張德育，谷 月，劉 猛，張文波，田明浩

（沈陽理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真類實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)造性思維、網(wǎng)絡(luò)編程能力和虛擬仿真設(shè)計能力。在國家開展仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)條件下，我們提出物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真類實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目開發(fā)，進(jìn)而建設(shè)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室，將其作用于信息類相關(guān)專業(yè)的實(shí)訓(xùn)過程，對學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計和虛擬仿真設(shè)計起到積極的促進(jìn)作用，同時也可以讓學(xué)生更好地獲知物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)信息、在適當(dāng)?shù)臅r機(jī)和環(huán)境中投入信息技術(shù)的應(yīng)用與實(shí)踐，拓展就業(yè)渠道和相關(guān)研究領(lǐng)域。

基于物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真類實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)套件開發(fā)不僅能夠?yàn)樾畔㈩悓I(yè)的特色和專業(yè)方向服務(wù)，而且還可以將其與課程教學(xué)相結(jié)合，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。其中，基于物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真類實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)套件開發(fā)可以利用傳感器與自動識別設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)字媒體信息的采集，并結(jié)合ARM、單片機(jī)、樹莓派等控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，進(jìn)行電機(jī)、舵機(jī)的控制，把數(shù)據(jù)與局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)建立數(shù)字信息傳輸?shù)膶?shí)際實(shí)驗(yàn)，同時開發(fā)虛擬超市售貨系統(tǒng)、虛擬老人看護(hù)系統(tǒng)、虛擬智能家居系統(tǒng)等虛擬實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)了學(xué)生的數(shù)字媒體信息處理與傳輸技術(shù)應(yīng)用能力；增強(qiáng)了學(xué)生對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用能力；提高了學(xué)生軟件技術(shù)開發(fā)能力；同時進(jìn)一步加強(qiáng)以ARM為主體，傳感器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為輔助的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)內(nèi)容。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)把物聯(lián)網(wǎng)器件與半實(shí)物和VR 設(shè)備相連，更好的建立虛擬物聯(lián)網(wǎng)仿真系統(tǒng)。此外，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可應(yīng)用于大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽和實(shí)驗(yàn)室開放管理等系統(tǒng)。

1 物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真類實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真類實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)套件可以綜合《單片機(jī)程序設(shè)計》、《嵌入式程序設(shè)計》、《虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)》、《傳感器技術(shù)》和畢業(yè)設(shè)計等課程內(nèi)容，一方面提高學(xué)生的理論學(xué)習(xí)興趣，加深課程理解，另一方面提高學(xué)生的實(shí)踐和應(yīng)用能力。物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真類實(shí)驗(yàn)教學(xué)適用于多個專業(yè)。信息類的專業(yè)課程都與專業(yè)方向綜合實(shí)訓(xùn)相連，把物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)套件應(yīng)用到專業(yè)方向綜合實(shí)訓(xùn)，不但可以增加課程設(shè)計的教學(xué)內(nèi)容，而且還可以創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的開設(shè)。

（1）物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)套件結(jié)合信息類相關(guān)專業(yè)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在C語言程序設(shè)計的實(shí)驗(yàn)課中，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容增加KeilC 程序設(shè)計內(nèi)容，使學(xué)生了解更多的C語言，增加學(xué)生的趣味性學(xué)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。在面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的實(shí)驗(yàn)課中，在MFC 的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容增加以自動識別的輸入程序，使學(xué)生了解自動識別在面向?qū)ο笳n程中的應(yīng)用，增強(qiáng)學(xué)生的編程能力。在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫原理實(shí)驗(yàn)中增加自動識別設(shè)備產(chǎn)生的信息作為數(shù)據(jù)庫中表的關(guān)鍵字段，使自動識別的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中傳輸，增強(qiáng)學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)程序調(diào)試能力。在自動識別和嵌入式實(shí)驗(yàn)中，把自動識別的信息與嵌入式開發(fā)板相結(jié)合，增加條碼接收器、射頻卡接收器、攝像頭等嵌入開發(fā)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增強(qiáng)學(xué)生的嵌入式程序調(diào)試能力。

