物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的智能家居虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

白凱 文漢云 靳國興

（長江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州 434023）

一、引言

物聯(lián)網(wǎng)工程是一門集通信、計(jì)算機(jī)、電子等學(xué)科于一體的交叉學(xué)科，也是一門以工程應(yīng)用為基礎(chǔ)，綜合集成現(xiàn)有先進(jìn)信息技術(shù)的學(xué)科。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的培養(yǎng)需要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、工程技能和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。目前物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨諸多挑戰(zhàn)，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備價(jià)格比較昂貴，各門課的軟件和硬件也各自分離，沒有整合，每門課都是按其所設(shè)計(jì)內(nèi)容安排獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)而沒有融會(huì)貫通，各實(shí)驗(yàn)設(shè)備依賴各種獨(dú)立的供應(yīng)商，并且實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴,一旦缺乏了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法，學(xué)生只有通過書本的理論知識(shí)來接觸物聯(lián)網(wǎng)原理和應(yīng)用,無法從整體對(duì)理解物聯(lián)網(wǎng)的工作過程，從而了解物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)特點(diǎn)。

我們建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，將這些實(shí)驗(yàn)課程通過使用仿真軟件進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅可以節(jié)省大量的硬件資源，完全可以把物聯(lián)網(wǎng)從感知層到應(yīng)用層全部整合起來。讓學(xué)生更加關(guān)注傳感器的應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)工程設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)路由算法等核心方法，所以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有力補(bǔ)充，因此在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)中進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用和推廣是必要的。

二、設(shè)計(jì)理念

通過虛擬仿真系統(tǒng)，學(xué)生可以了解整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的開發(fā)和設(shè)計(jì)過程。掌握來自傳感器的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)傳輸采用短距離無線通信技術(shù)，控制其對(duì)應(yīng)的應(yīng)用層智能設(shè)備。相關(guān)課程包括物聯(lián)網(wǎng)原理與應(yīng)用、傳感器原理與應(yīng)用、短距離無線通信技術(shù)等。該虛擬實(shí)驗(yàn)在物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集層設(shè)計(jì)中考慮了各種傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中工作過程，這樣就可以在虛擬實(shí)驗(yàn)中充分體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的三層結(jié)構(gòu)，從整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)虛擬實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)，該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)將虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)場(chǎng)景設(shè)置為家庭場(chǎng)景。在布景場(chǎng)景中，安裝了各種各樣的傳感器。學(xué)生只需點(diǎn)擊虛擬實(shí)驗(yàn)中的各種傳感器，界面就會(huì)顯示傳感器介紹、接線圖和通信節(jié)點(diǎn)。然后繼續(xù)設(shè)置網(wǎng)關(guān)，就可以做到“虛實(shí)結(jié)合”，工作后界面會(huì)展示各種設(shè)備的工作情況，引導(dǎo)學(xué)生了解物聯(lián)網(wǎng)工作的特點(diǎn)。虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)相關(guān)課程的教學(xué)內(nèi)容，可以讓學(xué)生實(shí)踐學(xué)習(xí)理論得到鍛煉，充分了解物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的整體發(fā)展過程。

三、智能家居虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容

物聯(lián)網(wǎng)智能家居虛擬仿真系統(tǒng)可以從第一視角展示家庭的具體情況。圖1 是虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)界面：下面把典型實(shí)驗(yàn)介紹如下：

圖1 智能家居虛擬仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)行界面

（一）智能家居環(huán)境監(jiān)控

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握各種傳感器的使用方法，獲取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，掌握基本的開關(guān)邏輯。

實(shí)驗(yàn)原理:溫濕度傳感器工作原理、光傳感器工作原理、紅外傳感器工作原理。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:實(shí)時(shí)監(jiān)控家庭環(huán)境，如設(shè)備是否在線、光照溫濕度、設(shè)備的短地址等。

