物聯網虛擬仿真類實驗教學系統的開發與設計

張德育，谷 月，劉 猛，張文波，田明浩

（沈陽理工大學信息科學與工程學院，遼寧 沈陽 110159）

0 引言

物聯網虛擬仿真類實驗教學系統培養大學生創造性思維、網絡編程能力和虛擬仿真設計能力。在國家開展仿真實驗室建設條件下，我們提出物聯網虛擬仿真類實驗教學項目開發，進而建設相關的實驗室，將其作用于信息類相關專業的實訓過程，對學生物聯網設計和虛擬仿真設計起到積極的促進作用，同時也可以讓學生更好地獲知物聯網相關信息、在適當的時機和環境中投入信息技術的應用與實踐，拓展就業渠道和相關研究領域。

基于物聯網虛擬仿真類實驗教學項目的實驗套件開發不僅能夠為信息類專業的特色和專業方向服務，而且還可以將其與課程教學相結合，提高學生的學習興趣。其中，基于物聯網虛擬仿真類實驗教學項目的實驗套件開發可以利用傳感器與自動識別設備實現數字媒體信息的采集，并結合ARM、單片機、樹莓派等控制系統和數據處理系統，進行電機、舵機的控制，把數據與局域網和互聯網建立數字信息傳輸的實際實驗，同時開發虛擬超市售貨系統、虛擬老人看護系統、虛擬智能家居系統等虛擬實驗，培養了學生的數字媒體信息處理與傳輸技術應用能力；增強了學生對虛擬現實技術的應用能力；提高了學生軟件技術開發能力；同時進一步加強以ARM為主體，傳感器和網絡技術為輔助的物聯網教學內容。該實驗系統把物聯網器件與半實物和VR 設備相連，更好的建立虛擬物聯網仿真系統。此外，該實驗系統可應用于大學生創新創業大賽和實驗室開放管理等系統。

1 物聯網虛擬仿真類實驗在教學中應用

物聯網虛擬仿真類實驗教學項目的實驗套件可以綜合《單片機程序設計》、《嵌入式程序設計》、《虛擬現實技術》、《傳感器技術》和畢業設計等課程內容，一方面提高學生的理論學習興趣，加深課程理解，另一方面提高學生的實踐和應用能力。物聯網虛擬仿真類實驗教學適用于多個專業。信息類的專業課程都與專業方向綜合實訓相連，把物聯網實驗套件應用到專業方向綜合實訓，不但可以增加課程設計的教學內容，而且還可以創新性實驗的開設。

（1）物聯網實驗套件結合信息類相關專業的課內實驗教學，創新性實驗內容。在C語言程序設計的實驗課中，在實驗內容增加KeilC 程序設計內容，使學生了解更多的C語言，增加學生的趣味性學習，增強學生的學習能力。在面向對象程序設計的實驗課中，在MFC 的實驗內容增加以自動識別的輸入程序，使學生了解自動識別在面向對象課程中的應用，增強學生的編程能力。在網絡數據庫原理實驗中增加自動識別設備產生的信息作為數據庫中表的關鍵字段，使自動識別的數據在網絡數據庫中傳輸，增強學生的網絡程序調試能力。在自動識別和嵌入式實驗中，把自動識別的信息與嵌入式開發板相結合，增加條碼接收器、射頻卡接收器、攝像頭等嵌入開發的實驗內容，增強學生的嵌入式程序調試能力。

（2）物聯網實驗套件完善現有信息類相關專業的課程設計實踐教學內容。在C 語言程序課程設計中，學生選題內容增加單片機I/O、中斷、定時器、串行通信等KeilC 程序設計內容，結合電子設計大賽和機器人設計的內容，增加創新內容，使學生的了解C 語言程序在創新競賽的應用。在面向對象程序課程設計和教學實習中，學生選題內容把條碼接收器接收書的條碼信息、射頻卡接收器接收學生的射頻卡的信息融入面向對象程序課程設計和教學實習，結合計算機程序設計大賽，使學生在創新競賽中了解自動識別技術和面向對象程序設計。在計算機網絡課程設計中，學生選題內容增加射頻收發模塊、Zigbee 模塊、無線網卡模塊在網絡應用的實驗內容，使學生掌握更多的無線網絡的應用，結合機器人設計大賽和物聯網程序設計大賽，使學生了解計算機網絡課程設計在創新競賽的應用。在單片機課程設計中，學生選題內容增加電機轉動程序開發；舵機轉動程序開發；紅外檢測程序開發；超聲波檢測程序開發，為專業方向綜合實訓的自動識別的網絡智能車提供自動識別的基礎，結合在電子設計大賽和機器人設計大賽，使學生了解單片機在創新競賽的應用。在嵌入式技術課程設計和專業方向綜合實訓中，學生選題內容增加射頻卡接收器和條碼接收器及自動識別的網絡智能車搭建與相應程序的開發，使學生了解嵌入式技術在創新競賽的應用。

