楊澤明

摘要：本文通過物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)應(yīng)用課程教學(xué)過程中遇到教學(xué)實(shí)訓(xùn)困境的分析，使用思科公開自主開發(fā)的Packet Tracer模擬器7.x對IoT（物聯(lián)網(wǎng)）設(shè)備的支持，解決了實(shí)訓(xùn)設(shè)備成本、維護(hù)成本，以教學(xué)案例的形式說明信息化教學(xué)對本課程的應(yīng)用與實(shí)踐，通過一系列淺顯易懂的仿真實(shí)驗(yàn)，給學(xué)生一個(gè)清晰簡明的認(rèn)識，為后續(xù)進(jìn)行相關(guān)專業(yè)的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)?？梢娍刹捎枚喾N信息化手段提高教學(xué)效果的作用。

關(guān)鍵詞：IoT（物聯(lián)網(wǎng)）;信息化教學(xué);Packet Tracer模擬器

中圖分類號：TP393? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）36-0008-02

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀分析

當(dāng)今世界，信息技術(shù)日新月異，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為特征的信息化技術(shù)浪潮蓬勃興起。物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等新技術(shù)驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)空間開始向萬物互聯(lián)演進(jìn)。自《中國制造2025》規(guī)劃的發(fā)布，物聯(lián)網(wǎng)（IoT-Internet of Things）技術(shù)正在制造業(yè)、公用事業(yè)、交通運(yùn)輸、礦業(yè)等眾多行業(yè)實(shí)現(xiàn)其業(yè)務(wù)并發(fā)揮作用。這一快速增長的發(fā)展趨勢也帶來了新的挑戰(zhàn)，以前需要人工干預(yù)的任務(wù)可以通過智能自動化實(shí)現(xiàn)。未來物聯(lián)網(wǎng)將拓展到智能家居、智能交通、智能醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域。眾所周知，物聯(lián)網(wǎng)是個(gè)交叉學(xué)科，涉及通信技術(shù)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及RFID技術(shù)等多種技術(shù)領(lǐng)域，在未來十年之內(nèi)必然會迎來其發(fā)展的高峰期。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人才也勢必將會“迎娶”屬于它的一個(gè)美好時(shí)代。

2 物聯(lián)網(wǎng)課程面臨的困境及解決方案

我們在信息化教學(xué)方面，除了可以使用與課程相關(guān)的視頻、圖片的方式來解釋物聯(lián)網(wǎng)的概念和解決方案，但是對學(xué)生實(shí)訓(xùn)實(shí)踐方面作用不大，我們可以通過仿真物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)體系，提出物聯(lián)網(wǎng)的解決方案，思科公司開發(fā)的Cisco Packet Tracer7.x模擬軟件開始支持IoT智能設(shè)備的模擬實(shí)驗(yàn)，解決了以前需要昂貴網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或物聯(lián)網(wǎng)智能的局限性，并可實(shí)現(xiàn)諸如智能家居，智能工廠，智能交通，智能城市的環(huán)境模擬，還可以模擬外界環(huán)境，又可以收集和分析傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對智能設(shè)備的連接和執(zhí)行。

而在我國高校（含高職）都開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)或物聯(lián)網(wǎng)課程，但是實(shí)驗(yàn)室的實(shí)訓(xùn)設(shè)備購置成本、維護(hù)成本及環(huán)境預(yù)設(shè)都提出了很大挑戰(zhàn)，于是有一些如思科公司開發(fā)的Cisco Packet Tracer7.x，中國移動OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺，但是在教學(xué)過程中軟件及模擬會讓學(xué)生感受不到真實(shí)環(huán)境，無法運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)生活中，需要硬件設(shè)備與真實(shí)環(huán)境的支持，但同時(shí)在為企業(yè)個(gè)人用戶提供解決方案又要描述預(yù)期的解決方案，需要兩者的結(jié)合。

1）思科模擬器（Cisco Packet Tracer，以下簡稱為PT）7.x以上版本開始支持IoT智能設(shè)備的模擬實(shí)驗(yàn)，并可實(shí)現(xiàn)諸如智能家居，智能工廠，智能交通，智能城市的模擬環(huán)境構(gòu)建，本課題根據(jù)真實(shí)情況定制相應(yīng)的解決方案，涉及如傳感器（實(shí)物）、致動器、網(wǎng)絡(luò)傳輸（網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)）、操作系統(tǒng)、基于Python、JavaScript、Blockly等程序設(shè)計(jì)與開發(fā)，為物聯(lián)網(wǎng)的教學(xué)提供了新的解決方案，即SDN的實(shí)現(xiàn)。

2）但是模擬器畢竟是軟件形式，缺少物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的真實(shí)感，所以本課題嘗試開發(fā)真實(shí)的IoT電路板，與PT中模擬設(shè)備實(shí)現(xiàn)交互，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合，讓無法實(shí)現(xiàn)的（如智能城市）在模擬器中構(gòu)建，而傳感器獲取數(shù)據(jù)或開關(guān)控制來自真實(shí)環(huán)境，利用WiFi、藍(lán)牙等無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)互動。