通過設(shè)備介紹按鈕，可以對(duì)場(chǎng)景中的各種傳感器有一個(gè)簡單地了解。觀察場(chǎng)景時(shí)，還可以點(diǎn)擊相應(yīng)的傳感器進(jìn)行進(jìn)一步了解。包括傳感器的介紹、接線圖和通信節(jié)點(diǎn)的介紹。學(xué)生可以通過彈出的界面了解所使用的傳感器的原理、接線和設(shè)備。本實(shí)驗(yàn)使用了多個(gè)節(jié)點(diǎn)傳感器，如人體檢測(cè)傳感器、溫濕度傳感器、煙霧傳感器等，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，然后通過zigbee 組網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到zigbee 協(xié)調(diào)終端。然后協(xié)調(diào)器通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給處理器，處理器進(jìn)行進(jìn)一步處理。如圖2 所示:

（二）智能燈光控制

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆湛刂艫pp 通訊功能，了解光敏傳感器的工作原理；掌握物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議和編解碼的一般原理。讓學(xué)生學(xué)習(xí)如何通過無線網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)上傳到PLC，然后通過網(wǎng)絡(luò)上傳到服務(wù)器，學(xué)習(xí)如何配置網(wǎng)關(guān)。

實(shí)驗(yàn)原理：通過串口協(xié)議建立網(wǎng)絡(luò)物理通道和板載ZigBee 協(xié)調(diào)器的PANID。在cortex-a8 智能網(wǎng)關(guān)板上啟動(dòng)ZigBee 協(xié)調(diào)器后，就可以創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)。成功將帶RFID 的IMOTE 模塊的遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)搜索添加到網(wǎng)絡(luò)后，通過Qt 應(yīng)用程序即可完成實(shí)驗(yàn)功能的操作。點(diǎn)擊yeelight adm 按鈕，首先搜索設(shè)備。搜索設(shè)備后，點(diǎn)擊管理按鈕就會(huì)彈出yeelight 的操作界面。

使用客戶端將智能燈接入局域網(wǎng)，并在官方應(yīng)用程序中打開“LAN control”接口功能，第三方應(yīng)用程序可根據(jù)提供的API 接口與智能燈通信。

四、教學(xué)模式應(yīng)用方法

（一）理論與實(shí)踐相結(jié)合的課堂教學(xué)

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)踐性強(qiáng)，僅僅講解理論教學(xué)難以提高教學(xué)質(zhì)量。如果能采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的課堂教學(xué)方法，可以達(dá)到事半功倍的效果。例如，在本課程中對(duì)傳感器原理的講解中，傳感器原理比較復(fù)雜，很難理解，所以學(xué)生很難掌握知識(shí)的重點(diǎn)。如果老師能做一個(gè)簡短的理論教學(xué)，準(zhǔn)確的解釋，然后讓學(xué)生用虛擬仿真的平臺(tái)去實(shí)踐，學(xué)生就能很容易的理解這個(gè)問題。在教學(xué)中，我們完全采用了真實(shí)和模擬相結(jié)合的方法來獲得良好的教學(xué)效果。

（二）情景模擬教學(xué)

智能家居設(shè)計(jì)為3D 模擬界面，可以以第一人稱視角移動(dòng)，具有良好的沉浸感。在未來，我們還可以考慮加入3D 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，與3D 眼鏡合作。該場(chǎng)景的設(shè)計(jì)可以增強(qiáng)學(xué)生的直觀認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)機(jī)。

圖3 3D 的顯示效果圖

（三）實(shí)訓(xùn)教學(xué)案例

在每個(gè)實(shí)訓(xùn)的案例中,現(xiàn)代信息技術(shù)是用各種各樣的合理和有效手段,充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和管理、教學(xué)大綱、教學(xué)安排、教學(xué)計(jì)劃、網(wǎng)絡(luò)課件或視頻講座、習(xí)題、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)和逐步開放上網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源24 小時(shí)共享,方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

五、結(jié)論

該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建立主要達(dá)到了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)系列課程要求的完整性和系統(tǒng)性。

（一）完整性

功能齊全的物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以完成“全功能”實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)。物聯(lián)網(wǎng)分為信息獲取與信息傳輸、信息處理與應(yīng)用三個(gè)層次。目前建立的物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)驗(yàn)室缺乏“信息獲取”的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。全功能物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室將能夠開展物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)的全功能實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)。

（二）系統(tǒng)性

物聯(lián)網(wǎng)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)完成后，可為相關(guān)專業(yè)學(xué)生提供包括專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)必修課、專業(yè)選修課和工程實(shí)訓(xùn)在內(nèi)的所有實(shí)踐課程提供支撐。