楊澤明

摘要：本文通過物聯網基礎應用課程教學過程中遇到教學實訓困境的分析，使用思科公開自主開發(fā)的Packet Tracer模擬器7.x對IoT（物聯網）設備的支持，解決了實訓設備成本、維護成本，以教學案例的形式說明信息化教學對本課程的應用與實踐，通過一系列淺顯易懂的仿真實驗，給學生一個清晰簡明的認識，為后續(xù)進行相關專業(yè)的學習奠定基礎?？梢娍刹捎枚喾N信息化手段提高教學效果的作用。

關鍵詞：IoT（物聯網）;信息化教學;Packet Tracer模擬器

中圖分類號：TP393? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）36-0008-02

1 物聯網技術的發(fā)展現狀分析

當今世界，信息技術日新月異，以數字化、網絡化、智能化為特征的信息化技術浪潮蓬勃興起。物聯網、云計算、大數據、人工智能、機器學習等新技術驅動網絡空間開始向萬物互聯演進。自《中國制造2025》規(guī)劃的發(fā)布，物聯網（IoT-Internet of Things）技術正在制造業(yè)、公用事業(yè)、交通運輸、礦業(yè)等眾多行業(yè)實現其業(yè)務并發(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)，以前需要人工干預的任務可以通過智能自動化實現。未來物聯網將拓展到智能家居、智能交通、智能醫(yī)療等各個領域。眾所周知，物聯網是個交叉學科，涉及通信技術、傳感技術、網絡技術以及RFID技術等多種技術領域，在未來十年之內必然會迎來其發(fā)展的高峰期。而物聯網技術人才也勢必將會“迎娶”屬于它的一個美好時代。

2 物聯網課程面臨的困境及解決方案

我們在信息化教學方面，除了可以使用與課程相關的視頻、圖片的方式來解釋物聯網的概念和解決方案，但是對學生實訓實踐方面作用不大，我們可以通過仿真物聯網設備、構建物聯網實現體系，提出物聯網的解決方案，思科公司開發(fā)的Cisco Packet Tracer7.x模擬軟件開始支持IoT智能設備的模擬實驗，解決了以前需要昂貴網絡設備或物聯網智能的局限性，并可實現諸如智能家居，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據，實現對智能設備的連接和執(zhí)行。

而在我國高校（含高職）都開設了物聯網專業(yè)或物聯網課程，但是實驗室的實訓設備購置成本、維護成本及環(huán)境預設都提出了很大挑戰(zhàn)，于是有一些如思科公司開發(fā)的Cisco Packet Tracer7.x，中國移動OneNet物聯網平臺，但是在教學過程中軟件及模擬會讓學生感受不到真實環(huán)境，無法運用到實際生產生活中，需要硬件設備與真實環(huán)境的支持，但同時在為企業(yè)個人用戶提供解決方案又要描述預期的解決方案，需要兩者的結合。

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智能設備的模擬實驗，并可實現諸如智能家居，智能工廠，智能交通，智能城市的模擬環(huán)境構建，本課題根據真實情況定制相應的解決方案，涉及如傳感器（實物）、致動器、網絡傳輸（網絡互聯）、操作系統、基于Python、JavaScript、Blockly等程序設計與開發(fā)，為物聯網的教學提供了新的解決方案，即SDN的實現。

2）但是模擬器畢竟是軟件形式，缺少物聯網設備的真實感，所以本課題嘗試開發(fā)真實的IoT電路板，與PT中模擬設備實現交互，實現虛實結合，讓無法實現的（如智能城市）在模擬器中構建，而傳感器獲取數據或開關控制來自真實環(huán)境，利用WiFi、藍牙等無線技術實現互動。

這些設備可以配置為根據不斷變化的環(huán)境值采取措施，例如打開照明燈或關閉車庫門。將其連接到網絡，配置和修改腳本以使其運行以及遠程控制這些設備的說明。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。同時可對接高德服務平臺或中國移動OneNet物聯網平臺，通過平臺上實時數據對PT模擬器中的智能設備進行控制，這樣可以讓學生更加直觀的理解相關技術應用，對自行設計物聯網解決方案可呈現其工作過程和效果，可見，使用PT模擬器實現了物聯網類課程在信息化教學應用及擴展。

3 信息化教學實現案例分析與實施

利用 Cisco Packet Tracer 模擬器搭建家庭物聯網仿真實驗環(huán)境，如圖 1 所示。

在圖1中，我們可以構建一個擁有智能家居的家庭網絡，圖中包含IP網絡設備及智能設備，如使用交換機、家庭網關、平板電腦和電纜Modem等構建IP網絡，使用如智能燈、智能門、智能電扇、咖啡機、車庫門、智能電池等智能設備，所有設備均可使用有線或無線網線連接到交換機或家庭網關的相關端口。此實驗使用的服務器有兩大功能：第一，作為家庭網關實現DHCP服務器功能，完成各種終端設備的 IP 地址自動分配;第二，作為家庭物聯網服務器 IoT 工作。

