VR技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用

鐘石根 朱麗敏 張良杰

摘? 要：對結(jié)合VR技術(shù)利用三維數(shù)字沙盤系統(tǒng)提高教學(xué)質(zhì)量的方法進(jìn)行了研究，報(bào)告了各高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)開展現(xiàn)狀及存在的主要問題，進(jìn)行了VR三維沙盤在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)的應(yīng)用及其優(yōu)勢的調(diào)查。VR技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)提供更豐富的教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)造更多不同的場景，不僅活躍了教學(xué)氛圍，也促進(jìn)了教學(xué)方式的改變，提高了實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù);物聯(lián)網(wǎng)專業(yè);綜合實(shí)訓(xùn)

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

物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things，簡稱IoT）指的是萬物相連。從結(jié)構(gòu)上把物聯(lián)網(wǎng)分成三個(gè)層次，分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。感知層通過傳感器、自動(dòng)識(shí)別技術(shù)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)全面感知，采集數(shù)據(jù)識(shí)別物體;網(wǎng)絡(luò)層通過無線傳感網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)將感知層實(shí)時(shí)識(shí)別的物體或過程及各種信息傳輸?shù)綉?yīng)用層，實(shí)現(xiàn)可靠傳輸，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的連接;應(yīng)用層將接收到的信息及數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、存儲(chǔ)等智能處理，實(shí)現(xiàn)對物體的全面感知、識(shí)別和管理。隨著5G技術(shù)的成熟，更進(jìn)一步推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，5G主要不是面向人，而是面向物、面向產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用，與物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)不謀而合，因此，物聯(lián)網(wǎng)也將是未來十年ICT領(lǐng)域的主要發(fā)展方向和創(chuàng)業(yè)機(jī)會(huì)點(diǎn)。作為國家倡導(dǎo)的新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)備受各界重視，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域急需相關(guān)專業(yè)的人才。據(jù)工信部統(tǒng)計(jì)，物聯(lián)網(wǎng)各主要領(lǐng)域人才需求量大，且物聯(lián)網(wǎng)人才需求量將達(dá)到1 000萬人以上，預(yù)估為：智能交通市場人才需求約20萬;智能物流市場人才需求約20萬;智能電網(wǎng)市場人才需求約100萬;智能醫(yī)療領(lǐng)域人才需求達(dá)到100萬以上。

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)包含物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)高職專業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)工程本科專業(yè)，是一門復(fù)雜的交叉學(xué)科。物聯(lián)網(wǎng)感知層包括了傳感器技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)等技術(shù)知識(shí)，網(wǎng)絡(luò)層包括了無線通信技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等技術(shù)知識(shí)，應(yīng)用層包括嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、中間件技術(shù)等技術(shù)知識(shí)，該專業(yè)的學(xué)生所學(xué)的知識(shí)具有多元化和混合型的特征，導(dǎo)致該專業(yè)各課程知識(shí)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)性差。需要通過物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)全面應(yīng)用學(xué)生所學(xué)的所有課程知識(shí)和技能，加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用實(shí)踐，培養(yǎng)出知識(shí)面寬、動(dòng)手能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)好的物聯(lián)網(wǎng)工程技能人才。所以在高職三年級或本科四年級時(shí)進(jìn)行一次綜合性、全面性的專業(yè)技術(shù)實(shí)訓(xùn)的學(xué)習(xí)是有必要的。

1? 各校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)開展現(xiàn)狀

學(xué)生通過綜合實(shí)訓(xùn)全面運(yùn)用本專業(yè)的知識(shí)和技能，在校內(nèi)進(jìn)行綜合性、系統(tǒng)化的開發(fā)訓(xùn)練。在項(xiàng)目制的專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，關(guān)鍵問題是實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的專業(yè)綜合性、技術(shù)新穎性等方面都會(huì)影響到實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果。物聯(lián)網(wǎng)被廣泛應(yīng)用于交通、物流、安防、電力、家居、醫(yī)療、礦業(yè)、軍事等各個(gè)領(lǐng)域，通過調(diào)查，現(xiàn)高校比較常見的綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目主要有智能交通系統(tǒng)、智能樓宇能耗監(jiān)測系統(tǒng)、智能家居系統(tǒng)、智能園區(qū)、智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)、智能商圈等。

