基于高階Cisco Packet Tracer的“物聯網技術基礎”課程實驗體系構建

摘 要：針對物聯網技術基礎課程實驗條件有限、學生專業知識積累少和物聯網體系結構復雜的問題，基于高階Cisco Packet Tracer構建了課程實驗體系。基于Packet Tracer仿真平臺設計了基礎實驗、綜合實驗和創新實驗三個層次的實驗項目，實驗設計由淺入深，難度從簡單到復雜，從而達到逐步提升學生實驗技能和創新能力的目的。論文對智能停車場實驗項目的物聯網體系架構進行了詳細闡述，從感知層、傳輸層、平臺層到應用層逐層展開，深入淺出地解析了各層的關鍵技術及其實現原理。實驗教學實施結果表明，該實驗體系能夠有效提升學生的學習興趣和實踐能力，為物聯網工程應用型人才的培養提供了有力支持。

關鍵詞：Cisco Packet Tracer；物聯網技術；基礎課程；實驗教學體系；仿真實驗；應用型人才

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）08-0-04

0 引 言

“物聯網技術基礎”是物聯網工程專業一門重要的專業基礎課，開設在大一第一學期。開設該課程的目的是使學生掌握物聯網的定義和基本技術及應用，了解物聯網技術的發展以及物聯網應用系統的關鍵。課程內容包括物聯網基本概念和物聯網體系結構；物聯網感知識別層、物聯網網絡傳輸層、物聯網平臺層和物聯網應用層的基本技術；涉及傳感器及檢測、無線傳感器網絡、無線通信、云計算等技術，為學生以后的物聯網工程專業課程學習以及物聯網系統開發打好基礎。實驗教學有助于學生深化理論知識的理解，提高學習效果；可以培養學生的實踐能力和創新精神，從而不斷加強他們解決實際問題的能力；也可以提升學生的學習興趣和動力，有助于他們在未來的學習和工作中取得更好的成績[1-2]。因此必須重視并加強物聯網技術基礎課程實驗教學的開展。

Cisco Packet Tracer 是一款功能強大的網絡仿真軟件，其 7.0及后續版本為物聯網實驗教學提供了高度仿真的模擬環

境[3]。用戶可通過圖形化界面直接拖拽傳感器、單片機、執行器、RFID 閱讀器等物聯網設備，并結合計算機網絡組件構建網絡拓撲，自主完成設計、配置及故障排查。該軟件能夠幫助學生通過實踐探索培養動手能力和創新思維[4-5]。此外，得益于模擬實驗的靈活性和可重復性，學生可隨時隨地進行實驗，大幅提升實驗效率。Cisco Packet Tracer 還提供了豐富的數據包分析功能，有助于學生深入理解網絡協議與數據傳輸機制[6]。

1 物聯網技術基礎課程實驗教學現狀分析

“物聯網技術基礎”作為大一第一學期的入門課程，教學內容涵蓋物聯網基本概念、關鍵技術及應用案例，采用由淺入深的方式幫助學生系統理解物聯網體系架構[7-8]。目前，該課程的實驗教學已實現從無到有的突破，但仍面臨諸多挑戰與問題。

（1）物聯網實驗設備更新滯后。由于物聯網領域的技術發展迅速，新的傳感器、控制器等設備不斷被推出，而學校的實驗室設備往往無法及時跟上技術發展的步伐。這導致學生在實驗過程中無法接觸到最新的技術和設備，影響了實驗教學的效果和質量。

（2）物聯網實驗設備數量少、種類單一。物聯網技術的實踐教學中往往需要多個設備和系統的聯動，但是學校的實驗教學環境往往無法滿足這種需求。這可能導致學生在實驗過程中無法充分體驗到物聯網技術的實際應用場景，影響學生實踐能力和創新精神的培養。

（3）缺少綜合性實驗。目前，實驗主要是基礎性實驗，比如認識傳感器、使用ESP8266單片機、云平臺應用等，都是針對單個知識點進行的，并沒有覆蓋物聯網體系架構的綜合性實驗。這導致學生對四層體系架構沒有深入且具體的理解，缺少全局認識。

綜上所述，結合實驗條件有限、大一新生專業知識累積少和物聯網系統體系架構復雜的特點，基于高階Cisco Packet Tracer構建物聯網模擬課程實驗體系是可行的方案。

2 基于高階Cisco Packet Tracer的實驗體系

2.1 實驗體系設計

課程實驗可劃分為基礎實驗、綜合實驗和創新實驗三個等級。基礎實驗主要是簡單網絡組網、網絡設備配置等，主要目的是讓學生能夠對計算機網絡有具體的認識并能對主機、交換機、路由器和服務器等設備進行基礎配置。綜合實驗涉及物聯網體系架構，從感知識別層、網絡傳輸層、平臺層到應用層等一系列配置，需要結合具體應用場景進行驗證、設計與實現。創新實驗要求學生自主設計物聯網應用系統，搭建物聯網四層體系架構，并進行模擬實驗。具體實驗項目見表1。

