物联网虚拟仿真类实验教学系统的开发与设计

张德育，谷 月，刘 猛，张文波，田明浩

（沈阳理工大学信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159）

0 引言

物联网虚拟仿真类实验教学系统培养大学生创造性思维、网络编程能力和虚拟仿真设计能力。在国家开展仿真实验室建设条件下，我们提出物联网虚拟仿真类实验教学项目开发，进而建设相关的实验室，将其作用于信息类相关专业的实训过程，对学生物联网设计和虚拟仿真设计起到积极的促进作用，同时也可以让学生更好地获知物联网相关信息、在适当的时机和环境中投入信息技术的应用与实践，拓展就业渠道和相关研究领域。

基于物联网虚拟仿真类实验教学项目的实验套件开发不仅能够为信息类专业的特色和专业方向服务，而且还可以将其与课程教学相结合，提高学生的学习兴趣。其中，基于物联网虚拟仿真类实验教学项目的实验套件开发可以利用传感器与自动识别设备实现数字媒体信息的采集，并结合ARM、单片机、树莓派等控制系统和数据处理系统，进行电机、舵机的控制，把数据与局域网和互联网建立数字信息传输的实际实验，同时开发虚拟超市售货系统、虚拟老人看护系统、虚拟智能家居系统等虚拟实验，培养了学生的数字媒体信息处理与传输技术应用能力；增强了学生对虚拟现实技术的应用能力；提高了学生软件技术开发能力；同时进一步加强以ARM为主体，传感器和网络技术为辅助的物联网教学内容。该实验系统把物联网器件与半实物和VR 设备相连，更好的建立虚拟物联网仿真系统。此外，该实验系统可应用于大学生创新创业大赛和实验室开放管理等系统。

1 物联网虚拟仿真类实验在教学中应用

物联网虚拟仿真类实验教学项目的实验套件可以综合《单片机程序设计》、《嵌入式程序设计》、《虚拟现实技术》、《传感器技术》和毕业设计等课程内容，一方面提高学生的理论学习兴趣，加深课程理解，另一方面提高学生的实践和应用能力。物联网虚拟仿真类实验教学适用于多个专业。信息类的专业课程都与专业方向综合实训相连，把物联网实验套件应用到专业方向综合实训，不但可以增加课程设计的教学内容，而且还可以创新性实验的开设。

（1）物联网实验套件结合信息类相关专业的课内实验教学，创新性实验内容。在C语言程序设计的实验课中，在实验内容增加KeilC 程序设计内容，使学生了解更多的C语言，增加学生的趣味性学习，增强学生的学习能力。在面向对象程序设计的实验课中，在MFC 的实验内容增加以自动识别的输入程序，使学生了解自动识别在面向对象课程中的应用，增强学生的编程能力。在网络数据库原理实验中增加自动识别设备产生的信息作为数据库中表的关键字段，使自动识别的数据在网络数据库中传输，增强学生的网络程序调试能力。在自动识别和嵌入式实验中，把自动识别的信息与嵌入式开发板相结合，增加条码接收器、射频卡接收器、摄像头等嵌入开发的实验内容，增强学生的嵌入式程序调试能力。

（2）物联网实验套件完善现有信息类相关专业的课程设计实践教学内容。在C 语言程序课程设计中，学生选题内容增加单片机I/O、中断、定时器、串行通信等KeilC 程序设计内容，结合电子设计大赛和机器人设计的内容，增加创新内容，使学生的了解C 语言程序在创新竞赛的应用。在面向对象程序课程设计和教学实习中，学生选题内容把条码接收器接收书的条码信息、射频卡接收器接收学生的射频卡的信息融入面向对象程序课程设计和教学实习，结合计算机程序设计大赛，使学生在创新竞赛中了解自动识别技术和面向对象程序设计。在计算机网络课程设计中，学生选题内容增加射频收发模块、Zigbee 模块、无线网卡模块在网络应用的实验内容，使学生掌握更多的无线网络的应用，结合机器人设计大赛和物联网程序设计大赛，使学生了解计算机网络课程设计在创新竞赛的应用。在单片机课程设计中，学生选题内容增加电机转动程序开发；舵机转动程序开发；红外检测程序开发；超声波检测程序开发，为专业方向综合实训的自动识别的网络智能车提供自动识别的基础，结合在电子设计大赛和机器人设计大赛，使学生了解单片机在创新竞赛的应用。在嵌入式技术课程设计和专业方向综合实训中，学生选题内容增加射频卡接收器和条码接收器及自动识别的网络智能车搭建与相应程序的开发，使学生了解嵌入式技术在创新竞赛的应用。

