物聯網移動應用多元化虛實結合實驗平臺設計

摘 要：針對國內高校物聯網專業移動應用開發課程的系統化實驗要求，提出并設計了多元化虛實結合的實驗平臺。剖析了新時代人才培養的核心，以學生為中心，以實踐教學為主，培養復合型人才，提出并設計了基于物聯網體系的移動應用開發實驗平臺。基于該平臺，學生從全局角度出發，設計移動應用終端程序，同時引導學生對物聯網體系內的模塊進行實驗和創新。該實驗平臺更加符合“互聯網+”教育模式下線上線下融合的要求，打破了時間和空間的束縛，有效提升了學生的動手能力、系統思維能力和創新思維能力，更能培養學生綜合應用知識的能力。

關鍵詞：物聯網；移動應用開發；仿真平臺；虛實結合；實踐教學；互聯網+

中圖分類號：TP306 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）06-0-04

0 引 言

創新能力的培養是面向當今和未來高校人才培養的訴求，創新能力已經成為大學生學習生活中非常重要的組成部分。文獻[1]提出了依托科研實驗室與科技創新社團相結合的新型創新能力培養模式。以“實踐+”為核心的人才培養模式，突出以實踐能力培養為目標，實踐與理論相融合[2]。“新工科”人才培養計劃中提出的培養復合創新型人才，在很多課程體系的設計中將仿真和實物相結合，實現“以學生為中心”的培養模式[3-7]。“智能+”創新型人才培養模式突出了場景的重要性，應用場景的設置應與社會中具體的產業

結合[8]。

移動應用開發是計算機相關專業或相似專業非常重要的一門專業課，傳統的移動應用開發課程主要培養學生的設計能力，重點在于界面設計、邏輯處理，可能包括部分云端API交互，但是無法滿足物聯網專業方向的培養需求。物聯網專業具有一定的抽象性，學生無法從書本或教材中全面理解與掌握物聯網工程專業的相關知識[9]，物聯網專業方向的移動應用開發應該解決典型物聯網場景下的應用問題。在典型的物聯網場景中，要突出以學生為中心，以實踐教學為主，全面系統地培養大學生綜合運用知識的能力，同時培養大學生的創新思維能力。文中提出并設計了物聯網移動應用多元化虛實結合實驗平臺。

1 實踐教學需求

“互聯網+”浪潮下，各種在線課程的建設如火如荼[10-12]（如慕課等）。對于以實踐為主的課程，在線課程需要解決重實踐的課程環境搭建問題。對于物聯網專業的移動應用開發，需要在具體的物聯網場景中進行學習，培養大學生的動手能力、系統思維能力和創新思維能力。環境構建包含實物和虛擬部分。

（1）實物，即為該課程需要解決的項目場景提供配套實物，該實物可以是社會生活中真實的實物，也可以是等比例縮放的迷你版實物。實物可以培養大學生求真務實的品質，提高大學生在具體環境中解決實際問題的能力，激發大學生的學習興趣和團結合作精神，可以為大學生今后更好地適應工作做好準備。

（2）虛擬，即通過仿真模擬真實的實物，虛擬環境可以很大程度上解決環境搭建成本高、時間長等問題，打破了時間和空間的限制，滿足學生線上固定學習，線下自由學習，校內專業與非專業學習等需求，可以大批量提供學習機會。

實踐教學離不開具體的環境設計，合理、有效、簡潔的系統平臺可以很大程度提高課程的學習效率，培養學生綜合運用知識的能力。

2 多元化虛實結合實驗平臺

目前很多高校引入了虛擬仿真實驗平臺[13-14]，虛擬仿真平臺可以大幅節約成本，提高課堂授課效率。同時，諸多高校利用已有的硬件設備結合虛擬平臺，設計了虛實結合的實驗環境[15-16]，通過充分利用資源，提高學生的學習效率。論文為解決物聯網典型場景下移動應用開發的問題，設計了一套多元化虛實結合實驗平臺。首先將系統模塊化，如圖1所示，將物聯網三層系統進行分類，分為感知層、網絡層和應用層，分別對感知層、云平臺和手機端進行實驗平臺的構建。

針對具體的物聯網場景，本案例使用智慧農業物聯網場景，該系統可以實時感知大氣環境中的溫度、濕度、風速、風向、光照、氣壓、PM2.5和二氧化碳以及土壤環境中的pH值、雨量、溫度和濕度。還可以控制執行端水閥的開和關。系統架構設計如圖2所示。

在感知層，數據來源于虛擬仿真軟件、實物設備和數據模擬器；云平臺端包含數據的展示和對外提供RESTful API接口；手機端程序包含Android端和鴻蒙端APP，未來可以無縫接入iOS端APP。其中，感知層實現了虛實結合設計，即虛擬仿真可以產生仿真數據，模擬真實設備的數據；實物設備采集真實數據；數據模擬器純軟件定制產生傳感器數據，方便調試。手機端實現了多元化設計，包括Android、HarmonyOS和iOS端APP。

2.1 感知層設計

感知層設計包含虛擬仿真、實物設計和數據模擬器。

2.1.1 虛擬仿真

采用物聯網行業實訓仿真平臺進行設計，該軟件包含傳感器、采集器、RFID和其它虛擬設備。本系統是智慧農業物聯網場景，如圖3所示，系統主要硬件如下：

（1）光照傳感器、溫濕度傳感器、PM2.5傳感器、大氣壓力傳感器、土壤水分傳感器、風速傳感器等接入ZigBee模塊，實現光照度、溫濕度、PM2.5值、大氣壓力、土壤水分、風速等模擬數據的采集。

