基于高階Cisco Packet Tracer的“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)”課程實驗體系構(gòu)建

摘 要：針對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)課程實驗條件有限、學生專業(yè)知識積累少和物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)復雜的問題，基于高階Cisco Packet Tracer構(gòu)建了課程實驗體系?；赑acket Tracer仿真平臺設(shè)計了基礎(chǔ)實驗、綜合實驗和創(chuàng)新實驗三個層次的實驗項目，實驗設(shè)計由淺入深，難度從簡單到復雜，從而達到逐步提升學生實驗技能和創(chuàng)新能力的目的。論文對智能停車場實驗項目的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)進行了詳細闡述，從感知層、傳輸層、平臺層到應用層逐層展開，深入淺出地解析了各層的關(guān)鍵技術(shù)及其實現(xiàn)原理。實驗教學實施結(jié)果表明，該實驗體系能夠有效提升學生的學習興趣和實踐能力，為物聯(lián)網(wǎng)工程應用型人才的培養(yǎng)提供了有力支持。

關(guān)鍵詞：Cisco Packet Tracer；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；基礎(chǔ)課程；實驗教學體系；仿真實驗；應用型人才

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）08-0-04

0 引 言

“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)”是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，開設(shè)在大一第一學期。開設(shè)該課程的目的是使學生掌握物聯(lián)網(wǎng)的定義和基本技術(shù)及應用，了解物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)的關(guān)鍵。課程內(nèi)容包括物聯(lián)網(wǎng)基本概念和物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)；物聯(lián)網(wǎng)感知識別層、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡傳輸層、物聯(lián)網(wǎng)平臺層和物聯(lián)網(wǎng)應用層的基本技術(shù)；涉及傳感器及檢測、無線傳感器網(wǎng)絡、無線通信、云計算等技術(shù)，為學生以后的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程學習以及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)打好基礎(chǔ)。實驗教學有助于學生深化理論知識的理解，提高學習效果；可以培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新精神，從而不斷加強他們解決實際問題的能力；也可以提升學生的學習興趣和動力，有助于他們在未來的學習和工作中取得更好的成績[1-2]。因此必須重視并加強物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)課程實驗教學的開展。

Cisco Packet Tracer 是一款功能強大的網(wǎng)絡仿真軟件，其 7.0及后續(xù)版本為物聯(lián)網(wǎng)實驗教學提供了高度仿真的模擬環(huán)

境[3]。用戶可通過圖形化界面直接拖拽傳感器、單片機、執(zhí)行器、RFID 閱讀器等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，并結(jié)合計算機網(wǎng)絡組件構(gòu)建網(wǎng)絡拓撲，自主完成設(shè)計、配置及故障排查。該軟件能夠幫助學生通過實踐探索培養(yǎng)動手能力和創(chuàng)新思維[4-5]。此外，得益于模擬實驗的靈活性和可重復性，學生可隨時隨地進行實驗，大幅提升實驗效率。Cisco Packet Tracer 還提供了豐富的數(shù)據(jù)包分析功能，有助于學生深入理解網(wǎng)絡協(xié)議與數(shù)據(jù)傳輸機制[6]。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)課程實驗教學現(xiàn)狀分析

“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)”作為大一第一學期的入門課程，教學內(nèi)容涵蓋物聯(lián)網(wǎng)基本概念、關(guān)鍵技術(shù)及應用案例，采用由淺入深的方式幫助學生系統(tǒng)理解物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)[7-8]。目前，該課程的實驗教學已實現(xiàn)從無到有的突破，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)與問題。

（1）物聯(lián)網(wǎng)實驗設(shè)備更新滯后。由于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展迅速，新的傳感器、控制器等設(shè)備不斷被推出，而學校的實驗室設(shè)備往往無法及時跟上技術(shù)發(fā)展的步伐。這導致學生在實驗過程中無法接觸到最新的技術(shù)和設(shè)備，影響了實驗教學的效果和質(zhì)量。

（2）物聯(lián)網(wǎng)實驗設(shè)備數(shù)量少、種類單一。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實踐教學中往往需要多個設(shè)備和系統(tǒng)的聯(lián)動，但是學校的實驗教學環(huán)境往往無法滿足這種需求。這可能導致學生在實驗過程中無法充分體驗到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實際應用場景，影響學生實踐能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。