（3）物联网实验套件结合信息类专业的综合实训，还可根据平台现有器件，自拟题目参加比赛；而且可以参加计算机程序设计大赛、参加嵌入式程序设计比赛，同时可以应用全国大学生电子设计竞赛参加控制类电子大赛和模电类电子大赛；最后该实验系统在普通高等学校本科大学生机器人竞赛中，可以根据平台现有器件，根据题目组合模块器件参加比赛。

（4）物联网虚拟仿真类实验教学项目现有信息类相关专业的课程设计实践教学内容。

2 物联网实验套件技术路线和实施方案

物联网实验套件共有六个单元构成：第一部分由单片机、ARM、树莓派组成的物联网实验套件的控制单元；第二部分由步进电机、直流电机、舵机等构成物联网实验套件的运动单元；第三部分由红外传感器、颜色传感器、摄像头传感器构成物联网实验套件的传感器单元；第四部分由无线网卡、射频无线模块、蓝牙模块组成的物联网实验套件无线网络单元；第五部分由智慧大棚系统、老人看护系统、智能家居系统构成物联网实验套件的半实物单元；第六部分由VR 设备结合虚拟智慧大棚和虚拟老人看护系统组成的虚拟单元。

就物联网实验套件整体而言，它采用沉金工艺的二层PCB 板设计，它提供一款的单片机、ARM9、树莓派的底板，使控制芯片安装在上面既可以使用；它为电机驱动、舵机驱动构成物联网实验套件的驱动单元；由步进电机、直流电机、舵机构成物联网实验套件的运动单元；红外传感器、颜色传感器、摄像头传感器构成物联网实验套件的传感器单元；分由无线网卡、射频无线模块、蓝牙无线模块组成物联网实验套件的无线通信单元；保证质量控制。

物联网实验套件通信系统开发通过ARM、单片机与传感器单元、接口单元相连并进行相应的软件开发构成通信实验系统。物联网实验套件控制系统开发通过控制单元的ARM、单片机与驱动单元的电机驱动、舵机驱动相连；驱动单元的电机驱动、舵机驱动分别与控制单元的步进电机、直流电机、舵机相连；控制单元ARM、单片机与传感器单元、无线通信单元、接口单元相连并进行相应的软件开发构成运动系统。物联网实验套件的远程控制系统开发由电脑和手机与物联网实验套件相连，进行相应的软件开发构成远程控制系统。

3 物联网实验半实物及虚拟仿真技术路线和实施方案

半实物老人看护系统是一个综合性的老人看护物联网设备半实物仿真系统，它包括环境保障系统、安全防护系统、电器控制系统、健康医疗系统、门禁管理系统、突发应急系统。半实物智慧大棚系统是一个综合性的大棚物联网设备半实物仿真系统，它包括环境检测系统、大棚结构防护系统、大棚安全防护系统、农作物安全防护系统、设备控制系统、农作物生长管理系统。半实物家居系统是一个综合性的智能家居物联网设备半实物仿真系统，它包括环境检测系统、安全防护系统、电器控制系统、能源管理系统、门禁管理系统。

虚拟智慧大棚系统是一个虚拟的智慧大棚仿真系统，它建立虚拟大棚植物、阳光、水、养料及各种传感器，通过虚拟环境进行植物养殖。虚拟老人看护系统是有看护老人和智能家居两部分组成，看护老人建立虚拟老人及通过传感器检测老人的健康，智能家居虚拟系统包括家中电器如加湿器、净化器、电冰箱、洗衣机、风扇、窗帘、门锁，通过虚拟环境对老人及家庭进行虚拟管理及老人虚拟看护。

4 结束语

本文明确提出物联网虚拟仿真类实验教学系统的开发与设计，对解决目前高等教育普遍存在的忽视物联网与虚拟仿真相结合实践教学能力弱，动手能力差。本文基于物联网虚拟仿真类实验教学系统开展以开展实验套件开发、半实物老人看护系统、半实物智慧大棚系统、虚拟智慧大棚系统、虚拟老人看护系统为核心的内容研究。项目实践过程中注重与物联网与虚拟技术的有机融合，打造学生在物联网和虚拟创新能力和创新精神的培养，为高校物联网和虚拟人才培养任务的实施赋予更加丰富的内涵。