智能家居物聯仿真實驗教學設計

朱 濤，顧海艷，夏玲玲

（江蘇警官學院 計算機信息與網絡安全系，江蘇 南京 210031）

0 引 言

智能物聯系統是未來智慧城市[1]、智能交通[2]、智慧校園[3]等智能應用領域建設規劃落地實施的關鍵形式。針對智能家居這類典型智能物聯系統設計實驗內容，能夠使學生在熟知的家居場景中鍛煉操作技能，感受所學知識的高可用性，激發深入學習的動力。Packet Tracer v7新增了對物聯網仿真實驗的支持[4]，可以仿真車輛道閘系統[5]、智慧大棚[6]等多種物聯系統。本文首先設計了智能家居仿真實驗的教學過程框架，以模擬真實項目實施流程的方式規劃了需求分析、系統設計的具體教學要點，并描述基于Packet Tracer的系統仿真內容，為培養學生形成智能物聯系統的綜合設計能力提供了有效途徑。

1 實驗教學的框架設計

基于智能物聯實驗教學過程框架[7]，可以將智能家居物聯仿真實驗整體上分為設計和實施兩大階段以及三個具體執行步驟，如圖1所示。其中，設計階段通過將學生放入一個真實的家居場景的方式，營造設計氛圍，展開產業調研和需求獲取，完成需求分析和系統設計；實施階段主要訓練學生學會使用Packet Tracer的物聯設備系統仿真功能，得到一個仿真的智能家居物聯系統。對學生實驗效果根據每個步驟輸出的“成果物”實現全過程評價。

圖1 智能家居物聯仿真實驗的教學過程

2 需求分析過程的實驗要點

智能家居物聯實驗的需求分析需要教師發揮主導作用，組織一個模擬的智能家居需求獲取環境[8]，學生在其中完成需求調研、需求確定以及需求文檔編制三項實驗任務。

需求調研任務需要學生設想自己身處用戶場景，通過信息搜索、市場調研以及假想的用戶訪談等方式獲取智能家居的建設需求，劃定系統涉及范圍和與其他系統的交互邊界，調研市場同類產品信息，形成用戶場景文檔（描述應用環境和功能要求）、智能家居典型系統信息表（說明設備組成、數量性能、經費測算）等成果物。需求確定任務既需要學生從用戶視角將思維代入到一個用戶家居場景來審視需求合理性，又需要學生從系統設計者視角裁減和剔除非理性不實際的需求，同時全面檢查需求在功能、質量、限制約束等三個方面的完備性，形成標志性成果物（如系統用例圖、需求矩陣、功能項列表、性能指標列表等）。整理綜合這兩項任務的成果物后，要求學生編制需求規格說明書，作為該階段實驗效果評估的主要內容。

3 系統設計實驗的內容規劃

主要通過教師預設的智能家居模擬建設場景，開展系統功能設計和架構設計[9]兩個方面的實驗，讓學生模擬經歷智能家居的系統設計過程。

3.1 系統功能設計

智能家居功能設計的實驗內容主要包括：一是根據用例圖，研究相關智能控制過程，確定交互對象（即主要設備）；二是畫出功能時序圖，描述系統對象的交互過程和數據處理過程。

首先，由于用例圖圈定了對智能家居的功能要求，就可以要求學生通過研究市場標準、文獻資料、法律制度的方式，確定實現對應功能的智能控制過程，這類控制過程往往是智能家居領域知識的一部分，學生可以在研究后直接引用。在研究控制過程的同時，就可確定出系統內的交互組件對象。表1列出了智能家居的部分功能控制邏輯和涉及的組件對象。

表1 智能家居功能實現中的控制邏輯

此階段第二個實驗內容就是畫出功能時序圖。要求學生將表1中確定的控制邏輯過程，與相關的系統組件對象關聯起來，并使用統一建模語言（Unified Modeling Language，UML）在UML建模軟件中畫出功能時序圖。如果同時涉及數據處理和存儲，就需要學生繪制數據流程圖，并思考這些流程使用哪些設備對象來完成。智能家居以中央控制設備為核心，在接收測風儀、溫/濕度監測器、攝像頭等監控采集設備的數據后，根據用戶需求確定的控制邏輯智能地控制窗戶、空調、火爐、加濕器等執行設備，并通過數據存儲設備完成數據持久化。例如，自動溫控的功能時序圖如圖2所示，同時若數據流程較簡單，也可在功能時序圖中同時展現數據持久化過程。

圖2 智能家居的“自動溫控”功能時序圖

3.2 系統架構設計

智能家居系統架構設計實驗需要學生完成邏輯架構設計和部署架構設計兩個實驗任務。其中，邏輯架構設計要求學生根據關鍵需求，參考典型系統架構，將前一步確定的交互對象組織成最適合的系統架構；而部署架構設計要求學生規劃物理節點部署，形成節點拓撲概念結構。

智能家居的邏輯架構一般可以參考經典的物聯網邏輯架構模型，同時考慮感知、采集和執行都在前端的因素，可以形成感知與執行層、網絡傳輸層和應用服務層三層架構模型，如圖3所示。其中，感知與執行層主要包含測風儀、溫/濕度監測器、攝像頭等數據采集設備，以及窗戶、空調、火爐、加濕器等動作執行設備；網絡傳輸層主要是路由器、交換機、家庭網關等用于網絡構建和數據傳輸的設備；應用服務層主要是中央控制設備、手機、PC等對外提供應用服務能力的設備。

