Packet Tracert在IoT物联网中的应用与实践

杨泽明

摘要：本文通过物联网基础应用课程教学过程中遇到教学实训困境的分析，使用思科公开自主开发的Packet Tracer模拟器7.x对IoT（物联网）设备的支持，解决了实训设备成本、维护成本，以教学案例的形式说明信息化教学对本课程的应用与实践，通过一系列浅显易懂的仿真实验，给学生一个清晰简明的认识，为后续进行相关专业的学习奠定基础。可见可采用多种信息化手段提高教学效果的作用。

关键词：IoT（物联网）;信息化教学;Packet Tracer模拟器

中图分类号：TP393       文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）36-0008-02

1 物联网技术的发展现状分析

当今世界，信息技术日新月异，以数字化、网络化、智能化为特征的信息化技术浪潮蓬勃兴起。物联网、云计算、大数据、人工智能、机器学习等新技术驱动网络空间开始向万物互联演进。自《中国制造2025》规划的发布，物联网（IoT-Internet of Things）技术正在制造业、公用事业、交通运输、矿业等众多行业实现其业务并发挥作用。这一快速增长的发展趋势也带来了新的挑战，以前需要人工干预的任务可以通过智能自动化实现。未来物联网将拓展到智能家居、智能交通、智能医疗等各个领域。众所周知，物联网是个交叉学科，涉及通信技术、传感技术、网络技术以及RFID技术等多种技术领域，在未来十年之内必然会迎来其发展的高峰期。而物联网技术人才也势必将会“迎娶”属于它的一个美好时代。

2 物联网课程面临的困境及解决方案

我们在信息化教学方面，除了可以使用与课程相关的视频、图片的方式来解释物联网的概念和解决方案，但是对学生实训实践方面作用不大，我们可以通过仿真物联网设备、构建物联网实现体系，提出物联网的解决方案，思科公司开发的Cisco Packet Tracer7.x模拟软件开始支持IoT智能设备的模拟实验，解决了以前需要昂贵网络设备或物联网智能的局限性，并可实现诸如智能家居，智能工厂，智能交通，智能城市的环境模拟，还可以模拟外界环境，又可以收集和分析传感器数据，实现对智能设备的连接和执行。

而在我国高校（含高职）都开设了物联网专业或物联网课程，但是实验室的实训设备购置成本、维护成本及环境预设都提出了很大挑战，于是有一些如思科公司开发的Cisco Packet Tracer7.x，中国移动OneNet物联网平台，但是在教学过程中软件及模拟会让学生感受不到真实环境，无法运用到实际生产生活中，需要硬件设备与真实环境的支持，但同时在为企业个人用户提供解决方案又要描述预期的解决方案，需要两者的结合。

1）思科模拟器（Cisco Packet Tracer，以下简称为PT）7.x以上版本开始支持IoT智能设备的模拟实验，并可实现诸如智能家居，智能工厂，智能交通，智能城市的模拟环境构建，本课题根据真实情况定制相应的解决方案，涉及如传感器（实物）、致动器、网络传输（网络互联）、操作系统、基于Python、JavaScript、Blockly等程序设计与开发，为物联网的教学提供了新的解决方案，即SDN的实现。

2）但是模拟器毕竟是软件形式，缺少物聯网设备的真实感，所以本课题尝试开发真实的IoT电路板，与PT中模拟设备实现交互，实现虚实结合，让无法实现的（如智能城市）在模拟器中构建，而传感器获取数据或开关控制来自真实环境，利用WiFi、蓝牙等无线技术实现互动。

这些设备可以配置为根据不断变化的环境值采取措施，例如打开照明灯或关闭车库门。将其连接到网络，配置和修改脚本以使其运行以及远程控制这些设备的说明。Packet Tracer7.x提供了创建模拟的智能家居，智能城市和智能工厂所需的一切。同时可对接高德服务平台或中国移动OneNet物联网平台，通过平台上实时数据对PT模拟器中的智能设备进行控制，这样可以让学生更加直观的理解相关技术应用，对自行设计物联网解决方案可呈现其工作过程和效果，可见，使用PT模拟器实现了物联网类课程在信息化教学应用及扩展。

3 信息化教学实现案例分析与实施

利用 Cisco Packet Tracer 模拟器搭建家庭物联网仿真实验环境，如图 1 所示。

在图1中，我们可以构建一个拥有智能家居的家庭网络，图中包含IP网络设备及智能设备，如使用交换机、家庭网关、平板电脑和电缆Modem等构建IP网络，使用如智能灯、智能门、智能电扇、咖啡机、车库门、智能电池等智能设备，所有设备均可使用有线或无线网线连接到交换机或家庭网关的相关端口。此实验使用的服务器有两大功能：第一，作为家庭网关实现DHCP服务器功能，完成各种终端设备的 IP 地址自动分配;第二，作为家庭物联网服务器 IoT 工作。