（3）缺少綜合性實驗。目前，實驗主要是基礎(chǔ)性實驗，比如認識傳感器、使用ESP8266單片機、云平臺應用等，都是針對單個知識點進行的，并沒有覆蓋物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的綜合性實驗。這導致學生對四層體系架構(gòu)沒有深入且具體的理解，缺少全局認識。

綜上所述，結(jié)合實驗條件有限、大一新生專業(yè)知識累積少和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)體系架構(gòu)復雜的特點，基于高階Cisco Packet Tracer構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)模擬課程實驗體系是可行的方案。

2 基于高階Cisco Packet Tracer的實驗體系

2.1 實驗體系設(shè)計

課程實驗可劃分為基礎(chǔ)實驗、綜合實驗和創(chuàng)新實驗三個等級。基礎(chǔ)實驗主要是簡單網(wǎng)絡組網(wǎng)、網(wǎng)絡設(shè)備配置等，主要目的是讓學生能夠?qū)τ嬎銠C網(wǎng)絡有具體的認識并能對主機、交換機、路由器和服務器等設(shè)備進行基礎(chǔ)配置。綜合實驗涉及物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，從感知識別層、網(wǎng)絡傳輸層、平臺層到應用層等一系列配置，需要結(jié)合具體應用場景進行驗證、設(shè)計與實現(xiàn)。創(chuàng)新實驗要求學生自主設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)，搭建物聯(lián)網(wǎng)四層體系架構(gòu)，并進行模擬實驗。具體實驗項目見表1。

2.2 實驗案例

以綜合實驗中的智能停車場實驗為例，詳細介紹如何基于Cisco Packet Tracer實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應用案例的完整模擬。

2.2.1 實驗拓撲設(shè)計

本實驗模擬了停車場入口以及兩個車位，拓撲圖如圖1所示。每個組件的功能如下：

（1）停車場入口的運動傳感器檢測是否有車輛進入，如果有則自動打開路燈，并延時自動熄滅。

（2）車位上的重力傳感器自動檢測車位是否有車，如果有車則車位LED燈亮，否則燈滅。

（3）單片機MCU控制重力傳感器狀態(tài)與LED燈的開關(guān)，同時單片機將數(shù)據(jù)上傳至OneNET云平臺，供互聯(lián)網(wǎng)終端遠程查看。

（4）車位激光傳感器檢測車位是否空閑并將信息通過WiFi網(wǎng)絡上傳至IoT服務器，服務器上的數(shù)據(jù)可供智能手機等終端訪問。

接入互聯(lián)網(wǎng)的IoT服務器需設(shè)置IP地址和子網(wǎng)掩碼，并開啟服務器上的IoT服務和DHCP（地址自動分配）功能。無線接入點AP需配置無線WiFi參數(shù)（SSID和密碼）組建無線局域網(wǎng)。智能手機需配置WiFi參數(shù)接入AP。激光傳感器添加無線網(wǎng)卡PT-IoT-NM-1W后配置WiFi參數(shù)使得其可連接無線AP。

2.2.2 OneNET平臺創(chuàng)建產(chǎn)品

OneNET平臺是由中國移動打造的PaaS物聯(lián)網(wǎng)開放平臺，主要功能包括設(shè)備接入、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)集成、應用集成、消息集成、接口集成等，旨在降低物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)和部署成本，為智能硬件、智能家居產(chǎn)品提供完善的物聯(lián)網(wǎng)解決

方案[9]。

注冊并登錄OneNET中國移動物聯(lián)網(wǎng)開放平臺，創(chuàng)建“TCP透傳”產(chǎn)品，命名產(chǎn)品，記錄產(chǎn)品ID。添加兩個設(shè)備，設(shè)備名分別為“車位1”和“車位2”，記錄兩個設(shè)備的鑒權(quán)信息，上傳腳本sample.lua。制做一個簡單的應用界面顯示停車場車位狀態(tài)。