（2）物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)套件完善現(xiàn)有信息類相關(guān)專業(yè)的課程設(shè)計實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。在C 語言程序課程設(shè)計中，學(xué)生選題內(nèi)容增加單片機(jī)I/O、中斷、定時器、串行通信等KeilC 程序設(shè)計內(nèi)容，結(jié)合電子設(shè)計大賽和機(jī)器人設(shè)計的內(nèi)容，增加創(chuàng)新內(nèi)容，使學(xué)生的了解C 語言程序在創(chuàng)新競賽的應(yīng)用。在面向?qū)ο蟪绦蛘n程設(shè)計和教學(xué)實(shí)習(xí)中，學(xué)生選題內(nèi)容把條碼接收器接收書的條碼信息、射頻卡接收器接收學(xué)生的射頻卡的信息融入面向?qū)ο蟪绦蛘n程設(shè)計和教學(xué)實(shí)習(xí)，結(jié)合計算機(jī)程序設(shè)計大賽，使學(xué)生在創(chuàng)新競賽中了解自動識別技術(shù)和面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計。在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計中，學(xué)生選題內(nèi)容增加射頻收發(fā)模塊、Zigbee 模塊、無線網(wǎng)卡模塊在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使學(xué)生掌握更多的無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，結(jié)合機(jī)器人設(shè)計大賽和物聯(lián)網(wǎng)程序設(shè)計大賽，使學(xué)生了解計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計在創(chuàng)新競賽的應(yīng)用。在單片機(jī)課程設(shè)計中，學(xué)生選題內(nèi)容增加電機(jī)轉(zhuǎn)動程序開發(fā)；舵機(jī)轉(zhuǎn)動程序開發(fā)；紅外檢測程序開發(fā)；超聲波檢測程序開發(fā)，為專業(yè)方向綜合實(shí)訓(xùn)的自動識別的網(wǎng)絡(luò)智能車提供自動識別的基礎(chǔ)，結(jié)合在電子設(shè)計大賽和機(jī)器人設(shè)計大賽，使學(xué)生了解單片機(jī)在創(chuàng)新競賽的應(yīng)用。在嵌入式技術(shù)課程設(shè)計和專業(yè)方向綜合實(shí)訓(xùn)中，學(xué)生選題內(nèi)容增加射頻卡接收器和條碼接收器及自動識別的網(wǎng)絡(luò)智能車搭建與相應(yīng)程序的開發(fā)，使學(xué)生了解嵌入式技術(shù)在創(chuàng)新競賽的應(yīng)用。

（3）物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)套件結(jié)合信息類專業(yè)的綜合實(shí)訓(xùn)，還可根據(jù)平臺現(xiàn)有器件，自擬題目參加比賽；而且可以參加計算機(jī)程序設(shè)計大賽、參加嵌入式程序設(shè)計比賽，同時可以應(yīng)用全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽參加控制類電子大賽和模電類電子大賽；最后該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在普通高等學(xué)校本科大學(xué)生機(jī)器人競賽中，可以根據(jù)平臺現(xiàn)有器件，根據(jù)題目組合模塊器件參加比賽。

（4）物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真類實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目現(xiàn)有信息類相關(guān)專業(yè)的課程設(shè)計實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。

2 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)套件技術(shù)路線和實(shí)施方案

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)套件共有六個單元構(gòu)成：第一部分由單片機(jī)、ARM、樹莓派組成的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)套件的控制單元；第二部分由步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、舵機(jī)等構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)套件的運(yùn)動單元；第三部分由紅外傳感器、顏色傳感器、攝像頭傳感器構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)套件的傳感器單元；第四部分由無線網(wǎng)卡、射頻無線模塊、藍(lán)牙模塊組成的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)套件無線網(wǎng)絡(luò)單元；第五部分由智慧大棚系統(tǒng)、老人看護(hù)系統(tǒng)、智能家居系統(tǒng)構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)套件的半實(shí)物單元；第六部分由VR 設(shè)備結(jié)合虛擬智慧大棚和虛擬老人看護(hù)系統(tǒng)組成的虛擬單元。