這些設(shè)備可以配置為根據(jù)不斷變化的環(huán)境值采取措施，例如打開照明燈或關(guān)閉車庫門。將其連接到網(wǎng)絡(luò)，配置和修改腳本以使其運(yùn)行以及遠(yuǎn)程控制這些設(shè)備的說明。Packet Tracer7.x提供了創(chuàng)建模擬的智能家居，智能城市和智能工廠所需的一切。同時(shí)可對接高德服務(wù)平臺或中國移動OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺，通過平臺上實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對PT模擬器中的智能設(shè)備進(jìn)行控制，這樣可以讓學(xué)生更加直觀的理解相關(guān)技術(shù)應(yīng)用，對自行設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)解決方案可呈現(xiàn)其工作過程和效果，可見，使用PT模擬器實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)類課程在信息化教學(xué)應(yīng)用及擴(kuò)展。

3 信息化教學(xué)實(shí)現(xiàn)案例分析與實(shí)施

利用 Cisco Packet Tracer 模擬器搭建家庭物聯(lián)網(wǎng)仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，如圖 1 所示。

在圖1中，我們可以構(gòu)建一個(gè)擁有智能家居的家庭網(wǎng)絡(luò)，圖中包含IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及智能設(shè)備，如使用交換機(jī)、家庭網(wǎng)關(guān)、平板電腦和電纜Modem等構(gòu)建IP網(wǎng)絡(luò)，使用如智能燈、智能門、智能電扇、咖啡機(jī)、車庫門、智能電池等智能設(shè)備，所有設(shè)備均可使用有線或無線網(wǎng)線連接到交換機(jī)或家庭網(wǎng)關(guān)的相關(guān)端口。此實(shí)驗(yàn)使用的服務(wù)器有兩大功能：第一，作為家庭網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)DHCP服務(wù)器功能，完成各種終端設(shè)備的 IP 地址自動分配;第二，作為家庭物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器 IoT 工作。

學(xué)生根據(jù)方案設(shè)計(jì)圖理解物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架結(jié)構(gòu)，對這些設(shè)備在物聯(lián)網(wǎng)中起到的作用進(jìn)行歸納和分類，理解哪些設(shè)備是傳感器用來收集數(shù)據(jù)，哪些設(shè)備可以實(shí)施編程對執(zhí)行器進(jìn)行控制，理解物聯(lián)網(wǎng)的智能設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)編程，物聯(lián)網(wǎng)安全，物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議及交互流程，對涉及的知識點(diǎn)進(jìn)行概括分析，對涉及的物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，物聯(lián)網(wǎng)編程的邏輯分析進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)會的目的是要應(yīng)用和創(chuàng)新創(chuàng)意設(shè)計(jì)，為企業(yè)和家庭提供更多的解決方案。

在PT中可以模擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備，中央控制系統(tǒng)、從而實(shí)現(xiàn)從家庭中的智能家居到遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，所以在教學(xué)實(shí)踐中，我們除了模擬場景外還可以模擬智能設(shè)備所處的環(huán)境，從而驗(yàn)證我們所設(shè)置的方案效果。具體PT模擬環(huán)境設(shè)置方法如下：例如在實(shí)驗(yàn)中，要預(yù)設(shè)溫度條件，則首先需要確定設(shè)備所在的位置。把鼠標(biāo)指針移到任一設(shè)備上方，會出現(xiàn)該設(shè)備屬性的提示框，最下面一行顯示的就是設(shè)備 Physical Location信息可以看到設(shè)備位于 Corporate Office，單擊主界面右上角的 Environment按鈕，打開環(huán)境條件編輯對話框。默認(rèn)的環(huán)境 Location是 Intercity。但我們需要設(shè)置的環(huán)境是 Corporate Office，所以需要在Location下拉菜單中，指定位置為 Corporate Office。選擇完成可以看到默認(rèn)的環(huán)境條件參數(shù)，單擊 Environment Values旁邊的Edit按鈕，進(jìn)入環(huán)境參數(shù)設(shè)置界面，此處可以指定時(shí)間比例。例如，可選定真實(shí)時(shí)間1秒等于模擬器中30分鐘，找到溫度 Temperature，單擊其最左邊的三角形圖標(biāo)，將會看到具體的Temperature參數(shù)。勾選環(huán)境溫度 Ambient Temperature前的復(fù)選框，默認(rèn)的初始溫度是0℃。可將 Init Value值改為35℃即可，表示將環(huán)境溫度初始值設(shè)置為35℃，不需要關(guān)閉環(huán)境設(shè)置界面隨即生效。單擊環(huán)境設(shè)置界面中的 View Mode按鈕，啟用環(huán)境溫度初始值。隨著時(shí)間的推移，中控設(shè)備完成啟動，進(jìn)入工作狀態(tài)，這時(shí)可以看到，當(dāng)溫度降觀察主界面中取暖爐的運(yùn)行，可以看到隨著溫度下降到15℃以下，取暖爐開啟，而當(dāng)溫度上升到25℃以上，取暖爐自動關(guān)閉。

