR技术不仅活跃了教学氛围，也促进了教学方式的改变，提高了实践教学质量和学生的学习效率。随着虚拟现实技术的不断成熟，可以为教育教学提供更多的现实化方法，为物联网专业综合实训提供更丰富的教学内容，创造更多不同的场景。相信在不久的将来，VR技术将会在更多课程中呈现更多不同的、突出的应用。

参考文献：

[1] 袁凯烽.虚拟仿真技术在物联网应用技术专业教学中的应用 [J].文教资料，2017（28）：170-171.

[2] 朱其慎，张以利.高职院校物联网技术综合实训研究 [J].内江科技，2014，35（12）：97-98.

[3] 张良杰，朱丽敏，钟石根，等.VR技术现状与应用领域研究 [J].传感器世界，2017，23（5）：26-31.

作者简介：钟石根（1979—），男，汉族，江西宜春人，教授，硕士研究生，研究方向：职业教育;朱丽敏（1990—），女，汉族，福建莆田人，讲师，本科，研究方向：物联网技术应用;张良杰（1988—），男，汉族，福建福州人，讲师，本科，研究方向：应用系统开发、人脸识别、语音识别。