2.2 實驗案例

以綜合實驗中的智能停車場實驗為例，詳細介紹如何基于Cisco Packet Tracer實現物聯網應用案例的完整模擬。

2.2.1 實驗拓撲設計

本實驗模擬了停車場入口以及兩個車位，拓撲圖如圖1所示。每個組件的功能如下：

（1）停車場入口的運動傳感器檢測是否有車輛進入，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MCU控制重力傳感器狀態與LED燈的開關，同時單片機將數據上傳至OneNET云平臺，供互聯網終端遠程查看。

（4）車位激光傳感器檢測車位是否空閑并將信息通過WiFi網絡上傳至IoT服務器，服務器上的數據可供智能手機等終端訪問。

接入互聯網的IoT服務器需設置IP地址和子網掩碼，并開啟服務器上的IoT服務和DHCP（地址自動分配）功能。無線接入點AP需配置無線WiFi參數（SSID和密碼）組建無線局域網。智能手機需配置WiFi參數接入AP。激光傳感器添加無線網卡PT-IoT-NM-1W后配置WiFi參數使得其可連接無線AP。

2.2.2 OneNET平臺創建產品

OneNET平臺是由中國移動打造的PaaS物聯網開放平臺，主要功能包括設備接入、設備管理、數據集成、應用集成、消息集成、接口集成等，旨在降低物聯網應用開發和部署成本，為智能硬件、智能家居產品提供完善的物聯網解決

方案[9]。

注冊并登錄OneNET中國移動物聯網開放平臺，創建“TCP透傳”產品，命名產品，記錄產品ID。添加兩個設備，設備名分別為“車位1”和“車位2”，記錄兩個設備的鑒權信息，上傳腳本sample.lua。制做一個簡單的應用界面顯示停車場車位狀態。

2.2.3 MCU編程

MCU編程主要涉及物件的基本屬性定義、回調函數的定義、數據信息處理，以及內部狀態變化對應的邏輯處理，以使得物件與物件之間、物件與IoT服務器之間能夠正常交互信息[10-11]。與IoT服務器交互的物件，其硬件電路接口電平發生變化或通過無線方式收到IoT服務器數據時，在該物件中的Python代碼都將采用回調函數進行信息處理。主要代碼如下所示：

serverIP=\"dtu.heclouds.com\" #oneNET云平臺

serverPort=1811

auth='*產品ID #chewei1#chewei*' #具體的產品ID、設備1鑒權信息，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接口數據賦值給b1

if（b1！=0）：

digitalWrite（1，1023） #打開車位1的LED

else：

digitalWrite（1，0） #關閉車位1的LED

move=digitalRead（4） #讀取D4接口數據賦值給move

if（move！=0）：

customWrite（5，2） #給D5接口寫入數據2，打開路燈

else：

customWrite （5，0） #給D5接口寫入數據0，關閉路燈

client.send（b1）

2.2.4 實驗測試

運行單片機MCU的Python代碼。按住Alt鍵，鼠標左鍵點擊車位1的重力傳感器（開關）模擬車輛停入車位1，車位1的LED燈會亮起。松開鼠標左鍵，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鍵同時鼠標遮擋激光，看到激光傳感器上的指示燈變紅。可在智能手機上遠程查看車位狀態的改變（綠色表示有車），如圖3所示。

如圖4所示，按下Alt鍵時鼠標滑過運動傳感器，模擬車輛進入，停車場入口的路燈會亮起。當5 s未檢測到運動時，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。

通過本實驗，學生從物聯網的感知層、網絡層、平臺層和應用層全方位、全角度設計并實現了物聯網系統運行操作，對物聯網的四層架構有了清晰認識，在深化理論知識理解的同時提升了他們的實踐能力。

3 實驗教學考核方法與實施評價

實驗教學的考核主要通過以下幾個方面進行：

（1）實驗報告分析：對學生提交的實驗報告進行分析評分，評估學生的實驗操作、數據分析和解決問題的能力。

（2）實驗操作考核：設計實驗操作考核任務，要求學生現場演示或操作，觀察其技能掌握情況。操作考核能夠直接觀察學生的實際操作能力，有助于發現操作中存在的問題。

（3）項目完成情況評價：實驗教學包含創新性項目，對項目完成情況進行評估，包括項目創新性、實用性以及報告撰寫等。綜合性項目的完成情況可以反映學生在知識整合、問題解決和團隊合作等方面的能力。

實驗教學實施效果通過學生問卷調查和考試成績分析進行評估。在學習通平臺發放問卷調查收集學生對實驗教學的滿意度和學習興趣等反饋。結果顯示，學生對實驗教學效果的滿意度較上一屆顯著提升；考核結果也表明，學生的實踐技能掌握程度和理論知識理解情況均有明顯改善。

4 結 語

實驗教學能夠將物聯網基礎技術的理論知識與實際操作相結合，通過實驗操作不僅能加深學生對理論知識的理解與運用，同時還能提高學生的實踐能力和解決問題的能力。本文設計了一系列基于模擬軟件的實驗項目，利用模擬軟件構建實驗體系可以解決實驗設備不足、更新滯后的問題，并且能夠快速完成物聯網完整體系結構的實驗。這種教學方法有助于提升“物聯網技術基礎”課程的教學質量，激發學生的學習興趣和積極性，為后續專業課的學習以及物聯網應用型工程人才的培養奠定扎實的基礎。

參考文獻

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