學生根據方案設計圖理解物聯網構架結構，對這些設備在物聯網中起到的作用進行歸納和分類，理解哪些設備是傳感器用來收集數據，哪些設備可以實施編程對執(zhí)行器進行控制，理解物聯網的智能設備，物聯網編程，物聯網安全，物聯網協議及交互流程，對涉及的知識點進行概括分析，對涉及的物聯網結構，物聯網編程的邏輯分析進行學習，學會的目的是要應用和創(chuàng)新創(chuàng)意設計，為企業(yè)和家庭提供更多的解決方案。

在PT中可以模擬網絡設備、物聯網智能設備，中央控制系統、從而實現從家庭中的智能家居到遠程監(jiān)控系統，所以在教學實踐中，我們除了模擬場景外還可以模擬智能設備所處的環(huán)境，從而驗證我們所設置的方案效果。具體PT模擬環(huán)境設置方法如下：例如在實驗中，要預設溫度條件，則首先需要確定設備所在的位置。把鼠標指針移到任一設備上方，會出現該設備屬性的提示框，最下面一行顯示的就是設備 Physical Location信息可以看到設備位于 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。默認的環(huán)境 Location是 Intercity。但我們需要設置的環(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的環(huán)境條件參數，單擊 Environment Values旁邊的Edit按鈕，進入環(huán)境參數設置界面，此處可以指定時間比例。例如，可選定真實時間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，將會看到具體的Temperature參數。勾選環(huán)境溫度 Ambient Temperature前的復選框，默認的初始溫度是0℃?？蓪?Init Value值改為35℃即可，表示將環(huán)境溫度初始值設置為35℃，不需要關閉環(huán)境設置界面隨即生效。單擊環(huán)境設置界面中的 View Mode按鈕，啟用環(huán)境溫度初始值。隨著時間的推移，中控設備完成啟動，進入工作狀態(tài)，這時可以看到，當溫度降觀察主界面中取暖爐的運行，可以看到隨著溫度下降到15℃以下，取暖爐開啟，而當溫度上升到25℃以上，取暖爐自動關閉。

除此之外，高德開放平臺是一種云服務，提供Andriod、iOS、Web端（js）、Web 服務、微信小程序等平臺的數據接口服務等。提供的數據接口服務包括地圖、定位、導航、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，在本實驗中使用“Web 服務”提供的天氣查詢服務對城市天氣信息進行查詢。

打開瀏覽器，輸入高德開發(fā)平臺地址：https：//lbs.amap.com/ ;網站加完畢后點擊右上角“注冊”圖標進行開發(fā)者賬號注冊，開發(fā)人員可以創(chuàng)建應用實現虛擬設備與真實氣象信息之間的互動，使用 Realhttp、json 獲取真實天氣數據，對數據進行解析并與 Packet Tracer 中的 LED 燈產生聯動。您可以注冊云平臺（高德開發(fā)平臺）開發(fā)者賬號，構建實驗拓撲，然后對單板計算機 （SBC）進行編程以實現虛擬 LED 燈與真實天氣氣象信息的互動，根據返回的數據解析數據，提取溫度信息，如果溫度高于等于25℃開燈，低于25℃關燈。我們將使用 Packet Tracer Realhttp 模塊，進行 REST API 調用。

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 實驗）.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 設備使用數字線路進行連接。

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

4 小結

如何利用信息化教學手段提高教學效果，在實際教學中，我們采用優(yōu)學院或超星學習通下發(fā)學習任務單，及實訓指導說明，學生通過課前觀看視頻，理解知識點，教學提出實訓任務，讓學生完成作業(yè)或任務，教師根據學生完成情況的截圖或實驗錄屏，了解學生完成情況并分析大家遇到的共性問題，老師也可以做實訓的示范并錄屏在平臺上發(fā)布。學生再次完成實驗，要求學生可以舉一反三，進行創(chuàng)新創(chuàng)意項目開發(fā)。形成項目報告書，小組分組答辯的方式進行匯報和交流。但我們盡可能利用多種信息化教學手段輔助教學來提高教學效果。

而IoT物聯網技術是通過收集傳感器數據（如溫度、濕度、光照、風力）進行分析，進而通過在MCU（Micro Control Unit）上進行編程，從而讓致動器完成某些功能，可以使用PT來模擬相應的環(huán)境，這為信息化教學提出新思路，以前使用視頻、圖片增加課程的直觀性，但學生無法參與其中進行實訓。有了PT模擬器可以利用此信息化教學手段完成教學實訓，學生可以在家里，機房，宿舍，使用筆記本電腦，臺式機，平板電腦或手機來完成教學內容的學習與實驗，充分利用信息化教學手段，提高學生參與度及學習興趣。

參考文獻：

[1] 李剛，賈小云.基于仿真軟件在計算機網絡教學中的應用探究[J].百科論壇電子雜志，2018（16）：644.

[2] 楊功元.Packet Tracer使用指南及實驗實訓教程[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2017.

[3] 喻衣鑫.基于Packet Tracer的網絡實訓室的應用[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：科學出版社，2015.

【通聯編輯：唐一東】