物联网工程专业的智能家居虚拟仿真实验内容设计与实现

白凯 文汉云 靳国兴

（长江大学计算机科学学院，湖北 荆州 434023）

一、引言

物联网工程是一门集通信、计算机、电子等学科于一体的交叉学科，也是一门以工程应用为基础，综合集成现有先进信息技术的学科。物联网工程专业的培养需要加强实验教学、工程技能和创新能力的培养。目前物联网实验教学面临诸多挑战，物联网实验教学设备价格比较昂贵，各门课的软件和硬件也各自分离，没有整合，每门课都是按其所设计内容安排独立的实验设计而没有融会贯通，各实验设备依赖各种独立的供应商，并且实验设备价格昂贵,一旦缺乏了相应的实验方法，学生只有通过书本的理论知识来接触物联网原理和应用,无法从整体对理解物联网的工作过程，从而了解物联网的本质特点。

我们建立虚拟仿真实验室，将这些实验课程通过使用仿真软件进行虚拟实验教学，不仅可以节省大量的硬件资源，完全可以把物联网从感知层到应用层全部整合起来。让学生更加关注传感器的应用、物联网工程设计、网络路由算法等核心方法，所以虚拟仿真实验教学是物联网工程专业实验教学的有力补充，因此在物联网专业中进行虚拟仿真实验教学的应用和推广是必要的。

二、设计理念

通过虚拟仿真系统，学生可以了解整个物联网技术的开发和设计过程。掌握来自传感器的数据采集，数据传输采用短距离无线通信技术，控制其对应的应用层智能设备。相关课程包括物联网原理与应用、传感器原理与应用、短距离无线通信技术等。该虚拟实验在物联网的数据采集层设计中考虑了各种传感器在物联网中工作过程，这样就可以在虚拟实验中充分体现物联网的三层结构，从整个系统实现构建物联网虚拟实验的目标，该实验设计将虚拟实验室的建设场景设置为家庭场景。在布景场景中，安装了各种各样的传感器。学生只需点击虚拟实验中的各种传感器，界面就会显示传感器介绍、接线图和通信节点。然后继续设置网关，就可以做到“虚实结合”，工作后界面会展示各种设备的工作情况，引导学生了解物联网工作的特点。虚拟实验内容的设计为物联网工程专业相关课程的教学内容，可以让学生实践学习理论得到锻炼，充分了解物联网技术的整体发展过程。

三、智能家居虚拟实验设计内容

物联网智能家居虚拟仿真系统可以从第一视角展示家庭的具体情况。图1 是虚拟实验的实现界面：下面把典型实验介绍如下：

图1 智能家居虚拟仿真实验运行界面

（一）智能家居环境监控

实验目的:掌握各种传感器的使用方法，获取现场数据，掌握基本的开关逻辑。

实验原理:温湿度传感器工作原理、光传感器工作原理、红外传感器工作原理。

实验内容:实时监控家庭环境，如设备是否在线、光照温湿度、设备的短地址等。

通过设备介绍按钮，可以对场景中的各种传感器有一个简单地了解。观察场景时，还可以点击相应的传感器进行进一步了解。包括传感器的介绍、接线图和通信节点的介绍。学生可以通过弹出的界面了解所使用的传感器的原理、接线和设备。本实验使用了多个节点传感器，如人体检测传感器、温湿度传感器、烟雾传感器等，实时采集数据，然后通过zigbee 组网将数据发送到zigbee 协调终端。然后协调器通过串口将数据发送给处理器，处理器进行进一步处理。如图2 所示:

（二）智能灯光控制

实验目的：掌握控制App 通讯功能，了解光敏传感器的工作原理；掌握物联网传输协议和编解码的一般原理。让学生学习如何通过无线网络将各个节点的数据上传到PLC，然后通过网络上传到服务器，学习如何配置网关。

实验原理：通过串口协议建立网络物理通道和板载ZigBee 协调器的PANID。在cortex-a8 智能网关板上启动ZigBee 协调器后，就可以创建网络。成功将带RFID 的IMOTE 模块的远程节点搜索添加到网络后，通过Qt 应用程序即可完成实验功能的操作。点击yeelight adm 按钮，首先搜索设备。搜索设备后，点击管理按钮就会弹出yeelight 的操作界面。

使用客户端将智能灯接入局域网，并在官方应用程序中打开“LAN control”接口功能，第三方应用程序可根据提供的API 接口与智能灯通信。

四、教学模式应用方法

（一）理论与实践相结合的课堂教学

物联网工程专业实践性强，仅仅讲解理论教学难以提高教学质量。如果能采用理论与实践相结合的课堂教学方法，可以达到事半功倍的效果。例如，在本课程中对传感器原理的讲解中，传感器原理比较复杂，很难理解，所以学生很难掌握知识的重点。如果老师能做一个简短的理论教学，准确的解释，然后让学生用虚拟仿真的平台去实践，学生就能很容易的理解这个问题。在教学中，我们完全采用了真实和模拟相结合的方法来获得良好的教学效果。

（二）情景模拟教学

智能家居设计为3D 模拟界面，可以以第一人称视角移动，具有良好的沉浸感。在未来，我们还可以考虑加入3D 虚拟现实技术，与3D 眼镜合作。该场景的设计可以增强学生的直观认识，激发学生的学习兴趣和动机。

图3 3D 的显示效果图

（三）实训教学案例

在每个实训的案例中,现代信息技术是用各种各样的合理和有效手段,充分利用网络教学和管理、教学大纲、教学安排、教学计划、网络课件或视频讲座、习题、实验指导和逐步开放上网，实现优质资源24 小时共享,方便学生自主学习。

五、结论

该虚拟仿真实验系统建立主要达到了物联网工程专业系列课程要求的完整性和系统性。

（一）完整性

功能齐全的物联网虚拟仿真实验系统可以完成“全功能”实验和实训。物联网分为信息获取与信息传输、信息处理与应用三个层次。目前建立的物联网工程实验室缺乏“信息获取”的实验平台。全功能物联网虚拟仿真实验室将能够开展物联网三层结构的全功能实验和实训。

（二）系统性

物联网工程虚拟仿真实验系统建设完成后，可为相关专业学生提供包括专业基础课、专业必修课、专业选修课和工程实训在内的所有实践课程提供支撑。