摘 要：針對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)條件有限、學(xué)生專業(yè)知識積累少和物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，基于高階Cisco Packet Tracer構(gòu)建了課程實(shí)驗(yàn)體系?；赑acket Tracer仿真平臺設(shè)計(jì)了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)三個層次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)由淺入深，難度從簡單到復(fù)雜，從而達(dá)到逐步提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新能力的目的。論文對智能停車場實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，從感知層、傳輸層、平臺層到應(yīng)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(shí)現(xiàn)原理。實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施結(jié)果表明，該實(shí)驗(yàn)體系能夠有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐能力，為物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)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(shí)驗(yàn)教學(xué)體系；仿真實(shí)驗(yàn)；應(yīng)用型人才

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)期。開設(shè)該課程的目的是使學(xué)生掌握物聯(lián)網(wǎng)的定義和基本技術(shù)及應(yīng)用，了解物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(luò)傳輸層、物聯(lián)網(wǎng)平臺層和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的基本技術(shù)；涉及傳感器及檢測、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線通信、云計(jì)算等技術(shù)，為學(xué)生以后的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程學(xué)習(xí)以及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)打好基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)有助于學(xué)生深化理論知識的理解，提高學(xué)習(xí)效果；可以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，從而不斷加強(qiáng)他們解決實(shí)際問題的能力；也可以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力，有助于他們在未來的學(xué)習(xí)和工作中取得更好的成績[1-2]。因此必須重視并加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展。

Cisco Packet Tracer 是一款功能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，其 7.0及后續(xù)版本為物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(jī)、執(zhí)行器、RFID 閱讀器等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，并結(jié)合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組件構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，自主完成設(shè)計(jì)、配置及故障排查。該軟件能夠幫助學(xué)生通過實(shí)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(shí)驗(yàn)的靈活性和可重復(fù)性，學(xué)生可隨時隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，大幅提升實(shí)驗(yàn)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(xué)生深入理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制[6]。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)”作為大一第一學(xué)期的入門課程，教學(xué)內(nèi)容涵蓋物聯(lián)網(wǎng)基本概念、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用案例，采用由淺入深的方式幫助學(xué)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(shí)驗(yàn)教學(xué)已實(shí)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(shí)驗(yàn)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(xué)校的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備往往無法及時跟上技術(shù)發(fā)展的步伐。這導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中無法接觸到最新的技術(shù)和設(shè)備，影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果和質(zhì)量。

（2）物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量少、種類單一。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)中往往需要多個設(shè)備和系統(tǒng)的聯(lián)動，但是學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境往往無法滿足這種需求。這可能導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中無法充分體驗(yàn)到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用場景，影響學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。

（3）缺少綜合性實(shí)驗(yàn)。目前，實(shí)驗(yàn)主要是基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，比如認(rèn)識傳感器、使用ESP8266單片機(jī)、云平臺應(yīng)用等，都是針對單個知識點(diǎn)進(jìn)行的，并沒有覆蓋物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的綜合性實(shí)驗(yàn)。這導(dǎo)致學(xué)生對四層體系架構(gòu)沒有深入且具體的理解，缺少全局認(rèn)識。

綜上所述，結(jié)合實(shí)驗(yàn)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(fù)雜的特點(diǎn)，基于高階Cisco Packet Tracer構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)模擬課程實(shí)驗(yàn)體系是可行的方案。

2 基于高階Cisco Packet Tracer的實(shí)驗(yàn)體系

2.1 實(shí)驗(yàn)體系設(shè)計(jì)

課程實(shí)驗(yàn)可劃分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)三個等級。基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)主要是簡單網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置等，主要目的是讓學(xué)生能夠?qū)τ?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有具體的認(rèn)識并能對主機(jī)、交換機(jī)、路由器和服務(wù)器等設(shè)備進(jìn)行基礎(chǔ)配置。綜合實(shí)驗(yàn)涉及物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，從感知識別層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、平臺層到應(yīng)用層等一系列配置，需要結(jié)合具體應(yīng)用場景進(jìn)行驗(yàn)證、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生自主設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，搭建物聯(lián)網(wǎng)四層體系架構(gòu)，并進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目見表1。