物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備更新速度快，現(xiàn)有的設(shè)備缺乏創(chuàng)新性與代表性，限制了學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力，大大降低了學(xué)生對專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣。另外，物聯(lián)網(wǎng)綜合項(xiàng)目對傳感器模塊、通信模塊等模塊的各部件需求較多，目前各高校硬件設(shè)施存在不足的問題，無法滿足學(xué)生與教師的充分利用需求，很難促使師生在物聯(lián)網(wǎng)綜合項(xiàng)目教學(xué)過程中共同進(jìn)步[1]。

以廈門南洋職業(yè)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)高職專業(yè)近兩年在大三開展的智能交通綜合實(shí)訓(xùn)為例。智能交通實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)合嵌入式、自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、無線傳感網(wǎng)、汽車導(dǎo)航定位以及多種集成智能化處理技術(shù)，以車輛交通為核心，通過人、車、路傳感網(wǎng)的互通互聯(lián)實(shí)現(xiàn)對車輛交通系統(tǒng)的智能控制、管理。實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主要由智能車輛平臺(tái)、道路傳感網(wǎng)和交通沙盤模型單元三個(gè)子系統(tǒng)模塊構(gòu)成。能夠完成的綜合項(xiàng)目有：道路傳感網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測實(shí)訓(xùn)、道路視頻監(jiān)控實(shí)訓(xùn)、智能ETC收費(fèi)系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)、道路交通路況監(jiān)測實(shí)訓(xùn)、停車場車位監(jiān)測實(shí)訓(xùn)等。

在停車場車位監(jiān)測實(shí)訓(xùn)中，實(shí)訓(xùn)主要目的要完成停車場的車輛出入管理，同時(shí)能夠顯示車位信息，為車主提供指引，方便車主更好地找到車位。學(xué)生在實(shí)訓(xùn)中學(xué)習(xí)停車位監(jiān)測設(shè)備如何進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸。系統(tǒng)需要包括以下功能[2]：

（1）停車場出入管理。當(dāng)小車進(jìn)出停車場柵欄時(shí)，通過傳感器設(shè)備接收小車信號，并將信號傳輸?shù)娇刂浦行?，系統(tǒng)通過繼電器設(shè)備控制柵欄打開，車輛進(jìn)入后，柵欄能夠自動(dòng)放下。通過RFID識(shí)別技術(shù)來識(shí)別車輛信息，并將記錄傳輸?shù)娇刂乒芾碇行摹?/p>

（2）停車位信息顯示管理。通過在每個(gè)車位上安裝的傳感器設(shè)備監(jiān)測車位上是否已停放車輛，通過無線傳感網(wǎng)，將車位信息傳輸?shù)娇刂乒芾碇行?，通過存儲(chǔ)、運(yùn)算處理后在顯示模塊上顯示車位信息，方便車主更好地找到車位。

學(xué)校通過購買交通沙盤來實(shí)現(xiàn)智能交通綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，但因場地、沙盤價(jià)格昂貴及學(xué)校經(jīng)費(fèi)限制，通常學(xué)校只能購置兩三套，導(dǎo)致學(xué)生的參與性較差，而且一旦沙盤模型確定后，綜合實(shí)訓(xùn)只能在定制化的極少場景體驗(yàn)下進(jìn)行，這些會(huì)限制物聯(lián)網(wǎng)在專業(yè)教學(xué)中的突破性開展，限制學(xué)生的綜合素質(zhì)及解決實(shí)際問題能力的培養(yǎng)。

針對存在的問題，本文以智能交通系統(tǒng)項(xiàng)目為例提出利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與實(shí)際相結(jié)合的一種教學(xué)模式，可以讓每個(gè)學(xué)生都能夠身臨其境地搭建不同的實(shí)訓(xùn)場景，打破了傳統(tǒng)的固定式場景的重復(fù)性，能夠激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性、創(chuàng)造性。

