基于虛擬仿真技術的《無線傳感器網絡》實驗課程改革探究
——以銅陵學院為例

齊 平 蔣劍軍

（銅陵學院，安徽 銅陵 244061）

一、引言

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network, WSN)是一種由大量、低復雜度的傳感器節點組成，通過自組織形式組成的無線通信網絡， 網絡中每個傳感器節點均由感知模塊、信息處理模塊、通信模塊和電源構成，具有數據采集、收發等功能[1]。 《無線傳感器網絡》課程是一門即重視理論知識學習，又強調技術應用，實踐性很強的課程。 近幾年，各高校均將《無線傳感器網絡》列為專業核心課程，在各校的物聯網人才培養方案和教學計劃中， 該課程均占有重要地位和作用。 課堂之外，無線傳感器網絡技術也越來越受到重視。 例如，信息技術各相關專業學生的畢業設計選題、專業競賽的科技作品、學生科研項目、“互聯網+”創新創業實踐成果大多和無線傳感器網絡技術掛鉤， 企業對畢業生的技術能力需求也多以無線傳感器網絡技術為基礎。

綜上可見，《無線傳感器網絡》 課程的學習質量將直接影響物聯網工程專業人才培養的效果。 然而，由于課程數飽和、 實驗環境受限、 認知難度大等原因，在進行《無線傳感器網絡》課程學習時，學生雖能夠獨立完成單個知識點實驗， 卻往往難以在應用背景下完成整個無線通信網絡的規劃、設計，實現網絡功能。 因而，以“虛實結合”為手段對《無線傳感器網絡》實驗課程進行教學改革勢在必行。

二、課程教學現狀及存在的問題

20 世紀90 年代中后期，《計算機網絡》課程在國內高校大規模開設。 隨著互聯網基礎設施，即“信息高速公路”在全國大力建設，計算機網絡知識的重要性得以凸顯，《計算機網絡》 課程的影響力也迅速提升。 在教學領域， 相繼涌現了許多經典教材，如Tanenbaum[1]、Kurose[2]、謝希仁[3]、吳功宜[4]等知名學者所著的教材， 被廣大師生和技術人員所認可。 從21世紀開始， 美國和歐洲國家相繼啟動了多項無線傳感器網絡及其相關科研項目[5]。 在我國，無線傳感器網絡的研究也被列入 《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》[6]。 近幾年，隨著計算機軟硬件、傳感器技術、無線通信技術的快速發展，無線傳感器網絡理論及應用研究已使其從傳統計算機網絡課程的一個章節轉變為一個相對獨立的學科專業方向[7]。 各高校投入大量時間、資金進行實驗設備建設、師資建設、培養方案和專業課程教學大綱制定和修改[8]。 《無線傳感器網絡》課程作為物聯網工程專業的核心課程，其課程改革也得到了廣泛的研究。 然而，由于物聯網工程專業屬于典型的交叉學科，通信技術、通信設備更新速度極快，目前各高校，特別是應用型本科高校仍存在實驗設備匱乏、實驗總學時受限制等問題，導致課程效果不佳[9]，現從實驗課程改革、實驗室建設兩方面進行分析。

(一)實驗課程改革。 無線傳感器網絡應用性強而理論較為枯燥，學生認知難度大。從往年教學的反饋情況看，學生普遍感到該課程理論抽象，內容枯燥，缺少感性認識。 因此，不少學生產生畏難情緒，學習積極性差。 與此同時，物聯網工程專業是多學科交叉專業，具有較強的應用需求，強調實驗實踐環節，而應用型本科院校由于實驗室條件所限，往往很難完成大規模無線網絡技術實驗。例如，在講解低功耗自適應集簇分層性協議(LEACH 協議)時，需要大量傳感器節點組成無線傳感網以演示簇的重構過程。而在實際實驗中，每組同學只有4～5 個傳感器節點，LEACH 協議實驗無法完成，學生也不易理解該協議的算法思想。 因而，迫切需要利用虛擬仿真技術改革原有實驗課程。

