金強山　馮光　李改鋒

摘? 要： 針對西部院校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實訓(xùn)環(huán)節(jié)教學(xué)資源不足、教學(xué)內(nèi)容與實際生活脫節(jié)等問題，利用虛擬仿真提升實驗實訓(xùn)教學(xué)效果。綜合實訓(xùn)緊緊圍繞物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)三個層次（感知層、傳輸層、應(yīng)用層）展開，利用實訓(xùn)仿真平臺，實現(xiàn)了對溫室蔬菜大棚內(nèi)數(shù)據(jù)的監(jiān)測與預(yù)警，最終編寫上位機程序獲取顯示各項數(shù)據(jù)，繪制數(shù)據(jù)曲線觀察數(shù)據(jù)動態(tài)變化趨勢。實踐結(jié)果表明，此綜合設(shè)計案例提升了學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計與綜合實踐能力，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; 綜合實訓(xùn)

中圖分類號：TP311.01? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：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)為是信息時代的第三次浪潮[1]。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實踐教學(xué)體系中，綜合實訓(xùn)是實現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)、提升學(xué)生綜合實踐能力的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)環(huán)節(jié)存在一些不足，如實驗教學(xué)內(nèi)容過于陳舊，與實際生活脫節(jié);綜合性實驗較少，不能融合多學(xué)科知識;實驗內(nèi)容多為驗證性實驗，學(xué)生積極性不高[2]。對于西部地區(qū)應(yīng)用型本科院校來講，實驗室建設(shè)經(jīng)費不足，實驗教學(xué)資源不充裕，教學(xué)效果不理想;為了能夠滿足實踐教學(xué)的需求，虛擬仿真系統(tǒng)逐漸成為教師關(guān)注的熱點。

因此，將虛擬仿真系統(tǒng)引入綜合實訓(xùn)課程，不僅有效緩解實驗教學(xué)資源匱乏的問題，而且仿真系統(tǒng)逼真的實驗環(huán)境有效的還原真實的實驗情境，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

1 物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓(xùn)

物聯(lián)網(wǎng)實踐教學(xué)體系主要包括基礎(chǔ)實踐教學(xué)、綜合實訓(xùn)、創(chuàng)新實踐教學(xué)三部分，其中綜合實訓(xùn)指學(xué)生能夠利用學(xué)過的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)知識，完成簡單的物聯(lián)網(wǎng)項目，提升學(xué)生對知識的綜合應(yīng)用能力，同時既是基礎(chǔ)實踐教學(xué)的延伸，也是創(chuàng)新實踐教學(xué)的開端。綜合實訓(xùn)（如圖1所示）要僅僅圍繞物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的三個層次結(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)計項目，如智慧農(nóng)業(yè)、智能交通、智能家居、物聯(lián)網(wǎng)移動綜合互連等。

2 虛擬仿真實驗

實驗教學(xué)是提升學(xué)生實踐能力、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)可以拓展實驗教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，延伸實驗教學(xué)的時間和空間，提升課程實驗教學(xué)的質(zhì)量和水平[4]。虛擬仿真實驗具有以下幾點優(yōu)勢：①虛擬仿真實驗可以真實呈現(xiàn)常規(guī)實驗不易觀察的現(xiàn)象與結(jié)果，縮短實驗周期，克服空間與場所的局限[5];②虛擬仿真實驗高標(biāo)準(zhǔn)的仿真度，給學(xué)生以沉浸感，克服了實際教學(xué)資源不足的困難，降低了教學(xué)成本[6];③虛擬仿真實驗使實驗教學(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]。虛擬仿真實驗提升了學(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)中具有較強的優(yōu)勢。38FEC368-C650-4D42-ADE6-5F0FBCBF81DF

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

在Windows操作系統(tǒng)下，利用“物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)實訓(xùn)仿真”平臺完成“物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)”綜合實訓(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)進行采集與呈現(xiàn)。

3.1 實驗?zāi)康呐c要求

實驗?zāi)康模孩倌軌驅(qū)唵蔚奈锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)進行分析、設(shè)計;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)備并進行組網(wǎng);④能夠編寫簡單的上位機程序?qū)Λ@取到的數(shù)據(jù)進行呈現(xiàn)。

實驗任務(wù)要求：設(shè)計簡單的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，完成對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;如果某一項數(shù)據(jù)的值脫離標(biāo)準(zhǔn)范圍，警報燈點亮;上位機程序能實時顯示傳感器采集的數(shù)據(jù)。

3.2 實驗環(huán)境

實驗所使用計算機為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)實訓(xùn)仿真”平臺、USR-VCOM虛擬串口、JDK1.8、Eclipse 4.7.2開發(fā)環(huán)境。

3.3 實驗方法和步驟

⑴ 設(shè)計“物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)”監(jiān)測系統(tǒng)，重點考核學(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點，一種設(shè)計方案如圖2所示。

⑵ 在“物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)實訓(xùn)仿真”平臺中，打開“測試連線”和“模擬實驗”檢測傳感器之間連線是否正確。若出現(xiàn)錯誤連線，平臺將進行提示;可通過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，如圖形用戶界面的編寫、事件監(jiān)聽、內(nèi)部類的使用等;若對代碼規(guī)范有更高的要求，可引入“觀察者設(shè)計模式”，提升代碼復(fù)用，優(yōu)化代碼結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

⑷ 在仿真實驗平臺中，打開“模擬實驗”，運行上位機程序，檢測上位機程序是否能夠正確獲取數(shù)據(jù)，上位機正確運行界面如圖4所示。

⑸ 對傳感器獲取到的數(shù)據(jù)（如溫濕度、二氧化碳、光照、土壤溫度與濕度等）進行繪圖，觀察數(shù)據(jù)的動態(tài)變化及趨勢。

4 教學(xué)實施與評價

“物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)”虛擬仿真綜合實訓(xùn)為期兩周，學(xué)生三人一組，小組內(nèi)自主協(xié)調(diào)分工，共同完成綜合實訓(xùn)內(nèi)容?？荚u主要以現(xiàn)場答辯和實驗報告兩項，分值各占50%。學(xué)生需要匯報“物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)”系統(tǒng)設(shè)計的思路，選取傳感器，組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)連線測試，及上位機的編寫等，思路要清晰，可以展示小組系統(tǒng)的特色與亮點，提升學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)三個層次核心技術(shù)的進一步認(rèn)識。

5 總結(jié)

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

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