2.2 實(shí)驗(yàn)案例

以綜合實(shí)驗(yàn)中的智能停車場實(shí)驗(yàn)為例，詳細(xì)介紹如何基于Cisco Packet Tracer實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用案例的完整模擬。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)?zāi)M了停車場入口以及兩個車位，拓?fù)鋱D如圖1所示。每個組件的功能如下：

（1）停車場入口的運(yùn)動傳感器檢測是否有車輛進(jìn)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(jī)MCU控制重力傳感器狀態(tài)與LED燈的開關(guān)，同時單片機(jī)將數(shù)據(jù)上傳至OneNET云平臺，供互聯(lián)網(wǎng)終端遠(yuǎn)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(luò)上傳至IoT服務(wù)器，服務(wù)器上的數(shù)據(jù)可供智能手機(jī)等終端訪問。

接入互聯(lián)網(wǎng)的IoT服務(wù)器需設(shè)置IP地址和子網(wǎng)掩碼，并開啟服務(wù)器上的IoT服務(wù)和DHCP（地址自動分配）功能。無線接入點(diǎn)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(jī)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(yīng)用集成、消息集成、接口集成等，旨在降低物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(yīng)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(yīng)的邏輯處理，以使得物件與物件之間、物件與IoT服務(wù)器之間能夠正常交互信息[10-11]。與IoT服務(wù)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(wù)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(jìn)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(shí)驗(yàn)測試

運(yùn)行單片機(jī)MCU的Python代碼。按住Alt鍵，鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)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(biāo)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(biāo)遮擋激光，看到激光傳感器上的指示燈變紅?？稍谥悄苁謾C(jī)上遠(yuǎn)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(biāo)滑過運(yùn)動傳感器，模擬車輛進(jìn)入，停車場入口的路燈會亮起。當(dāng)5 s未檢測到運(yùn)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(shí)驗(yàn)，學(xué)生從物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層全方位、全角度設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行操作，對物聯(lián)網(wǎng)的四層架構(gòu)有了清晰認(rèn)識，在深化理論知識理解的同時提升了他們的實(shí)踐能力。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核方法與實(shí)施評價

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核主要通過以下幾個方面進(jìn)行：

（1）實(shí)驗(yàn)報告分析：對學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報告進(jìn)行分析評分，評估學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)分析和解決問題的能力。

（2）實(shí)驗(yàn)操作考核：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)操作考核任務(wù)，要求學(xué)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(xué)生的實(shí)際操作能力，有助于發(fā)現(xiàn)操作中存在的問題。

（3）項(xiàng)目完成情況評價：實(shí)驗(yàn)教學(xué)包含創(chuàng)新性項(xiàng)目，對項(xiàng)目完成情況進(jìn)行評估，包括項(xiàng)目創(chuàng)新性、實(shí)用性以及報告撰寫等。綜合性項(xiàng)目的完成情況可以反映學(xué)生在知識整合、問題解決和團(tuán)隊(duì)合作等方面的能力。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施效果通過學(xué)生問卷調(diào)查和考試成績分析進(jìn)行評估。在學(xué)習(xí)通平臺發(fā)放問卷調(diào)查收集學(xué)生對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的滿意度和學(xué)習(xí)興趣等反饋。結(jié)果顯示，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的滿意度較上一屆顯著提升；考核結(jié)果也表明，學(xué)生的實(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠?qū)⑽锫?lián)網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)的理論知識與實(shí)際操作相結(jié)合，通過實(shí)驗(yàn)操作不僅能加深學(xué)生對理論知識的理解與運(yùn)用，同時還能提高學(xué)生的實(shí)踐能力和解決問題的能力。本文設(shè)計(jì)了一系列基于模擬軟件的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，利用模擬軟件構(gòu)建實(shí)驗(yàn)體系可以解決實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。這種教學(xué)方法有助于提升“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)以及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用型工程人才的培養(yǎng)奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。

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