仿真技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用研究

羅高峰

摘 要：針對物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)過程中實(shí)驗(yàn)條件受限、實(shí)驗(yàn)成本過高等問題，分析了物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)中的仿真技術(shù)，探討了基于NS2的物聯(lián)網(wǎng)仿真模型。結(jié)果表明，仿真技術(shù)可彌補(bǔ)學(xué)生在真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的不足，是物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)體系中非常重要的一環(huán)，合理使用仿真技術(shù)，對物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)將起到很大的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；仿真；實(shí)踐教學(xué)；NS2

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）07-0-02

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)本身具有鮮明的應(yīng)用性特點(diǎn)，以培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力為核心。因此，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)中起到至關(guān)重要的作用。然而，由于物聯(lián)網(wǎng)尚處在發(fā)展的初級階段，高校的實(shí)踐教學(xué)也因此碰到了瓶頸。真實(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備價格昂貴，實(shí)驗(yàn)條件不成熟等諸多特點(diǎn)直接導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的窘境。針對難以在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)的情況，仿真技術(shù)對于物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)來說變得越來越重要。本文正是在這種背景下開展物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)的仿真技術(shù)探討與應(yīng)用研究。

1 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)中的仿真技術(shù)分析

物聯(lián)網(wǎng)是物物相連的網(wǎng)絡(luò)，物品和物品、物品和人之間能夠交互信息，其本質(zhì)是通過傳感器、射頻識別等利用新的方式連接起來。物聯(lián)網(wǎng)的最終目的歸結(jié)于應(yīng)用，與其說物聯(lián)網(wǎng)是網(wǎng)絡(luò)，不如說物聯(lián)網(wǎng)就是應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出一些新的特點(diǎn)，具體體現(xiàn)在，傳感器數(shù)量規(guī)?？赡芫薮?，所部署的環(huán)境可能是森林、沙漠及水底等不同環(huán)境中，傳感器節(jié)點(diǎn)也可能由溫度、濕度等不同類型的傳感器組成；大量的傳感器節(jié)點(diǎn)所感知的數(shù)據(jù)信息有一定的相似性，數(shù)據(jù)融合成為物聯(lián)網(wǎng)研究的難題之一。因此，在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程的教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)是人才培養(yǎng)最重要的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)之一。

現(xiàn)階段，高校的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)都還處于探索階段，在信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)、通信協(xié)議設(shè)計(jì)及物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)本身也面臨著一系列的挑戰(zhàn)，由于外部環(huán)境參數(shù)設(shè)置和各種條件的不滿足，部署大型的實(shí)驗(yàn)平臺價格昂貴且異常困難。因此，搭建仿真平臺，研究者可以在可控環(huán)境中研究物聯(lián)網(wǎng)，彌補(bǔ)了在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)的缺陷，有利于學(xué)生思維的開拓和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

在眾多的網(wǎng)絡(luò)模擬仿真軟件中，NS2由于其源碼開放的特點(diǎn)，完全支持物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)算法和協(xié)議的仿真，包括對傳感器和電池模型，甚至混合仿真支持等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目可能很大，節(jié)點(diǎn)更容易失效，拓?fù)渥兓惓ｎl繁，且在NS2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真過程中，經(jīng)常要進(jìn)行跨層的協(xié)議設(shè)計(jì)和修改。這些協(xié)議添加本身很容易在NS2中實(shí)現(xiàn)，通過協(xié)議的添加，模擬場景的設(shè)置、腳本動態(tài)生成，就能通過NS2的模擬得到描述結(jié)果、動態(tài)運(yùn)行演示圖及性能分析圖表。讓物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)踐教學(xué)變得形象化和可視化，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也迫使學(xué)生在仿真平臺上獲取數(shù)據(jù)，分析網(wǎng)絡(luò)性能。

2 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)模塊的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

基于對物聯(lián)網(wǎng)及NS2仿真技術(shù)的分析[8]，本文設(shè)計(jì)出對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真分析的系統(tǒng)平臺。該平臺能在物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)過程中進(jìn)行模擬過程的可視化，包括：自動生成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)TCL腳本可視化配置模塊；運(yùn)行腳本文件、觀看動畫可視化模塊；Awk數(shù)據(jù)分析和可視化模塊；Gnuplot繪圖可視化模塊等。

