物聯(lián)網(wǎng)移動應(yīng)用多元化虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計

摘 要：針對國內(nèi)高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)移動應(yīng)用開發(fā)課程的系統(tǒng)化實(shí)驗(yàn)要求，提出并設(shè)計了多元化虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺。剖析了新時代人才培養(yǎng)的核心，以學(xué)生為中心，以實(shí)踐教學(xué)為主，培養(yǎng)復(fù)合型人才，提出并設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)體系的移動應(yīng)用開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺?；谠撈脚_，學(xué)生從全局角度出發(fā)，設(shè)計移動應(yīng)用終端程序，同時引導(dǎo)學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)體系內(nèi)的模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新。該實(shí)驗(yàn)平臺更加符合“互聯(lián)網(wǎng)+”教育模式下線上線下融合的要求，打破了時間和空間的束縛，有效提升了學(xué)生的動手能力、系統(tǒng)思維能力和創(chuàng)新思維能力，更能培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識的能力。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；移動應(yīng)用開發(fā)；仿真平臺；虛實(shí)結(jié)合；實(shí)踐教學(xué)；互聯(lián)網(wǎng)+

中圖分類號：TP306 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）06-0-04

0 引 言

創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是面向當(dāng)今和未來高校人才培養(yǎng)的訴求，創(chuàng)新能力已經(jīng)成為大學(xué)生學(xué)習(xí)生活中非常重要的組成部分。文獻(xiàn)[1]提出了依托科研實(shí)驗(yàn)室與科技創(chuàng)新社團(tuán)相結(jié)合的新型創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式。以“實(shí)踐+”為核心的人才培養(yǎng)模式，突出以實(shí)踐能力培養(yǎng)為目標(biāo)，實(shí)踐與理論相融合[2]?！靶鹿た啤比瞬排囵B(yǎng)計劃中提出的培養(yǎng)復(fù)合創(chuàng)新型人才，在很多課程體系的設(shè)計中將仿真和實(shí)物相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的培養(yǎng)模式[3-7]?！爸悄?”創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式突出了場景的重要性，應(yīng)用場景的設(shè)置應(yīng)與社會中具體的產(chǎn)業(yè)

結(jié)合[8]。

移動應(yīng)用開發(fā)是計算機(jī)相關(guān)專業(yè)或相似專業(yè)非常重要的一門專業(yè)課，傳統(tǒng)的移動應(yīng)用開發(fā)課程主要培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計能力，重點(diǎn)在于界面設(shè)計、邏輯處理，可能包括部分云端API交互，但是無法滿足物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)方向的培養(yǎng)需求。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)具有一定的抽象性，學(xué)生無法從書本或教材中全面理解與掌握物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的相關(guān)知識[9]，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)方向的移動應(yīng)用開發(fā)應(yīng)該解決典型物聯(lián)網(wǎng)場景下的應(yīng)用問題。在典型的物聯(lián)網(wǎng)場景中，要突出以學(xué)生為中心，以實(shí)踐教學(xué)為主，全面系統(tǒng)地培養(yǎng)大學(xué)生綜合運(yùn)用知識的能力，同時培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。文中提出并設(shè)計了物聯(lián)網(wǎng)移動應(yīng)用多元化虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺。

1 實(shí)踐教學(xué)需求

“互聯(lián)網(wǎng)+”浪潮下，各種在線課程的建設(shè)如火如荼[10-12]（如慕課等）。對于以實(shí)踐為主的課程，在線課程需要解決重實(shí)踐的課程環(huán)境搭建問題。對于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的移動應(yīng)用開發(fā)，需要在具體的物聯(lián)網(wǎng)場景中進(jìn)行學(xué)習(xí)，培養(yǎng)大學(xué)生的動手能力、系統(tǒng)思維能力和創(chuàng)新思維能力。環(huán)境構(gòu)建包含實(shí)物和虛擬部分。