（2）風向傳感器、二氧化碳傳感器、排氣扇繼電器等接入ADAM-4017模擬量采集器，實現對風向、二氧化碳濃度等信息的采集；繼電器接入ADAM-4150，實現對排氣扇開關的控制。

（3）ADAM-4150通過RS 485總線接入物聯網數據采集網關，各ZigBee節點通過ZigBee網絡接入物聯網數據采集網關。

（4）物聯網數據采集網關通過WiFi網絡接入Internet，連接到部署在公網的物聯網云平臺。

（5）移動端APP通過物聯網云平臺實現遠程控制和管理。

（6）項目中以4個排氣扇來代替水閥。

2.1.2 實物

使用新大陸的1+X傳感網設備，其設備體系如圖4所示。該設備體系的硬件通過MCU+通信模組組成，其中MCU主要包含3種：STMF103VE、CC2530和STM32L151C8Tx；通信模組包括RS 232、RS 485、CAN、ZigBee、LoRa、WiFi、NB-IoT，其中有線方式（RS 232、RS 485、CAN）通過485或者232轉485轉換器連入網關，網關將數據從485格式轉換為以太網包，進而路由到WAN口進入公網。由于云平臺位于公網，因此數據可以傳送到云平臺端，手機可與云平臺交互；無線方式（短距ZigBee、遠距LoRa）最終也通過485連入網關，進而進入公網；WiFi方式直接連入路由器，之后進入公網；NB-IoT通過基站連入公網。感知層的數據進入公網后可路由到云平臺，進而手機端程序可與云平臺交互，完成數據的采集和控制感知層執行。

智慧農業案例采用ZigBee進行組網設計，如圖5所示。溫濕度、光照等信息通過ZigBee節點無線傳到匯聚節點，匯聚節點通過232轉485模塊將數據發送到網關，網關負責將數據協議轉換成以太網包的格式，進而路由到公網，將數據傳遞到云平臺。

2.1.3 數據模擬器

感知層的數據也可以直接通過軟件模擬隨機產生數據，如圖6所示。模擬傳感器數據發送到云平臺，完成數據的采集。

2.2 云平臺

云平臺可以自行設計也可以直接使用現有的云平臺對數據進行操作，如圖7所示。

2.3 手機端

手機端可以采用虛擬手機設備和實物手機設備進行程序調試。

2.3.1 虛擬手機設備

對于Android平臺，可以利用IDE提供的虛擬設備對TV、Phone、Wear OS、Tablet和Automotive設備進行虛擬化，每個種類下包含了很多產品，如Phone下面包含了Pixel、Nexus等。使用虛擬設備可以很大程度提高教師授課演示的效率和學生的學習效率。

對于HarmonyOS平臺，可以利用華為公司的DevEco Studio開發軟件進行設備的虛擬化，然后調試鴻蒙端的APP程序。

2.3.2 實物手機設備

學生可以利用安卓手機和鴻蒙手機直接進行真機調試，也可以在實驗室中使用統一提供的安卓平板進行安卓程序調試。使用真機調試時，可以加快調試的速度，對程序功能的完整性進行測試。

2.4 多元化設計

手機端可以在HarmonyOS平臺進行應用設計與Android應用設計，讓學生可以將共同的知識點進行平滑遷移，通過學一門課掌握多種技能。未來也考慮無縫引入iOS端，作為擴展內容。在感知層，可以提供不同場景，讓學生自己進行感知層設計，使用虛擬仿真軟件或實物設備進行設計，引導學生創新，將想法轉化為實踐。

3 多元化虛實結合實驗平臺的教學應用成效

基于多元化虛實結合的實驗平臺應用于物聯網移動應用開發課程，在師生受益、時間和空間突破、教學質量提升、培養創新能力等方面取得了顯著成效。

（1）學生受益面從校內專業拓展至校內非專業，同時擴展至同類學校，也包含了社會人員。學生可以在實驗室、圖書館等場所完成實驗，在實踐中學習知識，在場景中進行學習。

（2）線上線下提升教學質量。依托互聯網+等資源的建設，將虛擬實驗環境融入在線課程，極大方便了在線課程的實踐環節，做到了課程全程以實踐為主，以學生為中心，培養學生的系統思維能力、創新能力以及在具體場景下解決具體問題的能力。在該實驗平臺，線下可以用實物進行實驗，將仿真所得的知識和體驗用實物再次驗證，虛實結合，鼓勵學生在不同方面創新，比如感知層是否可以重新設計，手機端是否可以增加功能，能否使用鴻蒙進行設計等。依托多元化的虛實結合實驗平臺，學生的作品“基于NB-IoT的池塘水質云測控系統”在江蘇省2020年度普通高等學校畢業設計中獲得一等獎。該生通過在感知層使用NB-IoT，在應用層對Web方面進行創新并完成設計，達到了舉一反三的效果。

（3）教學資源拓展的同時降低了維護成本。在多元化虛實結合平臺中，因為引入了虛擬仿真，很多案例、創新設計、新資源可以融入在線平臺，而不必因為新的想法設計而再購入新的設備等，大大豐富了教學資源，為學生提供了更多資源進行學習。

（4）創新實踐的有效平臺。基于該平臺的教學內容建設，時刻要求以實踐為主，以學生為中心，確保培養學生的創新思維能力和創新實踐能力。

4 結 語

物聯網移動應用多元化虛實結合實驗平臺的設計，使得該門課具有系統化、網絡化、智能化等屬性，為培養新時代創新型、復合型人才提供了基礎保障，也為其它科目的教師提供了教學參考，為今后培養學生實踐學習提供了有力支持。

注：本文通訊作者為李濤。

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作者簡介：李 濤（1989－），男，江蘇鹽城人，碩士研究生，講師，研究方向為物聯網應用、腦機接口、人工智能。