物联网综合实训教学平台的仿真研究

朱龙梅

(陕西财经职业技术学院，大数据与人工智能学院,陕西，咸阳 712000)

0 引言

物联网在世界经济与科技发展方面成为了重要战略制高点之一，在国家对人才进行培养方面起到至关重要的作用。物联网是互联网的衍生物，它的核心是互联网，在互联网的基础上进行扩展，利用互联网实现信息共享的同时完成智能化发展。各大专院校对人才进行培养时，首先要培养的是学生的技术能力，在此基础上进行额外扩展。

物联网专业的扩展，使学生的课堂知识更加丰富，该课程可以培养学生综合能力，将理论知识与专业技术能力更好的结合，应用于实践。物联网专业的人才培养流程主要分为2方面：一方面需要学生熟练掌握物联网方面的核心技术以及理论基础，该部分主要针对于大一与大二的学生，此年级的学生专业课并不紧密；另一方面人才培养针对大三即将面临毕业的学生，大三年级的学生对物联网综合实训课程具有整体的了解与分析能力，能够更全面的培养学生专业能力。

1 传统“物联网综合实训”课程的现状和问题

传统的“物联网综合实训”课程主要是物联网专业的学生学业结束前的最后一门课程，它贯穿了大学时期学过的所有课程。这门课程的主要目的是为了培养学生的综合应用能力，使学生在工作岗位中可以灵活运用各种技能。但是，现在的教学空间有待完善，设备的数量不足以满足庞大的教学系统，学生之间需要分批分组，以团队协作的方式才能完成课堂任务，这样的方式可以使学生具有团队合作精神，但也有许多问题，比如它的设备连接、识别等都没办法满足任务圆满达成，在连线过程中，极易发生设备损坏等事故问题，这些问题大大降低了教学的效率，针对这些问题做出了如下研究，改善设备事故等困难问题，并且为教学质量提供了便利[1]。

2 物联网综合实训平台架构设计

该设计主要将整个物联网综合实训平台分为3大部分，分别是数据采集、数据处理以及智能控制部分。其中，数据采集部分的各类传感器又外接了数字量输入节点与模拟量输入节点2个部分，其主要功能是对数据进行采集；数据处理部分由计算机控制协调器释放出ZigBee协议与3G信号进行影响，最后通过数据库服务器进行分析，其主要功能是对数据进行处理与分析；智能控制部分的控制执行机构主要分为数字量输出节点和模拟量输出节点2个小部分，其主要功能是对平台进行控制。物联网综合实训平台功能框架如图1所示。

图1 物联网综合实训平台功能框架图

2.1 平台用户

物联网综合实训平台可以应用于各大高校物联网相关专业，主要为了物联网专业的学生在学习知识的同时可以培养学生的集成能力，让学生对无线网络以及基本知识更加充分的了解，学生们通过平台可以熟练掌握编程语言，并且对物联网综合实训平台的架构进行更好的设计[2]。

2.2 平台功能

该实训平台的设计使学生们对物联网课程有了全新的了解，学生们不需要掌握那么多复杂又繁琐的程序，更不需要掌握硬件编程，有调动平台的能力即可轻松完成操作。成功构建物联网应用系统，需要操作者根据功能的要求，选择与之合成契合的传感器节点，按照系统原本设置好的参数生成应用系统即可。这种实训平台需要学生有一定的设计硬件开发的能力基础，才能更好地拼装出物联网系统。

3 物联网综合实训平台的硬件设计与开发

3.1 协调器、传感器节点的设计与开发

该硬件设计主要将协调器、传感器节点分为4个单元，每个单元都有属于自己的小部分，依次负责不同的功能，形成一个整体。其中，传感单元主要功能为从不同渠道获取信息，再将获得的信息转化为信号释放给其他单元进行处理。传感单元分为2个模块，分别是传感器和数/模转换模块。处理单元的开发是整个设计的核心，该设计可以处理许多高难度且复杂的数据，包括对传感单元释放出的信号进行数据处理，与其他单元进行融合，还可以控制传感器节点的其他部分的协调与控制工作。无线收发单元在传感器节点中主要负责接收数据的功能，该设计的目的主要是将传感单元释放出的信号经处理单元进行处理后所得到的信息，由无线收发单元进行接收，并且与其他部分进行交换控制信息。最后一个单元为电池管理单元，该单元是维持整个设计可以正常工作的基础，它可以为传感器节点提供源源不断的能量，保证传感器节点可以正常运转[3]。传感器节点结构如图2所示。

