“物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)”虛擬仿真教學(xué)綜合實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)

金強(qiáng)山　馮光　李改鋒

摘? 要： 針對(duì)西部院校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)教學(xué)資源不足、教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際生活脫節(jié)等問(wèn)題，利用虛擬仿真提升實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果。綜合實(shí)訓(xùn)緊緊圍繞物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)三個(gè)層次（感知層、傳輸層、應(yīng)用層）展開，利用實(shí)訓(xùn)仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室蔬菜大棚內(nèi)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)與預(yù)警，最終編寫上位機(jī)程序獲取顯示各項(xiàng)數(shù)據(jù)，繪制數(shù)據(jù)曲線觀察數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。實(shí)踐結(jié)果表明，此綜合設(shè)計(jì)案例提升了學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與綜合實(shí)踐能力，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng); 智慧農(nóng)業(yè); 虛擬仿真; 綜合實(shí)訓(xùn)

中圖分類號(hào)：TP311.01? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2022）04-21-03

Comprehensive training design of virtual simulation teaching for

"Internet of things intelligent agriculture"

Jin Qiangshan， Feng Guang， Li Gaifeng

（Xinjiang Institute of Technology， Information Engineering Department， Aksu， Xinjiang 843000， China）

Abstract： In western colleges and universities， there are problems such as insufficient teaching resources and disconnection between teaching content and real life in the practical training of Internet of Things. The use of virtual simulation can improve the teaching effect of practical training. The experiment only focuses on the three levels （perception layer， transmission layer and application layer） of the core technology of the Internet of things. Using the "Internet of things industry training simulation" platform， the monitoring and early warning of the data in the vegetable greenhouse are realized. The host computer program is compiled to display the data， draw the curve and observe the dynamic change trend. The practical results show that through this comprehensive design case， the students' ability of analysis， design and comprehensive practice of the Internet of things system is improved， and their enthusiasm for learning is stimulated.

Key words： Internet of things; intelligent agriculture; virtual simulation; comprehensive training

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)作為一門新型交叉學(xué)科，涉及通信技術(shù)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，被認(rèn)為是信息時(shí)代的第三次浪潮[1]。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系中，綜合實(shí)訓(xùn)是實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)、提升學(xué)生綜合實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)存在一些不足，如實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容過(guò)于陳舊，與實(shí)際生活脫節(jié);綜合性實(shí)驗(yàn)較少，不能融合多學(xué)科知識(shí);實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生積極性不高[2]。對(duì)于西部地區(qū)應(yīng)用型本科院校來(lái)講，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)費(fèi)不足，實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源不充裕，教學(xué)效果不理想;為了能夠滿足實(shí)踐教學(xué)的需求，虛擬仿真系統(tǒng)逐漸成為教師關(guān)注的熱點(diǎn)。

因此，將虛擬仿真系統(tǒng)引入綜合實(shí)訓(xùn)課程，不僅有效緩解實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源匱乏的問(wèn)題，而且仿真系統(tǒng)逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境有效的還原真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情境，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

1 物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)訓(xùn)

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)體系主要包括基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)、綜合實(shí)訓(xùn)、創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)三部分，其中綜合實(shí)訓(xùn)指學(xué)生能夠利用學(xué)過(guò)的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)知識(shí)，完成簡(jiǎn)單的物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目，提升學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力，同時(shí)既是基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)的延伸，也是創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)的開端。綜合實(shí)訓(xùn)（如圖1所示）要僅僅圍繞物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的三個(gè)層次結(jié)構(gòu)，包括感知層、傳輸層、應(yīng)用層[3]。要求學(xué)生掌握物聯(lián)網(wǎng)三個(gè)層次結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)、數(shù)據(jù)通信協(xié)議，能夠完成一些綜合性設(shè)計(jì)項(xiàng)目，如智慧農(nóng)業(yè)、智能交通、智能家居、物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)綜合互連等。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是提升學(xué)生實(shí)踐能力、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要載體，利用虛擬仿真技術(shù)可以拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間，提升課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和水平[4]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：①虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以真實(shí)呈現(xiàn)常規(guī)實(shí)驗(yàn)不易觀察的現(xiàn)象與結(jié)果，縮短實(shí)驗(yàn)周期，克服空間與場(chǎng)所的局限[5];②虛擬仿真實(shí)驗(yàn)高標(biāo)準(zhǔn)的仿真度，給學(xué)生以沉浸感，克服了實(shí)際教學(xué)資源不足的困難，降低了教學(xué)成本[6];③虛擬仿真實(shí)驗(yàn)使實(shí)驗(yàn)教學(xué)更靈活，突顯了“以學(xué)生為中心”的理念，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性[7]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力、信息化應(yīng)用能力及綜合素質(zhì)，在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)中具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。38FEC368-C650-4D42-ADE6-5F0FBCBF81DF

3 “物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)”虛擬仿真綜合實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)