除此之外，高德開放平臺是一種云服務(wù)，提供Andriod、iOS、Web端（js）、Web 服務(wù)、微信小程序等平臺的數(shù)據(jù)接口服務(wù)等。提供的數(shù)據(jù)接口服務(wù)包括地圖、定位、導(dǎo)航、周邊搜索、路徑規(guī)劃、天氣查詢、IP 定位、行政區(qū)劃分查詢等，在本實(shí)驗(yàn)中使用“Web 服務(wù)”提供的天氣查詢服務(wù)對城市天氣信息進(jìn)行查詢。

打開瀏覽器，輸入高德開發(fā)平臺地址：https：//lbs.amap.com/ ;網(wǎng)站加完畢后點(diǎn)擊右上角“注冊”圖標(biāo)進(jìn)行開發(fā)者賬號注冊，開發(fā)人員可以創(chuàng)建應(yīng)用實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備與真實(shí)氣象信息之間的互動，使用 Realhttp、json 獲取真實(shí)天氣數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并與 Packet Tracer 中的 LED 燈產(chǎn)生聯(lián)動。您可以注冊云平臺（高德開發(fā)平臺）開發(fā)者賬號，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)拓?fù)?，然后對單板?jì)算機(jī) （SBC）進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)虛擬 LED 燈與真實(shí)天氣氣象信息的互動，根據(jù)返回的數(shù)據(jù)解析數(shù)據(jù)，提取溫度信息，如果溫度高于等于25℃開燈，低于25℃關(guān)燈。我們將使用 Packet Tracer Realhttp 模塊，進(jìn)行 REST API 調(diào)用。

1）打開 Packet Tracer 7.2 或更高版本，打開高德開放平臺與物理世界交互（RESTful API 實(shí)驗(yàn)）.pkt 文件。

2）將 Components下的SBC、LED 放入邏輯工作空間。

3）參考下圖將 SBC、LED 設(shè)備使用數(shù)字線路進(jìn)行連接。

4）點(diǎn)擊SBC 開發(fā)板“Programming”窗口的“Run”按鈕，觀察效果，若接收到的溫度數(shù)值小于25，請更改判斷條件。

4 小結(jié)

如何利用信息化教學(xué)手段提高教學(xué)效果，在實(shí)際教學(xué)中，我們采用優(yōu)學(xué)院或超星學(xué)習(xí)通下發(fā)學(xué)習(xí)任務(wù)單，及實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)說明，學(xué)生通過課前觀看視頻，理解知識點(diǎn)，教學(xué)提出實(shí)訓(xùn)任務(wù)，讓學(xué)生完成作業(yè)或任務(wù)，教師根據(jù)學(xué)生完成情況的截圖或?qū)嶒?yàn)錄屏，了解學(xué)生完成情況并分析大家遇到的共性問題，老師也可以做實(shí)訓(xùn)的示范并錄屏在平臺上發(fā)布。學(xué)生再次完成實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生可以舉一反三，進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)意項(xiàng)目開發(fā)。形成項(xiàng)目報(bào)告書，小組分組答辯的方式進(jìn)行匯報(bào)和交流。但我們盡可能利用多種信息化教學(xué)手段輔助教學(xué)來提高教學(xué)效果。

而IoT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是通過收集傳感器數(shù)據(jù)（如溫度、濕度、光照、風(fēng)力）進(jìn)行分析，進(jìn)而通過在MCU（Micro Control Unit）上進(jìn)行編程，從而讓致動器完成某些功能，可以使用PT來模擬相應(yīng)的環(huán)境，這為信息化教學(xué)提出新思路，以前使用視頻、圖片增加課程的直觀性，但學(xué)生無法參與其中進(jìn)行實(shí)訓(xùn)。有了PT模擬器可以利用此信息化教學(xué)手段完成教學(xué)實(shí)訓(xùn)，學(xué)生可以在家里，機(jī)房，宿舍，使用筆記本電腦，臺式機(jī)，平板電腦或手機(jī)來完成教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)，充分利用信息化教學(xué)手段，提高學(xué)生參與度及學(xué)習(xí)興趣。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李剛，賈小云.基于仿真軟件在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用探究[J].百科論壇電子雜志，2018（16）：644.

[2] 楊功元.Packet Tracer使用指南及實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教程[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2017.

[3] 喻衣鑫.基于Packet Tracer的網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)室的應(yīng)用[J].移動信息，2015（10）：56-57.

[4] [美]Andrew，K.Dennis..Raspberry Pi+Arduino智能家居入門[M].云漢，譯.北京：科學(xué)出版社，2015.

【通聯(lián)編輯：唐一東】