“物联网智慧农业”虚拟仿真教学综合实训设计

金强山　冯光　李改锋

摘  要： 针对西部院校物联网专业实训环节教学资源不足、教学内容与实际生活脱节等问题，利用虚拟仿真提升实验实训教学效果。综合实训紧紧围绕物联网核心技术三个层次（感知层、传输层、应用层）展开，利用实训仿真平台，实现了对温室蔬菜大棚内数据的监测与预警，最终编写上位机程序获取显示各项数据，绘制数据曲线观察数据动态变化趋势。实践结果表明，此综合设计案例提升了学生对物联网系统的设计与综合实践能力，激发了学生学习的积极性。

关键词： 物联网; 智慧农业; 虚拟仿真; 综合实训

中图分类号：TP311.01          文献标识码：A     文章编号：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

物聯网作为一门新型交叉学科，涉及通信技术、传感技术、网络技术等，被认为是信息时代的第三次浪潮[1]。物联网专业实践教学体系中，综合实训是实现人才培养目标、提升学生综合实践能力的重要环节。传统物联网实训环节存在一些不足，如实验教学内容过于陈旧，与实际生活脱节;综合性实验较少，不能融合多学科知识;实验内容多为验证性实验，学生积极性不高[2]。对于西部地区应用型本科院校来讲，实验室建设经费不足，实验教学资源不充裕，教学效果不理想;为了能够满足实践教学的需求，虚拟仿真系统逐渐成为教师关注的热点。

因此，将虚拟仿真系统引入综合实训课程，不仅有效缓解实验教学资源匮乏的问题，而且仿真系统逼真的实验环境有效的还原真实的实验情境，提升学生学习的积极性。

1 物联网综合实训

物联网实践教学体系主要包括基础实践教学、综合实训、创新实践教学三部分，其中综合实训指学生能够利用学过的物联网基础知识，完成简单的物联网项目，提升学生对知识的综合应用能力，同时既是基础实践教学的延伸，也是创新实践教学的开端。综合实训（如图1所示）要仅仅围绕物联网技术的三个层次结构，包括感知层、传输层、应用层[3]。要求学生掌握物联网三个层次结构的关键技术、数据通信协议，能够完成一些综合性设计项目，如智慧农业、智能交通、智能家居、物联网移动综合互连等。

2 虚拟仿真实验

实验教学是提升学生实践能力、培养学生创新能力的重要载体，利用虚拟仿真技术可以拓展实验教学内容的广度和深度，延伸实验教学的时间和空间，提升课程实验教学的质量和水平[4]。虚拟仿真实验具有以下几点优势：①虚拟仿真实验可以真实呈现常规实验不易观察的现象与结果，缩短实验周期，克服空间与场所的局限[5];②虚拟仿真实验高标准的仿真度，给学生以沉浸感，克服了实际教学资源不足的困难，降低了教学成本[6];③虚拟仿真实验使实验教学更灵活，突显了“以学生为中心”的理念，激发了学生学习的积极性[7]。虚拟仿真实验提升了学生的创新能力、信息化应用能力及综合素质，在物联网专业应用型人才培养中具有较强的优势。38FEC368-C650-4D42-ADE6-5F0FBCBF81DF

3 “物联网智慧农业”虚拟仿真综合实训设计

在Windows操作系统下，利用“物联网行业实训仿真”平台完成“物联网智慧农业”综合实训案例，采集温室蔬菜大棚中温度、湿度、二氧化碳、光照、土壤温度与湿度等数据，并能够对数据进行采集与呈现。

3.1 实验目的与要求

实验目的：①能够对简单的物联网系统进行分析、设计;②能够熟练使用常用的传感器设备;③能够熟练掌握相关的通信协议与设备并进行组网;④能够编写简单的上位机程序对获取到的数据进行呈现。

实验任务要求：设计简单的物联网系统，完成对温室蔬菜大棚中温度、湿度、二氧化碳、光照、土壤温度和湿度等数据的采集;如果某一项数据的值脱离标准范围，警报灯点亮;上位机程序能实时显示传感器采集的数据。

3.2 实验环境

实验所使用计算机为Inter（R）Core（TM）i5-4590、3.3GHz、4GB内存、Win7操作系统，使用“物联网行业实训仿真”平台、USR-VCOM虚拟串口、JDK1.8、Eclipse 4.7.2开发环境。

3.3 实验方法和步骤

⑴ 设计“物联网智慧农业”监测系统，重点考核学生I/O模块组网、相关传感器设备互联互通、常用传感器功能等知识点，一种设计方案如图2所示。

⑵ 在“物联网行业实训仿真”平台中，打开“测试连线”和“模拟实验”检测传感器之间连线是否正确。若出现错误连线，平台将进行提示;可通过消息面板查看各传感器获取数据是否正常。

⑶ 基于Eclipse编写上位机程序，获取传感器数据，使其显示在界面中。本环节重点考查学生获取传感器数据，利用Java面向对象基础知识，如图形用户界面的编写、事件监听、内部类的使用等;若对代码规范有更高的要求，可引入“观察者设计模式”，提升代码复用，优化代码结构，如图3所示。

⑷ 在仿真实验平台中，打开“模拟实验”，运行上位机程序，检测上位机程序是否能够正确获取数据，上位机正确运行界面如图4所示。

⑸ 对传感器获取到的数据（如温湿度、二氧化碳、光照、土壤温度与湿度等）进行绘图，观察数据的动态变化及趋势。

4 教学实施与评价

“物联网智慧农业”虚拟仿真综合实训为期两周，学生三人一组，小组内自主协调分工，共同完成综合实训内容。考评主要以现场答辩和实验报告两项，分值各占50%。学生需要汇报“物联网智慧农业”系统设计的思路，选取传感器，组建传感器网络，系统连线测试，及上位机的编写等，思路要清晰，可以展示小组系统的特色与亮点，提升学生对物联网三个层次核心技术的进一步认识。

5 总结

通过“物联网智慧农业”虚拟仿真综合实训，学生利用“物联网行业实训仿真”平台，掌握了物联网感知层、传输层、应用层三个层次的核心技术，一方面发挥了虚拟仿真实验的优势，解决了实际教学资源不足的困难;另一方面突破了时间和空间的限制，學生可以反复实践训练，提升了学生需求分析、系统设计、团队协作及动手实践能力，最终取得了良好的教学效果。

参考文献（References）：

[1] 谢泽奇，张会敏，沈阳.新型物联网创新实践教学体系建设[J].实验技术与管理，2018，35（5）：31-34，46

[2] 安健，任东胜，桂小林，等.物联网实践能力培养的研究与探索[J].实验技术与管理，2018，35（10）：15-18，21

[3] 崔艳荣，陈勇，胡蓉华.物联网工程专业实践教学体系研究[J].实验技术与管理，2019，36（6）：198-200

[4] 祖强，魏永军.国家级示范性虚拟仿真实验教学项目申报策略探讨[J].实验技术与管理，2018，35（9）：236-238

[5] 郭婷，杨树国，江永亨，黄开胜.虚拟仿真实验教学项目建设与应用研究[J].实验技术与管理，2019，36（10）：215-217，220

[6] 明仲，蔡茂国，朱安民.虚实结合建设高水平虚拟仿真实验教学中心[J].实验室研究与探索，2017，36（11）：146-150，165

[7] 向远明，范炤，王伏玲.虚拟仿真实验室在心理学实验教学中的作用[J].实验技术与管理，2015，32（12）：120-12238FEC368-C650-4D42-ADE6-5F0FBCBF81DF