物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真技術(shù)在高職物聯(lián)網(wǎng)實踐教學(xué)中的應(yīng)用

譚方勇，劉昭斌

（蘇州市職業(yè)大學(xué) 計算機工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104）

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用也在我國的各個行業(yè)中不斷普及，整個社會對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)人才的需求迫切，這就需要高等職業(yè)院校培養(yǎng)更多的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)高技術(shù)技能型人才來滿足社會的需求[1]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有跨學(xué)科和跨行業(yè)的特性[2]，這對專業(yè)的實踐教學(xué)提出了更高的要求，需要投入較多的實驗設(shè)備和場地來滿足不同的教學(xué)需求。物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真平臺因為其實驗資源豐富、建設(shè)成本低[3]、能轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式、能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力等優(yōu)點[4-6]，而越來越受到各學(xué)高等院校的歡迎。

1 物聯(lián)網(wǎng)課程實踐環(huán)節(jié)現(xiàn)狀分析

1.1 傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)實踐環(huán)境分析

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)按照層次一般分成三層結(jié)構(gòu)，即感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用層。當(dāng)前很多高職院校的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的課程設(shè)置也都按照這三層架構(gòu)來進行設(shè)計。感知層的主要課程有RFID技術(shù)及傳感器技術(shù)相關(guān)課程，網(wǎng)絡(luò)傳輸層的主要課程有無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)相關(guān)課程，應(yīng)用層主要有典型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的設(shè)計與開發(fā)相關(guān)課程。每個層次的課程都需要有相應(yīng)的實驗環(huán)節(jié)與之相對應(yīng)，既需要不同種類的單個感知層設(shè)備，又要不同物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的整體應(yīng)用設(shè)備；既需要底層的嵌入式應(yīng)用編程設(shè)備，又要上位機的應(yīng)用開發(fā)設(shè)備；既要有無線通信的設(shè)備，又要有有線互聯(lián)的設(shè)備。這些都對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的實驗室建設(shè)提出了很高的要求。

物聯(lián)網(wǎng)實驗箱、實訓(xùn)平臺是當(dāng)前很多高職院校所采用的實驗設(shè)備，它們把各種技術(shù)都融合到實驗箱或?qū)嵱?xùn)平臺當(dāng)中，目的是為了更方便地進行實驗操作，但是該實驗教學(xué)環(huán)節(jié)存在著如下弊端。

（1）各種設(shè)備集成到一個實驗箱或?qū)嵱?xùn)平臺，實驗操作方便了，也便于設(shè)備的管理，但實驗的靈活性較差，也不具備創(chuàng)新性，學(xué)生只能按照固有模式進行實驗。

（2）物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備基本都是電子元器件，如果學(xué)生實驗操作不正規(guī)，很容易造成元器件損壞，影響正常的實驗教學(xué)。

（3）雖然直接操作物理設(shè)備，直觀印象較深，但是學(xué)生對底層的通信原理與數(shù)據(jù)并不能直觀地感受，因此，對知識的理解會有較多的延遲。

（4）物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備多、種類各異且容易損壞，因此物聯(lián)網(wǎng)實驗室的維護相對其他實驗室來說難度較大。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真軟件的應(yīng)用趨勢

物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真軟件的出現(xiàn)可以彌補上述真實物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)環(huán)境中的不足，能仿真外部環(huán)境參數(shù)設(shè)置和各種條件[7]，組建大型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，方便學(xué)生課后進行自主實驗等，這些都有利于學(xué)生的創(chuàng)新思維的開拓和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》以及《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》文件中都要求高等院校將信息技術(shù)與高等教育進行深度融合，對人才培養(yǎng)模式進行創(chuàng)新，要求人才培養(yǎng)模式從知識技能型向應(yīng)用創(chuàng)新型轉(zhuǎn)變，注重學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。而虛擬仿真技術(shù)及其相關(guān)軟件平臺將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息技術(shù)以及高等教育進行了有機的融合，為人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新提供了有力的保障。

2 物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗平臺的體系架構(gòu)

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的課程實驗內(nèi)容，依托可視化物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真軟件構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗平臺的體系架構(gòu)，如圖1所示。該體系結(jié)構(gòu)按照物聯(lián)網(wǎng)的3個層次來對專業(yè)課程的實驗進行劃分，在感知層主要設(shè)置了RFID認(rèn)知實驗、傳感器認(rèn)知實驗、RFID基礎(chǔ)仿真實驗、WSN基礎(chǔ)仿真實驗；在網(wǎng)絡(luò)傳輸層主要設(shè)置了WSN組網(wǎng)仿真實驗、RFID通信仿真實驗、網(wǎng)絡(luò)接入仿真實驗和串口通信仿真實驗；在應(yīng)用層主要設(shè)置了物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用仿真實驗，如智能家居仿真實驗、智慧農(nóng)業(yè)仿真實驗、智慧

上層仿真實驗、智慧圖書仿真實驗等，貫穿在整個體系結(jié)構(gòu)中的還有物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新實驗以及與虛擬平臺融合的物理平臺應(yīng)用開發(fā)實驗等。

物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗平臺的物聯(lián)網(wǎng)仿真實驗共分為六大類，分別是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備認(rèn)知實驗、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)認(rèn)知實驗、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備基本原理仿真實驗、物聯(lián)網(wǎng)接口開發(fā)仿真實驗、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)仿真實驗、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新實驗。仿真平臺的詳細(xì)實驗平臺有物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗平臺、物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)實驗系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)教學(xué)實驗系統(tǒng)、智慧農(nóng)業(yè)3D虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)、智能家居虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)、智慧商城、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)平臺、智能農(nóng)業(yè)沙盤、智能交通沙盤、智能家居管理系統(tǒng)、智能門禁管理系統(tǒng)以及智能圖書3D虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)等。