圖3 智能家居的邏輯架構

智能家居的部署架構設計，主要是規劃圖3中的各種設備的具體部署位置，畫出其部署圖即可。其中，要求學生了解經典常用的家居布局下的系統部署方式，根據所設想的家庭布局展開設計，同時要將有/無線網絡規劃均納入考慮，要向學生介紹網線布線、安裝實施等具體實際問題的重要性，強調雖然無法在實驗仿真條件下完成，但需要了解其解決辦法。

4 基于Packet Tracer的系統仿真

學生經歷前述實驗過程后，得到了智能家居的系統組成要素，就可在Packet Tracer上通過模擬的方式實現安裝部署[10]。這一過程主要包括物聯網絡構建和物聯設備控制編程兩個部分。

4.1 物聯網絡構建

智能家居物聯網絡構建的實驗內容具體包括選擇系統設備，使用設備構建物聯網絡拓撲，以及完成節點設備參數配置并測試網絡聯通性三項內容。

首先，學生需要根據架構組成要素和設想的家居布局在Packet Tracer中選擇具體的設備，并完成智能家居物聯拓撲的搭建。比如，若設想一個家居場景有多個房間，室內外均有設備，在外也能控制家居設備，那么在家居內有線和無線網絡必定是混合使用，對外也要接入互聯網，能夠通過手機、PC、筆記本電腦均能配置和控制家居物聯設備。基于前面總體設計得到的架構組成要素，可以在Packet Tracer的“設備類型庫”中選擇設備，其中的典型設備見表2所列。

表2 在Packet Tracer中仿真智能家居選擇的典型設備

選擇好設備后，可以在Packet Tracer中構建如圖4所示的網絡拓撲。

圖4 在Packet Tracer中構建的智能家居網絡拓撲

系統物聯網絡拓撲構建完成后，學生需要完成關鍵網絡節點設備的參數配置和測試。首先要規劃與分配家居內設備的IP地址，確定動態分配和靜態分配的適用設備；然后要完成家居內設備與外部設備的聯通，主要使用靜態分配方式，為家庭網關和路由器之間接口配置靜態地址；需要注意的是如果出口路由器有多條鏈路，還需配置路由。其配置方法與通常的網絡配置一樣，可以參考相關文獻[11-16]，此處不再贅述。配置完成后就可使用ping命令逐段、逐網進行設備聯通性測試，確保網絡傳輸正常。聯通性測試過程中，可下發.pka文件指導學生自查，還可在Packet Tracer的模擬狀態下查看數據包傳輸和網絡事件的發生過程，以驗證相關協議是否運行正常。

4.2 物聯設備控制編程

智能物聯系統體現設備智慧能力的主要手段就是智能控制技術，需要實現前面所述的智能控制功能時序。學生可依托Packet Tracer軟件，完成兩個方面的智能控制實驗：一是IoT設備智能控制參數配置；二是采用編程的方式實現智能控制。前一種采用現有的IoT中央控制的Web服務方式，使用圖形化界面配置IoT設備的智能控制參數，方便簡單。但是，若想實現更多的定制功能，需要采用第二種方式。可以要求學生根據功能需求和自身能力，選擇其中一個完成實驗。

當采用IoT設備智能控制參數配置的方式實現物聯智能時，需要完成IoT設備和IoT服務器兩側的配置。首先，打開網絡服務器的IoT服務，然后將IoT設備的IoT服務器配置成前述網絡服務器的IP地址，并設置用戶名和密碼（可在客戶端第一次登錄IoT服務器時配置），連接成功后即可完成注冊。最后，在客戶端（如手機、PC、筆記本電腦）的瀏覽器中，輸入IoT服務器網址，打開網頁后登錄，就可看到注冊到IoT服務器上進行統一管理的IoT設備，在每個IoT設備的“Conditions”功能中，可根據需要實現智能家居設備的自動控制，如圖5所示。

圖5 智能家居設備在IoT服務器上的統一管理控制

采用編程的方式實現智能控制更為復雜，但可獲得更多定制化的智能控制功能。這種智能控制有兩種方式實現：一是服務器集中控制[11]；二是IoT設備間本地控制。學生要通過實驗體會這兩種編程方式的區別。服務器集中控制方式主要采用客戶/服務器編程模型，具有數據采集能力的IoT設備作為客戶端將自己的狀態數據上傳給作為服務器的IoT服務，IoT服務收集到諸多IoT設備的數據后，根據用戶需求確定智能控制模型，向具有動作執行能力的IoT設備發送控制數據，完成相關控制動作。這種控制方式需要相關協議支持，可以基于TCP或UDP協議進行傳輸層上的數據傳輸，也可以采用HTTP或消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport,MQTT）協議完成應用層上的即時通信[10]。IoT設備間本地控制需要SBC或MCU作為控制單元，控制單元通過引腳連接IoT設備并在需要時讀取數據，或者向執行IoT設備發送控制動作數據。

5 結 語

智能物聯系統是一種復雜的高技術信息系統，需要綜合性實驗才能培養學生全方位的系統規劃構建能力。本文設計的智能家居物聯仿真實驗與真實的智能物聯系統開發建設過程深度融合，可以綜合地訓練學生需求工程、架構設計、統一建模、編程開發、網絡規劃等多門類信息學科專業知識能力，實現知識素質向能力經驗的升華。