（1）實(shí)物，即為該課程需要解決的項目場景提供配套實(shí)物，該實(shí)物可以是社會生活中真實(shí)的實(shí)物，也可以是等比例縮放的迷你版實(shí)物。實(shí)物可以培養(yǎng)大學(xué)生求真務(wù)實(shí)的品質(zhì)，提高大學(xué)生在具體環(huán)境中解決實(shí)際問題的能力，激發(fā)大學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和團(tuán)結(jié)合作精神，可以為大學(xué)生今后更好地適應(yīng)工作做好準(zhǔn)備。

（2）虛擬，即通過仿真模擬真實(shí)的實(shí)物，虛擬環(huán)境可以很大程度上解決環(huán)境搭建成本高、時間長等問題，打破了時間和空間的限制，滿足學(xué)生線上固定學(xué)習(xí)，線下自由學(xué)習(xí)，校內(nèi)專業(yè)與非專業(yè)學(xué)習(xí)等需求，可以大批量提供學(xué)習(xí)機(jī)會。

實(shí)踐教學(xué)離不開具體的環(huán)境設(shè)計，合理、有效、簡潔的系統(tǒng)平臺可以很大程度提高課程的學(xué)習(xí)效率，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識的能力。

2 多元化虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺

目前很多高校引入了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺[13-14]，虛擬仿真平臺可以大幅節(jié)約成本，提高課堂授課效率。同時，諸多高校利用已有的硬件設(shè)備結(jié)合虛擬平臺，設(shè)計了虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)環(huán)境[15-16]，通過充分利用資源，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。論文為解決物聯(lián)網(wǎng)典型場景下移動應(yīng)用開發(fā)的問題，設(shè)計了一套多元化虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺。首先將系統(tǒng)模塊化，如圖1所示，將物聯(lián)網(wǎng)三層系統(tǒng)進(jìn)行分類，分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，分別對感知層、云平臺和手機(jī)端進(jìn)行實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建。

針對具體的物聯(lián)網(wǎng)場景，本案例使用智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場景，該系統(tǒng)可以實(shí)時感知大氣環(huán)境中的溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、光照、氣壓、PM2.5和二氧化碳以及土壤環(huán)境中的pH值、雨量、溫度和濕度。還可以控制執(zhí)行端水閥的開和關(guān)。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

在感知層，數(shù)據(jù)來源于虛擬仿真軟件、實(shí)物設(shè)備和數(shù)據(jù)模擬器；云平臺端包含數(shù)據(jù)的展示和對外提供RESTful API接口；手機(jī)端程序包含Android端和鴻蒙端APP，未來可以無縫接入iOS端APP。其中，感知層實(shí)現(xiàn)了虛實(shí)結(jié)合設(shè)計，即虛擬仿真可以產(chǎn)生仿真數(shù)據(jù)，模擬真實(shí)設(shè)備的數(shù)據(jù)；實(shí)物設(shè)備采集真實(shí)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)模擬器純軟件定制產(chǎn)生傳感器數(shù)據(jù)，方便調(diào)試。手機(jī)端實(shí)現(xiàn)了多元化設(shè)計，包括Android、HarmonyOS和iOS端APP。

2.1 感知層設(shè)計

感知層設(shè)計包含虛擬仿真、實(shí)物設(shè)計和數(shù)據(jù)模擬器。

2.1.1 虛擬仿真

采用物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)實(shí)訓(xùn)仿真平臺進(jìn)行設(shè)計，該軟件包含傳感器、采集器、RFID和其它虛擬設(shè)備。本系統(tǒng)是智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場景，如圖3所示，系統(tǒng)主要硬件如下：

（1）光照傳感器、溫濕度傳感器、PM2.5傳感器、大氣壓力傳感器、土壤水分傳感器、風(fēng)速傳感器等接入ZigBee模塊，實(shí)現(xiàn)光照度、溫濕度、PM2.5值、大氣壓力、土壤水分、風(fēng)速等模擬數(shù)據(jù)的采集。

