基于虛擬仿真技術(shù)的《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》實(shí)驗(yàn)課程改革探究
——以銅陵學(xué)院為例

齊 平 蔣劍軍

（銅陵學(xué)院，安徽 銅陵 244061）

一、引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network, WSN)是一種由大量、低復(fù)雜度的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過自組織形式組成的無線通信網(wǎng)絡(luò)， 網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)均由感知模塊、信息處理模塊、通信模塊和電源構(gòu)成，具有數(shù)據(jù)采集、收發(fā)等功能[1]。 《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程是一門即重視理論知識(shí)學(xué)習(xí)，又強(qiáng)調(diào)技術(shù)應(yīng)用，實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。 近幾年，各高校均將《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》列為專業(yè)核心課程，在各校的物聯(lián)網(wǎng)人才培養(yǎng)方案和教學(xué)計(jì)劃中， 該課程均占有重要地位和作用。 課堂之外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也越來越受到重視。 例如，信息技術(shù)各相關(guān)專業(yè)學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)選題、專業(yè)競賽的科技作品、學(xué)生科研項(xiàng)目、“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐成果大多和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)掛鉤， 企業(yè)對(duì)畢業(yè)生的技術(shù)能力需求也多以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)。

綜上可見，《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》 課程的學(xué)習(xí)質(zhì)量將直接影響物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)的效果。 然而，由于課程數(shù)飽和、 實(shí)驗(yàn)環(huán)境受限、 認(rèn)知難度大等原因，在進(jìn)行《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程學(xué)習(xí)時(shí)，學(xué)生雖能夠獨(dú)立完成單個(gè)知識(shí)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)， 卻往往難以在應(yīng)用背景下完成整個(gè)無線通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能。 因而，以“虛實(shí)結(jié)合”為手段對(duì)《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行教學(xué)改革勢在必行。

二、課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

20 世紀(jì)90 年代中后期，《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》課程在國內(nèi)高校大規(guī)模開設(shè)。 隨著互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，即“信息高速公路”在全國大力建設(shè)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)的重要性得以凸顯，《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》 課程的影響力也迅速提升。 在教學(xué)領(lǐng)域， 相繼涌現(xiàn)了許多經(jīng)典教材，如Tanenbaum[1]、Kurose[2]、謝希仁[3]、吳功宜[4]等知名學(xué)者所著的教材， 被廣大師生和技術(shù)人員所認(rèn)可。 從21世紀(jì)開始， 美國和歐洲國家相繼啟動(dòng)了多項(xiàng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其相關(guān)科研項(xiàng)目[5]。 在我國，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究也被列入 《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》[6]。 近幾年，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件、傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)理論及應(yīng)用研究已使其從傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的一個(gè)章節(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)相對(duì)獨(dú)立的學(xué)科專業(yè)方向[7]。 各高校投入大量時(shí)間、資金進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)備建設(shè)、師資建設(shè)、培養(yǎng)方案和專業(yè)課程教學(xué)大綱制定和修改[8]。 《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程作為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的核心課程，其課程改革也得到了廣泛的研究。 然而，由于物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)屬于典型的交叉學(xué)科，通信技術(shù)、通信設(shè)備更新速度極快，目前各高校，特別是應(yīng)用型本科高校仍存在實(shí)驗(yàn)設(shè)備匱乏、實(shí)驗(yàn)總學(xué)時(shí)受限制等問題，導(dǎo)致課程效果不佳[9]，現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)課程改革、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)兩方面進(jìn)行分析。

(一)實(shí)驗(yàn)課程改革。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用性強(qiáng)而理論較為枯燥，學(xué)生認(rèn)知難度大。從往年教學(xué)的反饋情況看，學(xué)生普遍感到該課程理論抽象，內(nèi)容枯燥，缺少感性認(rèn)識(shí)。 因此，不少學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒，學(xué)習(xí)積極性差。 與此同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是多學(xué)科交叉專業(yè)，具有較強(qiáng)的應(yīng)用需求，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)，而應(yīng)用型本科院校由于實(shí)驗(yàn)室條件所限，往往很難完成大規(guī)模無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)驗(yàn)。例如，在講解低功耗自適應(yīng)集簇分層性協(xié)議(LEACH 協(xié)議)時(shí)，需要大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成無線傳感網(wǎng)以演示簇的重構(gòu)過程。而在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，每組同學(xué)只有4～5 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，LEACH 協(xié)議實(shí)驗(yàn)無法完成，學(xué)生也不易理解該協(xié)議的算法思想。 因而，迫切需要利用虛擬仿真技術(shù)改革原有實(shí)驗(yàn)課程。