（3）物聯網實驗套件結合信息類專業的綜合實訓，還可根據平臺現有器件，自擬題目參加比賽；而且可以參加計算機程序設計大賽、參加嵌入式程序設計比賽，同時可以應用全國大學生電子設計競賽參加控制類電子大賽和模電類電子大賽；最后該實驗系統在普通高等學校本科大學生機器人競賽中，可以根據平臺現有器件，根據題目組合模塊器件參加比賽。

（4）物聯網虛擬仿真類實驗教學項目現有信息類相關專業的課程設計實踐教學內容。

2 物聯網實驗套件技術路線和實施方案

物聯網實驗套件共有六個單元構成：第一部分由單片機、ARM、樹莓派組成的物聯網實驗套件的控制單元；第二部分由步進電機、直流電機、舵機等構成物聯網實驗套件的運動單元；第三部分由紅外傳感器、顏色傳感器、攝像頭傳感器構成物聯網實驗套件的傳感器單元；第四部分由無線網卡、射頻無線模塊、藍牙模塊組成的物聯網實驗套件無線網絡單元；第五部分由智慧大棚系統、老人看護系統、智能家居系統構成物聯網實驗套件的半實物單元；第六部分由VR 設備結合虛擬智慧大棚和虛擬老人看護系統組成的虛擬單元。

就物聯網實驗套件整體而言，它采用沉金工藝的二層PCB 板設計，它提供一款的單片機、ARM9、樹莓派的底板，使控制芯片安裝在上面既可以使用；它為電機驅動、舵機驅動構成物聯網實驗套件的驅動單元；由步進電機、直流電機、舵機構成物聯網實驗套件的運動單元；紅外傳感器、顏色傳感器、攝像頭傳感器構成物聯網實驗套件的傳感器單元；分由無線網卡、射頻無線模塊、藍牙無線模塊組成物聯網實驗套件的無線通信單元；保證質量控制。

物聯網實驗套件通信系統開發通過ARM、單片機與傳感器單元、接口單元相連并進行相應的軟件開發構成通信實驗系統。物聯網實驗套件控制系統開發通過控制單元的ARM、單片機與驅動單元的電機驅動、舵機驅動相連；驅動單元的電機驅動、舵機驅動分別與控制單元的步進電機、直流電機、舵機相連；控制單元ARM、單片機與傳感器單元、無線通信單元、接口單元相連并進行相應的軟件開發構成運動系統。物聯網實驗套件的遠程控制系統開發由電腦和手機與物聯網實驗套件相連，進行相應的軟件開發構成遠程控制系統。

3 物聯網實驗半實物及虛擬仿真技術路線和實施方案

半實物老人看護系統是一個綜合性的老人看護物聯網設備半實物仿真系統，它包括環境保障系統、安全防護系統、電器控制系統、健康醫療系統、門禁管理系統、突發應急系統。半實物智慧大棚系統是一個綜合性的大棚物聯網設備半實物仿真系統，它包括環境檢測系統、大棚結構防護系統、大棚安全防護系統、農作物安全防護系統、設備控制系統、農作物生長管理系統。半實物家居系統是一個綜合性的智能家居物聯網設備半實物仿真系統，它包括環境檢測系統、安全防護系統、電器控制系統、能源管理系統、門禁管理系統。

虛擬智慧大棚系統是一個虛擬的智慧大棚仿真系統，它建立虛擬大棚植物、陽光、水、養料及各種傳感器，通過虛擬環境進行植物養殖。虛擬老人看護系統是有看護老人和智能家居兩部分組成，看護老人建立虛擬老人及通過傳感器檢測老人的健康，智能家居虛擬系統包括家中電器如加濕器、凈化器、電冰箱、洗衣機、風扇、窗簾、門鎖，通過虛擬環境對老人及家庭進行虛擬管理及老人虛擬看護。

4 結束語

本文明確提出物聯網虛擬仿真類實驗教學系統的開發與設計，對解決目前高等教育普遍存在的忽視物聯網與虛擬仿真相結合實踐教學能力弱，動手能力差。本文基于物聯網虛擬仿真類實驗教學系統開展以開展實驗套件開發、半實物老人看護系統、半實物智慧大棚系統、虛擬智慧大棚系統、虛擬老人看護系統為核心的內容研究。項目實踐過程中注重與物聯網與虛擬技術的有機融合，打造學生在物聯網和虛擬創新能力和創新精神的培養，為高校物聯網和虛擬人才培養任務的實施賦予更加豐富的內涵。