（2）風(fēng)向傳感器、二氧化碳傳感器、排氣扇繼電器等接入ADAM-4017模擬量采集器，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)向、二氧化碳濃度等信息的采集；繼電器接入ADAM-4150，實(shí)現(xiàn)對排氣扇開關(guān)的控制。

（3）ADAM-4150通過RS 485總線接入物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，各ZigBee節(jié)點(diǎn)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)接入物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)。

（4）物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)通過WiFi網(wǎng)絡(luò)接入Internet，連接到部署在公網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)云平臺。

（5）移動端APP通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和管理。

（6）項目中以4個排氣扇來代替水閥。

2.1.2 實(shí)物

使用新大陸的1+X傳感網(wǎng)設(shè)備，其設(shè)備體系如圖4所示。該設(shè)備體系的硬件通過MCU+通信模組組成，其中MCU主要包含3種：STMF103VE、CC2530和STM32L151C8Tx；通信模組包括RS 232、RS 485、CAN、ZigBee、LoRa、WiFi、NB-IoT，其中有線方式（RS 232、RS 485、CAN）通過485或者232轉(zhuǎn)485轉(zhuǎn)換器連入網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)從485格式轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)包，進(jìn)而路由到WAN口進(jìn)入公網(wǎng)。由于云平臺位于公網(wǎng)，因此數(shù)據(jù)可以傳送到云平臺端，手機(jī)可與云平臺交互；無線方式（短距ZigBee、遠(yuǎn)距LoRa）最終也通過485連入網(wǎng)關(guān)，進(jìn)而進(jìn)入公網(wǎng)；WiFi方式直接連入路由器，之后進(jìn)入公網(wǎng)；NB-IoT通過基站連入公網(wǎng)。感知層的數(shù)據(jù)進(jìn)入公網(wǎng)后可路由到云平臺，進(jìn)而手機(jī)端程序可與云平臺交互，完成數(shù)據(jù)的采集和控制感知層執(zhí)行。

智慧農(nóng)業(yè)案例采用ZigBee進(jìn)行組網(wǎng)設(shè)計，如圖5所示。溫濕度、光照等信息通過ZigBee節(jié)點(diǎn)無線傳到匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)通過232轉(zhuǎn)485模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)包的格式，進(jìn)而路由到公網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳遞到云平臺。

2.1.3 數(shù)據(jù)模擬器

感知層的數(shù)據(jù)也可以直接通過軟件模擬隨機(jī)產(chǎn)生數(shù)據(jù)，如圖6所示。模擬傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺，完成數(shù)據(jù)的采集。

2.2 云平臺

云平臺可以自行設(shè)計也可以直接使用現(xiàn)有的云平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，如圖7所示。

2.3 手機(jī)端

手機(jī)端可以采用虛擬手機(jī)設(shè)備和實(shí)物手機(jī)設(shè)備進(jìn)行程序調(diào)試。

2.3.1 虛擬手機(jī)設(shè)備

對于Android平臺，可以利用IDE提供的虛擬設(shè)備對TV、Phone、Wear OS、Tablet和Automotive設(shè)備進(jìn)行虛擬化，每個種類下包含了很多產(chǎn)品，如Phone下面包含了Pixel、Nexus等。使用虛擬設(shè)備可以很大程度提高教師授課演示的效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

對于HarmonyOS平臺，可以利用華為公司的DevEco Studio開發(fā)軟件進(jìn)行設(shè)備的虛擬化，然后調(diào)試鴻蒙端的APP程序。

2.3.2 實(shí)物手機(jī)設(shè)備

學(xué)生可以利用安卓手機(jī)和鴻蒙手機(jī)直接進(jìn)行真機(jī)調(diào)試，也可以在實(shí)驗(yàn)室中使用統(tǒng)一提供的安卓平板進(jìn)行安卓程序調(diào)試。使用真機(jī)調(diào)試時，可以加快調(diào)試的速度，對程序功能的完整性進(jìn)行測試。