(二)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。 傳統(tǒng)《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》實(shí)驗(yàn)主要包括操作交換機(jī)或路由器設(shè)備、捕獲分析數(shù)據(jù)包、設(shè)計(jì)分析應(yīng)用協(xié)議。 在實(shí)驗(yàn)過程中，盡管也需要管理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和規(guī)劃布線方式，但總體而言，硬件操作較少而軟件桌面操作較多。 《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程包含多種無線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議和算法，涉及十余種不同技術(shù)類型，對(duì)場地、環(huán)境、設(shè)備等的要求各不相同[10-11]，更多體現(xiàn)出嵌入式軟件和硬件的特點(diǎn)。 由于無線傳感網(wǎng)技術(shù)更新較快，類型多樣，也會(huì)導(dǎo)致所需實(shí)驗(yàn)設(shè)備項(xiàng)目繁雜，更新迅速，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)花費(fèi)巨大。 以銅陵學(xué)院為例，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)于2015 年購置了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)箱，其傳感器底板、射頻板目前均已停產(chǎn)，取而代之的是更具智慧化的AIoT 應(yīng)用場景。 實(shí)際上，相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備在此期間已更新?lián)Q代兩次，可見購置專業(yè)實(shí)驗(yàn)箱花費(fèi)之巨大。 而基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目則無此項(xiàng)支出。

綜上可見，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)是一個(gè)綜合性學(xué)科，涉及RFID、WSN、平面編碼、嵌入式、單片機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信等方面知識(shí)，更涉及物流、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、交通等各個(gè)行業(yè)背景。 在此情況下，學(xué)生只是通過書本對(duì)學(xué)生進(jìn)行基礎(chǔ)知識(shí)的教學(xué)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠， 需要讓學(xué)生在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行實(shí)訓(xùn)， 使得學(xué)生不僅學(xué)習(xí)了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理、傳感器原理及應(yīng)用、RFID 原理及應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)、 物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)與原理等理論知識(shí)， 也能夠?qū)⑺鶎W(xué)理論知識(shí)應(yīng)用到各類具有行業(yè)背景的垂直應(yīng)用之中。 而基于虛擬仿真技術(shù)的《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》實(shí)驗(yàn)課程通過虛擬仿真技術(shù)，模擬無線網(wǎng)絡(luò)通信的具體過程， 對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)5G、WIFI、ZIGBEE等網(wǎng)絡(luò)知識(shí)， 了解無線網(wǎng)絡(luò)在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中的應(yīng)用方式和配置方法意義重大。

三、《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》虛擬仿真實(shí)驗(yàn)由感知層的傳感器實(shí)驗(yàn)，傳輸層的無線片上實(shí)驗(yàn)、無線傳感器組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用層的物聯(lián)網(wǎng)仿真環(huán)境應(yīng)用實(shí)驗(yàn)構(gòu)成。 如圖1 所示，該實(shí)驗(yàn)體系將基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用相結(jié)合，由應(yīng)用場景引入基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)， 著重從協(xié)議層面加深學(xué)生更對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)通信知識(shí)的理解。

圖1 基于虛擬仿真技術(shù)的學(xué)生學(xué)習(xí)過程

《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》虛擬仿真實(shí)驗(yàn)集成了各類應(yīng)用場景下的傳感器、無線通信設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，虛擬仿真常見的物聯(lián)網(wǎng)感知層、傳輸層設(shè)備。 本節(jié)從傳感器及無線通信設(shè)備認(rèn)知(感知層)、WSN 溫濕度采集實(shí)驗(yàn)(傳輸層)和智能家居虛擬仿真實(shí)驗(yàn)(應(yīng)用層)三個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)說明。

(一)傳感器及無線通信設(shè)備認(rèn)知

如圖2、圖3 所示，物聯(lián)網(wǎng)感知層實(shí)驗(yàn)包括傳感器及無線通信設(shè)備認(rèn)知。 這些虛擬設(shè)備具有真實(shí)設(shè)備的完整接口和特性， 可以通過串口及網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訪問。 在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生可以從設(shè)備欄中拖曳任意設(shè)備到虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上任意擺放，并且提供電源線、信號(hào)線的便捷連接功能。 虛擬仿真功能能夠有效解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模傳感器實(shí)驗(yàn)的痛點(diǎn)， 支持各類基礎(chǔ)原理實(shí)驗(yàn)、 設(shè)備接口開發(fā)、綜合應(yīng)用開發(fā)和應(yīng)用創(chuàng)新開發(fā)。

圖2 虛擬環(huán)境模擬器及其應(yīng)用

圖3 《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》實(shí)驗(yàn)原理講解

傳感器實(shí)驗(yàn)包括光強(qiáng)、溫度、煙霧、壓力等傳感器實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)控制軟件將編譯結(jié)果和采集到的數(shù)據(jù)通過Web 端反饋至云數(shù)據(jù)中心， 計(jì)算后回傳至虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 通過該系列實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠更為透徹地理解各種類型傳感器的原理， 掌握傳感器動(dòng)靜態(tài)標(biāo)定的用法， 學(xué)會(huì)利用所學(xué)知識(shí)分析傳感器信號(hào)及處理數(shù)據(jù)，能夠結(jié)合“無線片上實(shí)驗(yàn)”所學(xué)知識(shí)實(shí)現(xiàn)特定的傳感器功能。