2.2.3 MCU編程

MCU編程主要涉及物件的基本屬性定義、回調(diào)函數(shù)的定義、數(shù)據(jù)信息處理，以及內(nèi)部狀態(tài)變化對應的邏輯處理，以使得物件與物件之間、物件與IoT服務器之間能夠正常交互信息[10-11]。與IoT服務器交互的物件，其硬件電路接口電平發(fā)生變化或通過無線方式收到IoT服務器數(shù)據(jù)時，在該物件中的Python代碼都將采用回調(diào)函數(shù)進行信息處理。主要代碼如下所示：

serverIP=\"dtu.heclouds.com\" #oneNET云平臺

serverPort=1811

auth='*產(chǎn)品ID #chewei1#chewei*' #具體的產(chǎn)品ID、設(shè)備1鑒權(quán)信息，腳本名稱

client=RealTCPClient（）

def onTCPConnectionChange（type）：

if int（type）==3：

client.send（auth）

client.onConnectionChange（onTCPConnectionChange）

client.connect（serverIP，serverPort）

while True：

b1=analogRead（0）" #讀取D0接口數(shù)據(jù)賦值給b1

if（b1！=0）：

digitalWrite（1，1023） #打開車位1的LED

else：

digitalWrite（1，0） #關(guān)閉車位1的LED

move=digitalRead（4） #讀取D4接口數(shù)據(jù)賦值給move

if（move！=0）：

customWrite（5，2） #給D5接口寫入數(shù)據(jù)2，打開路燈

else：

customWrite （5，0） #給D5接口寫入數(shù)據(jù)0，關(guān)閉路燈

client.send（b1）

2.2.4 實驗測試

運行單片機MCU的Python代碼。按住Alt鍵，鼠標左鍵點擊車位1的重力傳感器（開關(guān)）模擬車輛停入車位1，車位1的LED燈會亮起。松開鼠標左鍵，模擬車輛離開車位，車位1的LED燈會熄滅，如圖2所示。按下Alt鍵同時鼠標遮擋激光，看到激光傳感器上的指示燈變紅。可在智能手機上遠程查看車位狀態(tài)的改變（綠色表示有車），如圖3所示。

如圖4所示，按下Alt鍵時鼠標滑過運動傳感器，模擬車輛進入，停車場入口的路燈會亮起。當5 s未檢測到運動時，路燈自動熄滅。如圖5所示，在云平臺上查看車位空閑情況，車位顯示“0”表示空閑，顯示“1023”表示車位有車。

通過本實驗，學生從物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡層、平臺層和應用層全方位、全角度設(shè)計并實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運行操作，對物聯(lián)網(wǎng)的四層架構(gòu)有了清晰認識，在深化理論知識理解的同時提升了他們的實踐能力。

3 實驗教學考核方法與實施評價

實驗教學的考核主要通過以下幾個方面進行：

（1）實驗報告分析：對學生提交的實驗報告進行分析評分，評估學生的實驗操作、數(shù)據(jù)分析和解決問題的能力。

（2）實驗操作考核：設(shè)計實驗操作考核任務，要求學生現(xiàn)場演示或操作，觀察其技能掌握情況。操作考核能夠直接觀察學生的實際操作能力，有助于發(fā)現(xiàn)操作中存在的問題。

（3）項目完成情況評價：實驗教學包含創(chuàng)新性項目，對項目完成情況進行評估，包括項目創(chuàng)新性、實用性以及報告撰寫等。綜合性項目的完成情況可以反映學生在知識整合、問題解決和團隊合作等方面的能力。

實驗教學實施效果通過學生問卷調(diào)查和考試成績分析進行評估。在學習通平臺發(fā)放問卷調(diào)查收集學生對實驗教學的滿意度和學習興趣等反饋。結(jié)果顯示，學生對實驗教學效果的滿意度較上一屆顯著提升；考核結(jié)果也表明，學生的實踐技能掌握程度和理論知識理解情況均有明顯改善。

4 結(jié) 語

實驗教學能夠?qū)⑽锫?lián)網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)的理論知識與實際操作相結(jié)合，通過實驗操作不僅能加深學生對理論知識的理解與運用，同時還能提高學生的實踐能力和解決問題的能力。本文設(shè)計了一系列基于模擬軟件的實驗項目，利用模擬軟件構(gòu)建實驗體系可以解決實驗設(shè)備不足、更新滯后的問題，并且能夠快速完成物聯(lián)網(wǎng)完整體系結(jié)構(gòu)的實驗。這種教學方法有助于提升“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)”課程的教學質(zhì)量，激發(fā)學生的學習興趣和積極性，為后續(xù)專業(yè)課的學習以及物聯(lián)網(wǎng)應用型工程人才的培養(yǎng)奠定扎實的基礎(chǔ)。

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