2? VR技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用

2.1? VR技術(shù)

VR是Virtual Reality的縮寫，即虛擬現(xiàn)實(shí)。虛擬現(xiàn)實(shí)是利用計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生的一個(gè)三維空間的虛擬世界，提供人們關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓人們?nèi)缤砼R其境一般，沒有限制地觀察虛擬空間內(nèi)的所有事物。

2.2? 數(shù)字沙盤系統(tǒng)

數(shù)字沙盤系統(tǒng)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真使用戶沉浸到該環(huán)境中。一種是將模擬的三維立體影像投射在實(shí)體模型上。另一種是沒有實(shí)體沙盤模型純?nèi)S數(shù)字沙盤，互動(dòng)性更強(qiáng)。

2.3? VR技術(shù)在停車場車位監(jiān)測實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用

VR技術(shù)現(xiàn)狀從市場來看VR產(chǎn)品主要有硬件設(shè)備和內(nèi)容兩大類[3]，通過實(shí)訓(xùn)內(nèi)容要求，設(shè)計(jì)好多種不同實(shí)訓(xùn)場景可供學(xué)生選擇并重復(fù)使用，再通過硬件設(shè)備，如頭戴設(shè)備、非頭戴設(shè)備和手套等，達(dá)到一種身臨其境的體驗(yàn)效果。

在停車場車位監(jiān)測實(shí)訓(xùn)中，通過學(xué)生自己的想法，選擇不同停車場的VR模型，如圖1所示的公交車停車場場景、圖2所示的地下車庫停車場場景。利用數(shù)字沙盤系統(tǒng)將模擬的三維立體影像投射在實(shí)體模型上，增強(qiáng)場景可以讓學(xué)生完全沉浸在一個(gè)被三維立體投影畫面包圍的高級虛擬仿真環(huán)境中。

在進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，學(xué)生利用VR場景模型，在對應(yīng)的位置上布設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)、ZigBee節(jié)點(diǎn)，完成實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的建設(shè)，如圖3所示，在車場出入口出布設(shè)地感線圈、RFID識(shí)別等設(shè)備來采集及識(shí)別車輛，通過這個(gè)過程，掌握了整個(gè)系統(tǒng)的硬件，可以更好地編寫相應(yīng)的控制軟件和驅(qū)動(dòng)軟件，完成停車場出入管理。

通過VR技術(shù)模擬駕駛車輛進(jìn)入停車場，然后通過提示尋找停車位，通過多次身臨其境的感受，來完善停車場的設(shè)計(jì)，達(dá)到最佳的找車位方案，如圖4所示。

利用場景布設(shè)紅外傳感器及ZigBee節(jié)點(diǎn)，通過車位信息采集然后利用模擬指示燈提醒車位停放情況，如圖5所示。

通過VR技術(shù)讓每個(gè)學(xué)生都能夠身臨其境地搭建智能交通平臺(tái)，并能通過模擬駕車等感受智能交通所帶來的便利，另一個(gè)優(yōu)勢是，在VR中可以根據(jù)實(shí)訓(xùn)的進(jìn)度隨時(shí)切換場景，彌補(bǔ)沙盤場景單一的缺陷。

3? 結(jié)? 論

總而言之，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了高校實(shí)踐教學(xué)的改革創(chuàng)新，VR技術(shù)不僅活躍了教學(xué)氛圍，也促進(jìn)了教學(xué)方式的改變，提高了實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷成熟，可以為教育教學(xué)提供更多的現(xiàn)實(shí)化方法，為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)提供更豐富的教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)造更多不同的場景。相信在不久的將來，VR技術(shù)將會(huì)在更多課程中呈現(xiàn)更多不同的、突出的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：鐘石根（1979—），男，漢族，江西宜春人，教授，碩士研究生，研究方向：職業(yè)教育;朱麗敏（1990—），女，漢族，福建莆田人，講師，本科，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用;張良杰（1988—），男，漢族，福建福州人，講師，本科，研究方向：應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)、人臉識(shí)別、語音識(shí)別。