(二)WSN 溫濕度采集實(shí)驗(yàn)

物聯(lián)網(wǎng)傳輸層實(shí)驗(yàn)由無線片上實(shí)驗(yàn)、 無線傳感器組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)(基于ZigBee 的星形、樹形結(jié)構(gòu))和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合實(shí)驗(yàn)組成，包括建立在基于CC2530 無線片上系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的Zigbee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)、Zigbee組網(wǎng)影響實(shí)驗(yàn)、Zigbee 組網(wǎng)方式實(shí)驗(yàn)、WSN 網(wǎng)關(guān)通信實(shí)驗(yàn)、WSN 繼電器實(shí)驗(yàn)、WSN 溫濕度傳感器實(shí)驗(yàn)、WSN 震動(dòng)傳感器實(shí)驗(yàn)、WSN 煙霧傳感器實(shí)驗(yàn)、 網(wǎng)關(guān)鏈接開發(fā)實(shí)驗(yàn)和Socket 通信開發(fā)實(shí)驗(yàn)， 目的是讓學(xué)生熟悉CC2350 無線片上系統(tǒng)的基本功能，掌握通用輸入/輸出接口、定時(shí)器、外部中斷、串口通信、A/D 轉(zhuǎn)換的操作方法，進(jìn)一步為后續(xù)實(shí)驗(yàn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖4 WSN 溫濕度采集實(shí)驗(yàn)

圖5 配置無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境

圖4 為WSN 溫濕度傳感器實(shí)驗(yàn)， 該實(shí)驗(yàn)講解WSN 溫濕度采集過程（基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)），其步驟如下： 創(chuàng)建虛擬環(huán)境——?jiǎng)?chuàng)建溫度模擬器——?jiǎng)?chuàng)建網(wǎng)關(guān)及溫濕度采集節(jié)點(diǎn)——設(shè)定上報(bào)間隔——連接到網(wǎng)關(guān)——Ping 網(wǎng)關(guān)獲取溫濕度節(jié)點(diǎn)——根據(jù)獲取的節(jié)點(diǎn)短地址監(jiān)控溫濕度。 學(xué)生可通過登錄云實(shí)驗(yàn)中心遠(yuǎn)程操作實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的計(jì)算機(jī)， 通過程序編譯結(jié)果和串口調(diào)試助手查看實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

(三)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

為使學(xué)生熟悉WSN 在具體的行業(yè)應(yīng)用背景之下的使用方法和應(yīng)用領(lǐng)域， 采用Unity 3D 建模技術(shù)，搭建出虛擬家居環(huán)境。 智能家居虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提供燈光控制、窗簾控制、電器控制、環(huán)境參數(shù)采集及防盜報(bào)警，可采集空氣溫濕度、燃?xì)馐欠裥孤?、煙霧、人體紅外等數(shù)據(jù)，當(dāng)有警報(bào)發(fā)生會(huì)進(jìn)行提示。 如圖5 所示，學(xué)生可進(jìn)行房間的自定義，設(shè)置每個(gè)房間內(nèi)智能化設(shè)備，再通過WSN 建立網(wǎng)關(guān)連接， 進(jìn)行WSN 設(shè)備短地址獲取，進(jìn)而控制智能開關(guān)、智能插座、智能窗簾等設(shè)備。

圖6 智能家居管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖6 為智能家居管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例， 學(xué)生可通過WSN 實(shí)現(xiàn)房間管理功能、 設(shè)備管理功能、情景模式設(shè)定功能、布防撤防功能、燈光控制功能、窗簾控制功能、環(huán)境參數(shù)獲取功能和防盜報(bào)警功能。

四、結(jié)語

《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以學(xué)生為中心，以實(shí)際應(yīng)用為切入點(diǎn)，以課堂知識(shí)為主線，以培養(yǎng)系統(tǒng)觀、工程觀、創(chuàng)新觀為目的，展開教學(xué)活動(dòng)。 該仿真實(shí)驗(yàn)根據(jù)銅陵學(xué)院學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)， 遵循興趣引導(dǎo)，由淺入深，循序漸進(jìn)的教學(xué)規(guī)律，將一個(gè)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)劃分為若干相對(duì)簡單，易于理解的小模塊，分配到相應(yīng)教學(xué)單元中去完成。 學(xué)生在進(jìn)行各模塊實(shí)驗(yàn)時(shí)，不僅要考慮本模塊的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，同時(shí)還需考慮本次實(shí)驗(yàn)在整個(gè)系統(tǒng)中的作用， 從而從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，將各模塊組合到預(yù)定的頂層框架中，形成完整的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真系統(tǒng)。推行“虛實(shí)結(jié)合”的《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，探索形式多樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式， 為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)核心通信課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了有力的支持，給學(xué)生提供了隨時(shí)隨地靈活自主學(xué)習(xí)的平臺(tái)， 能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，取得了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。