在Windows操作系統(tǒng)下，利用“物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)實(shí)訓(xùn)仿真”平臺(tái)完成“物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)”綜合實(shí)訓(xùn)案例，采集溫室蔬菜大棚中溫度、濕度、二氧化碳、光照、土壤溫度與濕度等數(shù)據(jù)，并能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行采集與呈現(xiàn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模孩倌軌驅(qū)?jiǎn)單的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì);②能夠熟練使用常用的傳感器設(shè)備;③能夠熟練掌握相關(guān)的通信協(xié)議與設(shè)備并進(jìn)行組網(wǎng);④能夠編寫簡(jiǎn)單的上位機(jī)程序?qū)Λ@取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行呈現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求：設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，完成對(duì)溫室蔬菜大棚中溫度、濕度、二氧化碳、光照、土壤溫度和濕度等數(shù)據(jù)的采集;如果某一項(xiàng)數(shù)據(jù)的值脫離標(biāo)準(zhǔn)范圍，警報(bào)燈點(diǎn)亮;上位機(jī)程序能實(shí)時(shí)顯示傳感器采集的數(shù)據(jù)。

3.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)所使用計(jì)算機(jī)為Inter（R）Core（TM）i5-4590、3.3GHz、4GB內(nèi)存、Win7操作系統(tǒng)，使用“物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)實(shí)訓(xùn)仿真”平臺(tái)、USR-VCOM虛擬串口、JDK1.8、Eclipse 4.7.2開發(fā)環(huán)境。

3.3 實(shí)驗(yàn)方法和步驟

⑴ 設(shè)計(jì)“物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)”監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，重點(diǎn)考核學(xué)生I/O模塊組網(wǎng)、相關(guān)傳感器設(shè)備互聯(lián)互通、常用傳感器功能等知識(shí)點(diǎn)，一種設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

⑵ 在“物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)實(shí)訓(xùn)仿真”平臺(tái)中，打開“測(cè)試連線”和“模擬實(shí)驗(yàn)”檢測(cè)傳感器之間連線是否正確。若出現(xiàn)錯(cuò)誤連線，平臺(tái)將進(jìn)行提示;可通過(guò)消息面板查看各傳感器獲取數(shù)據(jù)是否正常。

⑶ 基于Eclipse編寫上位機(jī)程序，獲取傳感器數(shù)據(jù)，使其顯示在界面中。本環(huán)節(jié)重點(diǎn)考查學(xué)生獲取傳感器數(shù)據(jù)，利用Java面向?qū)ο蠡A(chǔ)知識(shí)，如圖形用戶界面的編寫、事件監(jiān)聽、內(nèi)部類的使用等;若對(duì)代碼規(guī)范有更高的要求，可引入“觀察者設(shè)計(jì)模式”，提升代碼復(fù)用，優(yōu)化代碼結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

⑷ 在仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，打開“模擬實(shí)驗(yàn)”，運(yùn)行上位機(jī)程序，檢測(cè)上位機(jī)程序是否能夠正確獲取數(shù)據(jù)，上位機(jī)正確運(yùn)行界面如圖4所示。

⑸ 對(duì)傳感器獲取到的數(shù)據(jù)（如溫濕度、二氧化碳、光照、土壤溫度與濕度等）進(jìn)行繪圖，觀察數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化及趨勢(shì)。

4 教學(xué)實(shí)施與評(píng)價(jià)

“物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)”虛擬仿真綜合實(shí)訓(xùn)為期兩周，學(xué)生三人一組，小組內(nèi)自主協(xié)調(diào)分工，共同完成綜合實(shí)訓(xùn)內(nèi)容?？荚u(píng)主要以現(xiàn)場(chǎng)答辯和實(shí)驗(yàn)報(bào)告兩項(xiàng)，分值各占50%。學(xué)生需要匯報(bào)“物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)”系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路，選取傳感器，組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)連線測(cè)試，及上位機(jī)的編寫等，思路要清晰，可以展示小組系統(tǒng)的特色與亮點(diǎn)，提升學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)三個(gè)層次核心技術(shù)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。

5 總結(jié)

通過(guò)“物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)”虛擬仿真綜合實(shí)訓(xùn)，學(xué)生利用“物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)實(shí)訓(xùn)仿真”平臺(tái)，掌握了物聯(lián)網(wǎng)感知層、傳輸層、應(yīng)用層三個(gè)層次的核心技術(shù)，一方面發(fā)揮了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，解決了實(shí)際教學(xué)資源不足的困難;另一方面突破了時(shí)間和空間的限制，學(xué)生可以反復(fù)實(shí)踐訓(xùn)練，提升了學(xué)生需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作及動(dòng)手實(shí)踐能力，最終取得了良好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 謝澤奇，張會(huì)敏，沈陽(yáng).新型物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018，35（5）：31-34，46

[2] 安健，任東勝，桂小林，等.物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐能力培養(yǎng)的研究與探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018，35（10）：15-18，21

[3] 崔艷榮，陳勇，胡蓉華.物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2019，36（6）：198-200

[4] 祖強(qiáng)，魏永軍.國(guó)家級(jí)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目申報(bào)策略探討[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018，35（9）：236-238

[5] 郭婷，楊樹國(guó)，江永亨，黃開勝.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)與應(yīng)用研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2019，36（10）：215-217，220

[6] 明仲，蔡茂國(guó)，朱安民.虛實(shí)結(jié)合建設(shè)高水平虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2017，36（11）：146-150，165

[7] 向遠(yuǎn)明，范炤，王伏玲.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室在心理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015，32（12）：120-12238FEC368-C650-4D42-ADE6-5F0FBCBF81DF