图2 传感器节点结构图

3.1.1 处理单元

处理单元主要由处理器和存储器2部分组成，其中，处理器主要分为ARM处理器以及低端微控制器2大类，选择处理器之前，需要从该处理器的处理能力是否满足标准需求以及处理器正常运转过程中所消耗的能量是否过大，超过预估值等多方面角度考虑问题。ARM处理器在众多处理器中属于比较高端的处理器，可以称之为处理器中的代表，它处理数据的能力极强，可以应用于多种领域，并且处理起一些高数据量的业务时，通常操作者使用该处理器将网络数据汇聚在一起形成节点，操作者不需要做很多复杂的操作即可完成，但是，这个类型的处理器正常运转过程中需要消耗巨大的能量。另一个类型的处理器为低端微控制器，该处理器相对于ARM来讲，功能消耗较低，运行过程中不需要太大的能量即可完成正常运转，通常采用的是8/16位的单片机，但是，该处理器处理数据的能力较弱，面对高数据量的业务时，可能会面临运转困难等问题[4]。

处理器的选用需要从多方面因素考虑，该设计中选用的是CC2530，是一种性能极高的处理器，并且拥有可以进行编程的闪存，同时还包含了ADC、WatchDog Timer等系统，它所采用的节点本质为微型嵌入式系统，用户可以自行设计嵌入式系统，在众多处理器中，该处理器无论是从性能方面考虑，还是性价比方面都能脱颖而出，可以放心使用。

3.1.2 无线收发单元

无线收发单元包含的通信技术有很多方面，主要工作在ISM免费频段中，用户可以对芯片系统进行自定义。CC2530是各种应用中的代表，具有极好的性能，某种意义上可以真正的解决系统的方案，领先于其他收发器，在应用过程中充分体现了该收发器具有良好的可靠性以及有效性。CC2530不需要许多外围元器件，其外接电路主要包含3部分，分别是微控制器接口电路、输出电路发射频率以及时钟电路。芯片的信号可以由多种电路提供，而电容的大小取决于多种参数问题[5]。

3.1.3 传感单元

传感单元的主要功能是对信息进行采集处理，由传感器以及ADC 2部分组成，既可以对模拟的输入量与输出量进行采集，也可以对数字的输入以及输出量进行采集，并且对周围的环境情况进行监测，当影响因素过大时，系统会通过传感单元进行信息传递。

3.1.4 电池管理单元

电池管理单元对于电池的选择应十分严谨，电池更换过程可能造成一系列问题，一般确定电池的品种后，不对电池进行多次更换。该单元的电池设计采用了可以循环使用，并且用户可以自行充电的锂聚合物电池，该电池作为电源应严格避免使用过程中出现的充电过久或使用时间过长造成的用电亏损等问题，这样的问题会造成电池性能损害严重，市面上购买的电池并不符合标准，使用过程中应注意保护电路。

3.2 外接控制机构的设计与开发

外接控制机构主要利用综合实训平台的控制面板，对数据信息进行控制，运行系统之前计算出标准数值，待传感器节点所采集的数据信息得出结果时，将结果与事先计算好的标准值进行对比，若结果不超过阈值即可执行操作，反之需要重新判断，其输出结果主要分为2种类型，分别是数字量输出以及模拟量输出。结果出现后，操作者只需要根据数据显示的案例应用情况，以及外接的设备即可完成控制机构[6]。

3.3 综合平台的集成

数据的集成主要是综合平台实际应用过程中产生的数据，将结果整理成表格，称之为数据表，在通过数据库技术，将采集的数据储存于系统专属的数据库，再利用SQL技术对其进行编写，设置数据查询、分析等基础功能，为系统提供便捷接口，采集成功的数据与数据库中设置的标准值比较，完成智能化操作。

4 物联网综合实训平台的软件设计与开发

物联网综合实训平台的软件设计主要将系统分为3个部分，分别是传感层、传输层、应用层。通过物联网综合实训平台的建立，有效提高了教育事业的长远发展，并且物联网综合实训平台的建立可以重复利用，提高利用率的同时，可以将物联网综合实训平台作为物联网技能大赛的设备之一，为学生技能的提高打下坚实基础。除此之外，该平台的多种优势为学生提供了良好的创新平台，学生可以利用物联网综合实训平台完善自身发展[7]。

4.1 传感层软件

传感层软件的实现主要利用协调器与传感节点共同配合，并基于Z-Stack协议栈的基础上进行开发，Z-Stack协议栈实际上指的是轮询式操作系统中的一部分，通过将Z-Stack协议栈应用于传感层软件中，可以有效实现硬件与软件中的协调工作。Z-Stack协议栈中的main函数存在于Zmain中，主要负责对物联网综合实训平台的软件系统进行初始化，除此之外，还需要负责物联网综合实训平台的软件系统的实体操作。通常情况下Z-Stack协议栈无需更改函数，而Z-Stack协议栈为保证各层次之间的任务完成度，从MAC层编写至ZigBee设备应用层，有效实现各层次之间的相互协调。传感器节点的作用主要是对ZigBee协议栈进行初始化，并通过扫描功能寻找协调器节点，当传感器节点检测到协调器节点中特有的超帧信号时，首先应对其发送建联要求，请求成功后应立即进行绑定，从中获取协调器的标识，通过网络的引用，可以实现二者之间相互通信。传感层软件为保证监控实验的顺利进行，将传感层实验分为2部分，分别是传感器信号的采集以及ZigBee组网实验。其中，传感器信号的采集属于传感器实验的基础部分，而ZigBee组网实验在传感器实验中的占比较高，属于高级实验。