学生根据方案设计图理解物联网构架结构，对这些设备在物联网中起到的作用进行归纳和分类，理解哪些设备是传感器用来收集数据，哪些设备可以实施编程对执行器进行控制，理解物联网的智能设备，物联网编程，物联网安全，物联网协议及交互流程，对涉及的知识点进行概括分析，对涉及的物联网结构，物联网编程的逻辑分析进行学习，学会的目的是要应用和创新创意设计，为企业和家庭提供更多的解决方案。

在PT中可以模拟网络设备、物联网智能设备，中央控制系统、从而实现从家庭中的智能家居到远程监控系统，所以在教学实践中，我们除了模拟场景外还可以模拟智能设备所处的环境，从而验证我们所设置的方案效果。具体PT模拟环境设置方法如下：例如在实验中，要预设温度条件，则首先需要确定设备所在的位置。把鼠标指针移到任一设备上方，会出现该设备属性的提示框，最下面一行显示的就是设备 Physical Location信息可以看到设备位于 Corporate Office，单击主界面右上角的 Environment按钮，打开环境条件编辑对话框。默认的环境 Location是 Intercity。但我们需要设置的环境是 Corporate Office，所以需要在Location下拉菜单中，指定位置为 Corporate Office。选择完成可以看到默认的环境条件参数，单击 Environment Values旁边的Edit按钮，进入环境参数设置界面，此处可以指定时间比例。例如，可选定真实时间1秒等于模拟器中30分钟，找到温度 Temperature，单击其最左边的三角形图标，将会看到具体的Temperature参数。勾选环境温度 Ambient Temperature前的复选框，默认的初始温度是0℃。可将 Init Value值改为35℃即可，表示将环境温度初始值设置为35℃，不需要关闭环境设置界面随即生效。单击环境设置界面中的 View Mode按钮，启用环境温度初始值。随着时间的推移，中控设备完成启动，进入工作状态，这时可以看到，当温度降观察主界面中取暖炉的运行，可以看到随着温度下降到15℃以下，取暖炉开启，而当温度上升到25℃以上，取暖炉自动关闭。

除此之外，高德开放平台是一种云服务，提供Andriod、iOS、Web端（js）、Web 服务、微信小程序等平台的数据接口服务等。提供的数据接口服务包括地图、定位、导航、周边搜索、路径规划、天气查询、IP 定位、行政区划分查询等，在本实验中使用“Web 服务”提供的天气查询服务对城市天气信息进行查询。

打开浏览器，输入高德开发平台地址：https：//lbs.amap.com/ ;网站加完毕后点击右上角“注册”图标进行开发者账号注册，开发人员可以创建应用实现虚拟设备与真实气象信息之间的互动，使用 Realhttp、json 获取真实天气数据，对数据进行解析并与 Packet Tracer 中的 LED 灯产生联动。您可以注册云平台（高德开发平台）开发者账号，构建实验拓扑，然后对单板计算机 （SBC）进行编程以实现虚拟 LED 灯与真实天气气象信息的互动，根据返回的数据解析数据，提取温度信息，如果温度高于等于25℃开灯，低于25℃关灯。我们将使用 Packet Tracer Realhttp 模块，进行 REST API 调用。

1）打开 Packet Tracer 7.2 或更高版本，打开高德开放平台与物理世界交互（RESTful API 实验）.pkt 文件。

2）将 Components下的SBC、LED 放入逻辑工作空间。

3）参考下图将 SBC、LED 设备使用数字线路进行连接。

4）点击SBC 开发板“Programming”窗口的“Run”按钮，观察效果，若接收到的温度数值小于25，请更改判断条件。

4 小结

如何利用信息化教学手段提高教学效果，在实际教学中，我们采用优学院或超星学习通下发学习任务单，及实训指导说明，学生通过课前观看视频，理解知识点，教学提出实训任务，让学生完成作业或任务，教师根据学生完成情况的截图或实验录屏，了解学生完成情况并分析大家遇到的共性问题，老师也可以做实训的示范并录屏在平台上发布。学生再次完成实验，要求学生可以举一反三，进行创新创意项目开发。形成项目报告书，小组分组答辩的方式进行汇报和交流。但我们尽可能利用多种信息化教学手段辅助教学来提高教学效果。

而IoT物联网技术是通过收集传感器数据（如温度、湿度、光照、风力）进行分析，进而通过在MCU（Micro Control Unit）上进行编程，从而让致动器完成某些功能，可以使用PT来模拟相应的环境，这为信息化教学提出新思路，以前使用视频、图片增加课程的直观性，但学生无法参与其中进行实训。有了PT模拟器可以利用此信息化教学手段完成教学实训，学生可以在家里，机房，宿舍，使用笔记本电脑，台式机，平板电脑或手机来完成教学内容的学习与实验，充分利用信息化教学手段，提高学生参与度及学习兴趣。

参考文献：

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[2] 杨功元.Packet Tracer使用指南及实验实训教程[M].2版.北京：电子工业出版社，2017.

[3] 喻衣鑫.基于Packet Tracer的网络实训室的应用[J].移动信息，2015（10）：56-57.

[4] [美]Andrew，K.Dennis..Raspberry Pi+Arduino智能家居入门[M].云汉，译.北京：科学出版社，2015.

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