在物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)課程的實(shí)踐教學(xué)中，NS2仿真腳本編寫對于初學(xué)者來說往往是很繁瑣的。學(xué)生即使能編寫一大堆的腳本程序，也無法把握整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真節(jié)點(diǎn)布局及拓?fù)鋱D。因此，在物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)中，有必要將無線傳感器等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞拇罱?、協(xié)議的添加等進(jìn)行可視化處理，并在此基礎(chǔ)上生成腳本。這樣既避免了繁瑣的腳本編寫，又能從全局上把握網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)。

生成腳本后，在NS2仿真界面通過輸入ns *.tcl進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模擬，得到仿真結(jié)果Trace文件，接下來的關(guān)鍵就是對模擬結(jié)果進(jìn)行可視化分析。通過分析這些數(shù)據(jù)，能夠使研究者用較少的時間和費(fèi)用，了解網(wǎng)絡(luò)在不同條件下的特性，獲取無線傳感網(wǎng)研究所需的豐富且有效的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)性能分析包含動態(tài)顯示模塊及靜態(tài)分析模塊。動態(tài)顯示模塊調(diào)用NAM工具實(shí)現(xiàn)，將模擬過程進(jìn)行動畫演示，讓研究者能夠清晰看到分組如何從發(fā)送端到達(dá)接收端；靜態(tài)分析模塊則對無線傳感網(wǎng)的關(guān)鍵性能：延時、丟包、吞吐量和能耗等進(jìn)行分析，這些關(guān)鍵性能的分析是通過gawk語言處理的，最后通過Xgraph或gnuplot繪制圖形，將感興趣的數(shù)據(jù)直觀反映出來，為學(xué)習(xí)和研究提供便利，NS2仿真過程的整個過程如圖1所示。

圖1 NS2仿真過程

3 教學(xué)案例設(shè)計(jì)

在實(shí)踐教學(xué)中，假定我們需要模擬區(qū)域?yàn)?00 m× 500m，采取random方式設(shè)置擁有100個傳感器節(jié)點(diǎn)的wireless scenario，仿真一個典型的多跳自組織無線環(huán)境。對于該實(shí)驗(yàn)場景，我們無法真實(shí)的去部署傳感器，但我們又很有必要去研究當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)場景下，各種網(wǎng)絡(luò)性能的表現(xiàn)情況以及了解網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的動態(tài)過程。

在實(shí)踐教學(xué)過程中，我們只需要實(shí)驗(yàn)室具備計(jì)算機(jī)以及相應(yīng)的軟件環(huán)境即可，學(xué)生在宿舍個人計(jì)算機(jī)上同樣也可以完成實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)假定在win7 32位系統(tǒng)下安裝了cygwin+NS2.35環(huán)境及Java運(yùn)行環(huán)境。由于NS2.35對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)并不完全支持，因此，我們只需要完成對面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真模塊的添加，使得仿真環(huán)境滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真的要求即可。

在實(shí)驗(yàn)場景設(shè)置方面，可以避開繁瑣的腳本編寫，采用開源工具NSG2（NS2 Scenarios Generator 2），通過如圖2所示的圖形界面操作進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)拓?fù)涞膭?chuàng)建、相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)以及運(yùn)動軌跡的設(shè)計(jì)，然后自動生成仿真如圖3所示的腳本語言。

圖2 實(shí)驗(yàn)場景設(shè)置

圖3 自動生成的腳本語言

腳本生成后，我們在NS2.35環(huán)境下進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的模擬和仿真，就可得到如圖4所示的仿真trace數(shù)據(jù)文件out.tr和用于動態(tài)顯示的out.nam仿真結(jié)果，再將整個網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行動態(tài)通過動畫演示出來，就能增強(qiáng)學(xué)生研究該類問題的信心和積極性，也能夠從運(yùn)行動畫中把握復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的動態(tài)過程，從而促使學(xué)生對各種網(wǎng)絡(luò)性能的進(jìn)一步分析和研究。對于枯燥的仿真數(shù)據(jù)而言，用戶還可以通過gnuplot等工具進(jìn)行圖形繪制，使得各種網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)直觀地呈現(xiàn)在研究者面前，有助于師生對面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和研究，這樣，就達(dá)到了物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)的目的，彌補(bǔ)了無法在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的遺憾。

圖4 仿真結(jié)果動態(tài)演示

4 結(jié) 語

本文探討了仿真技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用，指出了模擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境仿真是物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)體系中重要的環(huán)節(jié)。模擬仿真不僅不受客觀條件的制約，又能促進(jìn)學(xué)生對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的研究和認(rèn)知，是當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)中重要的方法和模式之一。這種模式有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的鍛煉，同時也促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

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