該仿真平臺中，物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗平臺是核心的仿真操作平臺，其他系統(tǒng)的仿真都依靠該平臺進行仿真實驗。其中，基礎(chǔ)實驗系統(tǒng)中可以完成物聯(lián)網(wǎng)中RFID、傳感器等基本技能實驗；物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)教學(xué)實驗系統(tǒng)中可以依靠虛擬仿真實驗平臺完成基于Android、C#、Java的上層物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，智慧農(nóng)業(yè)、智能家居、智慧圖書3D虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)、智慧商城等模塊搭建了典型的物聯(lián)網(wǎng)綜合應(yīng)用系統(tǒng)的實踐環(huán)境，可以幫助學(xué)生體驗實際物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真技術(shù)的實踐教學(xué)設(shè)計

3.1 漸進式實踐教學(xué)設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗平臺的實驗教學(xué)設(shè)計理念是：由易到難、由簡到繁再到創(chuàng)新的設(shè)計理念，讓學(xué)生通過仿真平臺進行漸進式的學(xué)習(xí)。仿真實驗分為4個階段。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗平臺體系結(jié)構(gòu)

（1）認(rèn)知性實驗。本階段為認(rèn)知階段，通過仿真平臺中種類豐富且仿真的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、元器件、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的仿真沙盤、3D仿真環(huán)境等實驗內(nèi)容，讓學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)及其相關(guān)的設(shè)備和應(yīng)用有一個較為感性的認(rèn)識。

（2）驗證性實驗。本階段通過仿真平臺設(shè)計的單項技術(shù)技能訓(xùn)練來提升學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)常見的技術(shù)和技能的掌握，如RFID技術(shù)、WSN技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)編程技術(shù)等。學(xué)生可以進入物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗平臺，選擇對應(yīng)的RFID設(shè)備組件、傳感器組件搭建虛擬的物聯(lián)網(wǎng)實驗環(huán)境，并可以利用其自帶的測試工具測試設(shè)備的運行情況，驗證通信的基本過程。

（3）設(shè)計性實驗。在本階段學(xué)生將利用仿真平臺搭建物聯(lián)網(wǎng)小型應(yīng)用場景的便利性，根據(jù)實驗任務(wù)要求在仿真平臺中搭建應(yīng)用環(huán)境，并可以參考其中的實驗指導(dǎo)和例程，在真實的編程開發(fā)環(huán)境中來對自己搭建的設(shè)備進行開發(fā)，獲取數(shù)據(jù)或控制仿真設(shè)備。

（4）創(chuàng)新性實驗。本階段主要是為感興趣并且學(xué)有余力的同學(xué)設(shè)計的，學(xué)生通過仿真平臺提供的典型行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)進行物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的調(diào)整、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序的二次開發(fā)等，并可以進行虛擬環(huán)境和真實環(huán)境的聯(lián)動，通過真實環(huán)境的應(yīng)用程序來控制仿真平臺中的虛擬設(shè)備。

3.2 實驗教學(xué)趣味性設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)涉及的知識面較廣、技術(shù)原理難、設(shè)備操作相對復(fù)雜，學(xué)習(xí)的難度較高。為了提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在課程及實驗的設(shè)計上引入了趣味性實驗項目，通過一些有趣且又顯性的實驗提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，如WSN實驗，通過仿真系統(tǒng)中模擬溫濕度、光照的參數(shù)的變化，通過測試程序向繼電器發(fā)送指令控制風(fēng)扇或電燈的開關(guān)等操作，如圖2所示。

3D仿真的綜合實驗室系統(tǒng)可以動態(tài)、實時地顯示物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的狀態(tài)變化，并可以進行相應(yīng)的操作和控制，如圖3所示，讓學(xué)生有身臨其境的效果，提升其學(xué)習(xí)的興趣。

3.3 綜合項目仿真及創(chuàng)新實驗設(shè)計

將物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓(xùn)項目如智能倉儲管理系統(tǒng)分成物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備集成、C#上位機開發(fā)、Android移動端開發(fā)3個模塊，學(xué)生以項目團隊方式分工合作完成該項目的實驗，負(fù)責(zé)系統(tǒng)集成的成員在仿真平臺中根據(jù)項目需求，選擇需要的閱讀器類型、電源以及標(biāo)簽的類型，進行串口、電源等線纜的連接，滿足智能倉庫管理系統(tǒng)的硬件需求，并測試設(shè)備的連通性和可用性。軟件設(shè)計部分分為上位機和手持端。負(fù)責(zé)上位機開發(fā)的成員負(fù)責(zé)設(shè)計數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并選擇C#開發(fā)工具完成智能倉儲管理系統(tǒng)的上位機程序與仿真平臺的通信程序開發(fā)、界面設(shè)計、出入庫等系統(tǒng)功能設(shè)計。負(fù)責(zé)手持端開發(fā)的成員在Android開發(fā)平臺完成手持端程序的界面設(shè)計、物品查詢、統(tǒng)計等功能設(shè)計。最終，項目組在PC和手持端上分別進行系統(tǒng)的功能測試，也可以將系統(tǒng)移植到真實的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備環(huán)境下進行測試，從而實現(xiàn)綜合項目訓(xùn)練的要求。

圖2 傳感器仿真實驗

圖3 智慧農(nóng)業(yè)3D仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)

4 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真技術(shù)在高等職業(yè)院校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)實驗教學(xué)中的應(yīng)用有助于解決專業(yè)建設(shè)成本高、實驗室管理困難等問題，其豐富的實驗資源為學(xué)生提供更直觀、結(jié)果更易顯現(xiàn)的實驗環(huán)境，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，改變其學(xué)習(xí)方式，是當(dāng)前教育信息化中的一個有效教學(xué)手段。