2.4 多元化設(shè)計

手機(jī)端可以在HarmonyOS平臺進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計與Android應(yīng)用設(shè)計，讓學(xué)生可以將共同的知識點(diǎn)進(jìn)行平滑遷移，通過學(xué)一門課掌握多種技能。未來也考慮無縫引入iOS端，作為擴(kuò)展內(nèi)容。在感知層，可以提供不同場景，讓學(xué)生自己進(jìn)行感知層設(shè)計，使用虛擬仿真軟件或?qū)嵨镌O(shè)備進(jìn)行設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新，將想法轉(zhuǎn)化為實(shí)踐。

3 多元化虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺的教學(xué)應(yīng)用成效

基于多元化虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)移動應(yīng)用開發(fā)課程，在師生受益、時間和空間突破、教學(xué)質(zhì)量提升、培養(yǎng)創(chuàng)新能力等方面取得了顯著成效。

（1）學(xué)生受益面從校內(nèi)專業(yè)拓展至校內(nèi)非專業(yè)，同時擴(kuò)展至同類學(xué)校，也包含了社會人員。學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)室、圖書館等場所完成實(shí)驗(yàn)，在實(shí)踐中學(xué)習(xí)知識，在場景中進(jìn)行學(xué)習(xí)。

（2）線上線下提升教學(xué)質(zhì)量。依托互聯(lián)網(wǎng)+等資源的建設(shè)，將虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境融入在線課程，極大方便了在線課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)，做到了課程全程以實(shí)踐為主，以學(xué)生為中心，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維能力、創(chuàng)新能力以及在具體場景下解決具體問題的能力。在該實(shí)驗(yàn)平臺，線下可以用實(shí)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將仿真所得的知識和體驗(yàn)用實(shí)物再次驗(yàn)證，虛實(shí)結(jié)合，鼓勵學(xué)生在不同方面創(chuàng)新，比如感知層是否可以重新設(shè)計，手機(jī)端是否可以增加功能，能否使用鴻蒙進(jìn)行設(shè)計等。依托多元化的虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺，學(xué)生的作品“基于NB-IoT的池塘水質(zhì)云測控系統(tǒng)”在江蘇省2020年度普通高等學(xué)校畢業(yè)設(shè)計中獲得一等獎。該生通過在感知層使用NB-IoT，在應(yīng)用層對Web方面進(jìn)行創(chuàng)新并完成設(shè)計，達(dá)到了舉一反三的效果。

（3）教學(xué)資源拓展的同時降低了維護(hù)成本。在多元化虛實(shí)結(jié)合平臺中，因?yàn)橐肓颂摂M仿真，很多案例、創(chuàng)新設(shè)計、新資源可以融入在線平臺，而不必因?yàn)樾碌南敕ㄔO(shè)計而再購入新的設(shè)備等，大大豐富了教學(xué)資源，為學(xué)生提供了更多資源進(jìn)行學(xué)習(xí)。

（4）創(chuàng)新實(shí)踐的有效平臺。基于該平臺的教學(xué)內(nèi)容建設(shè)，時刻要求以實(shí)踐為主，以學(xué)生為中心，確保培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力。

4 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)移動應(yīng)用多元化虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計，使得該門課具有系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化等屬性，為培養(yǎng)新時代創(chuàng)新型、復(fù)合型人才提供了基礎(chǔ)保障，也為其它科目的教師提供了教學(xué)參考，為今后培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐學(xué)習(xí)提供了有力支持。

注：本文通訊作者為李濤。

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基金項目：江蘇省高等職業(yè)教育高水平專業(yè)群建設(shè)項目（蘇教職函[2021]1號）；常州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院資助項目（22ZBGT06）

作者簡介：李 濤（1989－），男，江蘇鹽城人，碩士研究生，講師，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用、腦機(jī)接口、人工智能。