(二)實驗室建設。 傳統《計算機網絡》實驗主要包括操作交換機或路由器設備、捕獲分析數據包、設計分析應用協議。 在實驗過程中，盡管也需要管理網絡設備、設計網絡結構和規劃布線方式，但總體而言，硬件操作較少而軟件桌面操作較多。 《無線傳感器網絡》課程包含多種無線網絡的協議和算法，涉及十余種不同技術類型，對場地、環境、設備等的要求各不相同[10-11]，更多體現出嵌入式軟件和硬件的特點。 由于無線傳感網技術更新較快，類型多樣，也會導致所需實驗設備項目繁雜，更新迅速，實驗室建設花費巨大。 以銅陵學院為例，物聯網工程專業于2015 年購置了無線傳感器網絡實驗箱，其傳感器底板、射頻板目前均已停產，取而代之的是更具智慧化的AIoT 應用場景。 實際上，相關實驗設備在此期間已更新換代兩次，可見購置專業實驗箱花費之巨大。 而基于虛擬仿真技術的實驗項目則無此項支出。

綜上可見，物聯網專業是一個綜合性學科，涉及RFID、WSN、平面編碼、嵌入式、單片機、網絡通信等方面知識，更涉及物流、醫療、農業、交通等各個行業背景。 在此情況下，學生只是通過書本對學生進行基礎知識的教學遠遠不夠， 需要讓學生在物聯網專業實驗室中進行實訓， 使得學生不僅學習了物聯網數據處理、傳感器原理及應用、RFID 原理及應用、物聯網應用系統設計、 物聯網控制技術與原理等理論知識， 也能夠將所學理論知識應用到各類具有行業背景的垂直應用之中。 而基于虛擬仿真技術的《無線傳感器網絡》實驗課程通過虛擬仿真技術，模擬無線網絡通信的具體過程， 對學生學習5G、WIFI、ZIGBEE等網絡知識， 了解無線網絡在物聯網架構中的應用方式和配置方法意義重大。

三、《無線傳感器網絡》虛擬仿真實驗

《無線傳感器網絡》虛擬仿真實驗由感知層的傳感器實驗，傳輸層的無線片上實驗、無線傳感器組網實驗和應用層的物聯網仿真環境應用實驗構成。 如圖1 所示，該實驗體系將基礎實驗與應用相結合，由應用場景引入基礎實驗， 著重從協議層面加深學生更對無線網絡通信知識的理解。

圖1 基于虛擬仿真技術的學生學習過程

《無線傳感器網絡》虛擬仿真實驗集成了各類應用場景下的傳感器、無線通信設備以及網絡設施，虛擬仿真常見的物聯網感知層、傳輸層設備。 本節從傳感器及無線通信設備認知(感知層)、WSN 溫濕度采集實驗(傳輸層)和智能家居虛擬仿真實驗(應用層)三個方面進行詳細說明。

(一)傳感器及無線通信設備認知

如圖2、圖3 所示，物聯網感知層實驗包括傳感器及無線通信設備認知。 這些虛擬設備具有真實設備的完整接口和特性， 可以通過串口及網絡進行訪問。 在實驗過程中，學生可以從設備欄中拖曳任意設備到虛擬實驗臺，在實驗臺上任意擺放，并且提供電源線、信號線的便捷連接功能。 虛擬仿真功能能夠有效解決無線傳感器網絡課程無法實現大規模傳感器實驗的痛點， 支持各類基礎原理實驗、 設備接口開發、綜合應用開發和應用創新開發。