4.2 传输层软件

传输层在物联网综合实训平台的软件设计与开发中至关重要，主要负责承担嵌入式实验系统和嵌入式网关系统。其中，嵌入式实验系统又将自身分为2部分，分别是基础实验以及高级实验。嵌入式实验系统在传输层软件主要负责探索原理并加强优化，其中基础实验部分以及高级实验部分所包含的内容有利于传输层软件的深度开发。嵌入式网关系统可以通过网络对程序进行编写，对于网络的选取十分严谨，大致分为2种类型，分别是以太网和网线局域网，通过通信串口可将网络嵌入至程序之中[8]。

4.3 应用层软件

物联网综合实训平台的软件设计与开发中除了传感层、传输层，还包含了应用层，该部分主要由界面设计以及中间件程序设计组成，可以用于项目数据处理、管理层控制等方面。物联网综合实训平台的项目软件主要包括模拟智能安防、环境监测等综合程序。该部分主要以智能安防为例阐述物联网综合实训平台的软件设计与开发的方法。智能安防将系统分为三层结构，其中最为主要的底层结构由3个传感节点组成，并将3个传感节点通过串行接口与ZigBee协议栈建立连接，连接完成后，通过UDP协议的方式将数据信息进行上传，而数据包经过ZigBee协议栈传输后，将数据上传方式转换为TCP协议，以此实现远程监控。嵌入式程序流程图如图3所示。从图3中可以看出数据信息的高速传输为关键性问题，通常数据传输的内容以图片的形式展现，为提高数据信息的传输速度，将采取UDP协议，并通过联通WCDMA 3G网络，将以图片的形式展现的数据信息形成.jpg格式，经系统优化，最终的分辨率为320×240像素，速度为10帧/s。

图3 嵌入式程序流程图

5 物联网综合实训平台实际应用

5.1 物联网仿真实验平台介绍

该实验平台主要以物联网为基础，以软件的方式模拟各种感知设备，通过拓扑的方式完成自由组合，它的系统设备包含了许多面板，每个面板都有自己各自的功能，例如控制面板主要用于新建文件、编辑文件、打印仿真文件等控制行为，操作者可以轻松操作该系统；功能面板有着不同于其他面板的功能，它可以通过模拟传感器进行数据模拟实验等，操作者只需要将功能面板设置上报线路即可完成操作；消息面板的作用主要是查看数据，方便操作者及时观察数据的变化，物联网仿真实训平台示意图如图4所示。

图4 物联网仿真实训平台示意图

5.2 物联网综合实训平台在项目教学中的运用

为了证实物联网综合实训教学平台的有效性，以项目教学为例，通过物联网综合实训平台的运用提高项目教学质量，完善项目教学内容，项目实训开始前将制定实训管理的规范法则，其内容主要包括实训管理模式、实训纪律以及制度、考核、评定方式等。为保证物联网综合实训平台在项目教学中的顺利运用，特将物联网综合实训的教学过程分为3个阶段，分别是准备阶段、实训执行阶段以及总结验收阶段[9]。如表1所示。

表1 物联网综合实训教学平台在项目教学中的实际运用

(1)准备阶段通常在物联网综合实训教学开始之前进行，并详细讲解物联网综合实训教学的展开方式，通过物联网综合实训平台为学生解释每个项目的实现过程以及自身所具备的优势等；主要培训内容包括物联网与嵌入式应用系统主要特征的分析，强调无线传感器网络开发的主要方法等。

(2)实训执行阶段属于物联网综合实训教学中最重要的部分，该阶段可以直观的体现出物联网综合实训教学的优势，有利于学生在气氛良好的环境下开展学习，在学习过程中遇到难题，指导教师可以及时帮助学生解决，有效推进项目教学的开发；通过师生之间的相互交流来获取相关知识，帮助学生掌握相关技术细节。

(3)总结验收阶段通常在物联网综合实训教学的最后阶段展开，该阶段学生需要将所学习的内容进行整理，并将整理的结果以实训报告的形式提交，指导教师可以根据学生的出勤等表现形成考核成绩，通过指导教师组给出成绩的结果定为该学生的总评成绩[10]。

6 总结

物联网综合实训教学平台的建立，可以更加完美地解决传统物联网综合实训课程教学过程所遇到的种种问题。学生们从本文中可以更加了解物联网综合实训课程可以应用于哪些领域、物联网综合实训课程的架构是如何设计以及物联网综合实训平台的各种设计，从这些方面学生可以对物联网更加感兴趣，从而提高授课的效率以及质量。

综上所述，基于该物联网综合实训平台，也可以设计多种多样的物联网方面的项目，比如智能家居实验教学系统便可以根据仿真实训平台进行设计。从物联网的多方面应用吸引物联网专业的学生浓厚的学习兴趣，在完成学校建设的同时，还可以提高学生的实际操作能力，并且提升学生的就业率，该物联网综合实训教学平台仿真研究就有一定的教学价值。