就物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)套件整體而言，它采用沉金工藝的二層PCB 板設(shè)計，它提供一款的單片機(jī)、ARM9、樹莓派的底板，使控制芯片安裝在上面既可以使用；它為電機(jī)驅(qū)動、舵機(jī)驅(qū)動構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)套件的驅(qū)動單元；由步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、舵機(jī)構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)套件的運(yùn)動單元；紅外傳感器、顏色傳感器、攝像頭傳感器構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)套件的傳感器單元；分由無線網(wǎng)卡、射頻無線模塊、藍(lán)牙無線模塊組成物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)套件的無線通信單元；保證質(zhì)量控制。

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)套件通信系統(tǒng)開發(fā)通過ARM、單片機(jī)與傳感器單元、接口單元相連并進(jìn)行相應(yīng)的軟件開發(fā)構(gòu)成通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)套件控制系統(tǒng)開發(fā)通過控制單元的ARM、單片機(jī)與驅(qū)動單元的電機(jī)驅(qū)動、舵機(jī)驅(qū)動相連；驅(qū)動單元的電機(jī)驅(qū)動、舵機(jī)驅(qū)動分別與控制單元的步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、舵機(jī)相連；控制單元ARM、單片機(jī)與傳感器單元、無線通信單元、接口單元相連并進(jìn)行相應(yīng)的軟件開發(fā)構(gòu)成運(yùn)動系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)套件的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)開發(fā)由電腦和手機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)套件相連，進(jìn)行相應(yīng)的軟件開發(fā)構(gòu)成遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

3 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)半實(shí)物及虛擬仿真技術(shù)路線和實(shí)施方案

半實(shí)物老人看護(hù)系統(tǒng)是一個綜合性的老人看護(hù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備半實(shí)物仿真系統(tǒng)，它包括環(huán)境保障系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)、電器控制系統(tǒng)、健康醫(yī)療系統(tǒng)、門禁管理系統(tǒng)、突發(fā)應(yīng)急系統(tǒng)。半實(shí)物智慧大棚系統(tǒng)是一個綜合性的大棚物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備半實(shí)物仿真系統(tǒng)，它包括環(huán)境檢測系統(tǒng)、大棚結(jié)構(gòu)防護(hù)系統(tǒng)、大棚安全防護(hù)系統(tǒng)、農(nóng)作物安全防護(hù)系統(tǒng)、設(shè)備控制系統(tǒng)、農(nóng)作物生長管理系統(tǒng)。半實(shí)物家居系統(tǒng)是一個綜合性的智能家居物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備半實(shí)物仿真系統(tǒng)，它包括環(huán)境檢測系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)、電器控制系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、門禁管理系統(tǒng)。

虛擬智慧大棚系統(tǒng)是一個虛擬的智慧大棚仿真系統(tǒng)，它建立虛擬大棚植物、陽光、水、養(yǎng)料及各種傳感器，通過虛擬環(huán)境進(jìn)行植物養(yǎng)殖。虛擬老人看護(hù)系統(tǒng)是有看護(hù)老人和智能家居兩部分組成，看護(hù)老人建立虛擬老人及通過傳感器檢測老人的健康，智能家居虛擬系統(tǒng)包括家中電器如加濕器、凈化器、電冰箱、洗衣機(jī)、風(fēng)扇、窗簾、門鎖，通過虛擬環(huán)境對老人及家庭進(jìn)行虛擬管理及老人虛擬看護(hù)。

4 結(jié)束語

本文明確提出物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真類實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計，對解決目前高等教育普遍存在的忽視物聯(lián)網(wǎng)與虛擬仿真相結(jié)合實(shí)踐教學(xué)能力弱，動手能力差。本文基于物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真類實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)開展以開展實(shí)驗(yàn)套件開發(fā)、半實(shí)物老人看護(hù)系統(tǒng)、半實(shí)物智慧大棚系統(tǒng)、虛擬智慧大棚系統(tǒng)、虛擬老人看護(hù)系統(tǒng)為核心的內(nèi)容研究。項(xiàng)目實(shí)踐過程中注重與物聯(lián)網(wǎng)與虛擬技術(shù)的有機(jī)融合，打造學(xué)生在物聯(lián)網(wǎng)和虛擬創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，為高校物聯(lián)網(wǎng)和虛擬人才培養(yǎng)任務(wù)的實(shí)施賦予更加豐富的內(nèi)涵。