圖2 虛擬環境模擬器及其應用

圖3 《無線傳感器網絡》實驗原理講解

傳感器實驗包括光強、溫度、煙霧、壓力等傳感器實驗。 實驗控制軟件將編譯結果和采集到的數據通過Web 端反饋至云數據中心， 計算后回傳至虛擬仿真實驗平臺。 通過該系列實驗，學生能夠更為透徹地理解各種類型傳感器的原理， 掌握傳感器動靜態標定的用法， 學會利用所學知識分析傳感器信號及處理數據，能夠結合“無線片上實驗”所學知識實現特定的傳感器功能。

(二)WSN 溫濕度采集實驗

物聯網傳輸層實驗由無線片上實驗、 無線傳感器組網實驗(基于ZigBee 的星形、樹形結構)和無線傳感器網絡綜合實驗組成，包括建立在基于CC2530 無線片上系統開發環境的Zigbee 網絡節點實驗、Zigbee組網影響實驗、Zigbee 組網方式實驗、WSN 網關通信實驗、WSN 繼電器實驗、WSN 溫濕度傳感器實驗、WSN 震動傳感器實驗、WSN 煙霧傳感器實驗、 網關鏈接開發實驗和Socket 通信開發實驗， 目的是讓學生熟悉CC2350 無線片上系統的基本功能，掌握通用輸入/輸出接口、定時器、外部中斷、串口通信、A/D 轉換的操作方法，進一步為后續實驗打下堅實的基礎。

圖4 WSN 溫濕度采集實驗

圖5 配置無線傳感器網絡環境

圖4 為WSN 溫濕度傳感器實驗， 該實驗講解WSN 溫濕度采集過程（基于虛擬仿真實驗臺），其步驟如下： 創建虛擬環境——創建溫度模擬器——創建網關及溫濕度采集節點——設定上報間隔——連接到網關——Ping 網關獲取溫濕度節點——根據獲取的節點短地址監控溫濕度。 學生可通過登錄云實驗中心遠程操作實驗室內的計算機， 通過程序編譯結果和串口調試助手查看實驗結果。

(三)基于無線傳感器網絡的智能家居虛擬仿真實驗

為使學生熟悉WSN 在具體的行業應用背景之下的使用方法和應用領域， 采用Unity 3D 建模技術，搭建出虛擬家居環境。 智能家居虛擬仿真實驗提供燈光控制、窗簾控制、電器控制、環境參數采集及防盜報警，可采集空氣溫濕度、燃氣是否泄露、煙霧、人體紅外等數據，當有警報發生會進行提示。 如圖5 所示，學生可進行房間的自定義，設置每個房間內智能化設備，再通過WSN 建立網關連接， 進行WSN 設備短地址獲取，進而控制智能開關、智能插座、智能窗簾等設備。

圖6 智能家居管理信息系統設計

圖6 為智能家居管理信息系統設計案例， 學生可通過WSN 實現房間管理功能、 設備管理功能、情景模式設定功能、布防撤防功能、燈光控制功能、窗簾控制功能、環境參數獲取功能和防盜報警功能。

四、結語

《無線傳感器網絡》 虛擬仿真實驗以學生為中心，以實際應用為切入點，以課堂知識為主線，以培養系統觀、工程觀、創新觀為目的，展開教學活動。 該仿真實驗根據銅陵學院學生的學習特點， 遵循興趣引導，由淺入深，循序漸進的教學規律，將一個實際應用系統劃分為若干相對簡單，易于理解的小模塊，分配到相應教學單元中去完成。 學生在進行各模塊實驗時，不僅要考慮本模塊的實驗內容，同時還需考慮本次實驗在整個系統中的作用， 從而從系統設計的角度出發，將各模塊組合到預定的頂層框架中，形成完整的無線傳感器網絡虛擬仿真系統。推行“虛實結合”的《無線傳感器網絡》虛擬仿真實驗，探索形式多樣的實驗教學模式， 為物聯網專業核心通信課程的實驗教學提供了有力的支持，給學生提供了隨時隨地靈活自主學習的平臺， 能夠有效激發學生的學習積極性，提高學生的動手能力和創新能力，取得了良好的實驗教學效果。