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摘 要：结合物联网专业课程体系内容与专业目标岗位应具备的核心能力，对物联网专业实训平台进行分层次研究并总结关键技术与内容，得到实训平台中层次结构、前端设备、通信协议、应用接口和方法、终端应用等关键技术，并以平台设备为农业管理系统的感知层，在此基础上按照需求分析、硬件设计、界面设计、功能实现的流程开发具备数据采集、传输、显示及远程终端外围设备控制功能的移动终端农业管理系统。
关键词：物联网;仿真平台;农业管理系统
中图分类号：TP391.44-4;TN929.5-4 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）22-0171-04
Research on Professional Training Platform of Internet of Things
——Take Agricultural Management System Based on WSN + Simulation Technology as an Example
WANG Shuang
（Changchun Polytechnic，Changchun 130033，China）
Abstract：Combined with the content of IoT professional curriculum system and the core competence of professional target position，the IoT professional training platform is studied hierarchically and the key technologies and contents are summarized. The key technologies such as hierarchical structure，front-end equipment，communication protocol，application interface and method，terminal application in the training platform are obtained，and the platform equipment is used as the perception layer of agricultural management system. On this basis，according to the process of demand analysis，hardware design，interface design and function realization，a mobile terminal agricultural management system with data acquisition，transmission，display and remote terminal peripheral control functions is developed.
Keywords：internet of things;simulation platform;agricultural management system
0 引 言
5G時代的三大类应用场景分别是：增强型的移动互联网业务应用、海量连接的物联网应用、超高可靠性与超低时延业务的应用。后两种场景的应用随着5G技术的兴起和逐步成熟并覆盖到了生活、生产的方方面面。可以说5G技术与物联网技术是相辅相成并迅速发展的，这种发展也使得物联网综合性人才的需求呈现爆发式增长。但是，物联网是一个复杂的大系统，涵盖了多领域的技术与知识，高等职业教育怎样在有限的人才培养时间和学时中培养出符合职业岗位需求的创新复合型人才是现在急需解决的问题。知识复杂需要整合，岗位实践性高需要培养核心技术技能，针对这两个物联网专业人才培养中最主要的问题，对物联网专业的核心实践课程教学平台进行研究，以期依托平台能够对学生进行综合职业技能培养与全面知识体系的建立。
1 平台前端设备的应用
物联网前端设备涵盖广泛，前段设备是物联网应用系统的“五觉”，是物联网应用系统的硬件基础与数据来源。前端设备笼统地说主要包含两部分：传感器与RFID设备。平台中涵盖包括电源;各协议系统中的不同频段RFID设备，如低频125 kHz设备、高频段ISO 1443和ISO 15693设备、超高频读写器设备、有源2.4 GHz设备等;遵循不同无线通信协议的WSN设备;条形码和二维码模拟设备;能够通过继电器控制的可开关设备，如风扇、遮阳板、水帘、浇灌、蜂鸣器、电磁锁等;最后用于传感网与外部网络通信以及管理的网关设备。平台中的设备具有与真实设备一致的属性与接口，并且已经打包好可供调用的接口函数。以农业管理系统为例，基于以上设备可以搭建的感知层层次结构为：该系统的前端设备包括监测影响农作物生长各要素所需的传感器和可控设备，比如空气温湿度模拟器和与之配合的传感器、土壤温湿度模拟器和与之配合使用的传感器、光照模拟器和与之配合使用的传感器、二氧化碳浓度模拟器和传感器，天窗、喷灌、水帘、遮阳板、内外通风都通过继电器控制，和真实应用场景中一样，最终通过协调器和网关将数据传出并将终端命令输入。
2 平台遵循的通信协议
物联网的网络层包含感知层中前端设备所组成的各种有线和无线通信网、私有网、互联网、网络管理系统和云计算平台等组成，负责传递和处理感知层获取的信息。教学平台中所涉及的重点是前端设备按照不同的通信协议所组成的无线通信网以及网关和云平台之间的通信。 能够在平台中模拟的无线通信前端设备主要包括温湿度、烟雾、光照、人体感应、PM2.5、震动传感器等，这些根据不同的通信协议加载的通信模块包括NB-loT、LoRa、Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等。其中因为ZigBee通信协议的优势，搭载此通信协议的传感器还包括很多专用传感器，如气压、位移、角度、扭矩、拉力、压力、热偶、激光测距、火焰、超声液位、液化石油气、声音、光敏傳感器等专用型传感器和工业物联网中的传感器。这些传感器搭配专用的环境模拟器实现仿真设备对于环境的数据采集功能与外围设备的控制。在由传感器组成的无线通信网络中核心是网关，网关与协调器通过模拟串口相连接，协调器再与传感器按照特定的通信协议组成通信网，传感器配合环境模拟器进行数据采集，或者和继电器搭配进行外围设备的控制，如窗帘的开关和灯泡的开关。
遵循NB-loT通信协议的传感器设备可以通过外部网络将所采集到的数据上传到云平台，通过云平台与移动终端的连接达到对继电器所控制设备以及其他联网可控设备进行开关或调节的目的。在云平台中针对不同的传感器创建不同类型的产品和设备，保存云平台创建的设备关键字，然后在仿真平台中将关键字输入传感器设备中进行云平台到仿真平台的连接，云平台进而和应用层中与用户交互的应用相连接。
3 基于平台硬件的移动终端应用的开发
应用层的作用是物联网与用户的接口，用户可以是使用应用的人也可以是更上一层的控制系统。应用层程序遵循行业需求开发，实现物联网整体的智能应用。若没有应用层这个接口的存在，物联网没有办法发挥作用。平台应用层的开发包括上位机的开发和移动终端的开发。
基于平台的上位机开发主要应用的语言是C#，因为语言的通用性与灵活性所以基于感知层和网络层的应用有很多，比如基于WinForm控件的基础开发，基于RFID技术的低频、高频、超高频、有源2.4 GHz等的专项练习开发和基于这些模拟设备的智慧商城、校园一卡通、门禁系统、停车场系统等实际小型应用的拆解模拟式开发。移动终端应用开发同样可以使用这些模拟外设来实现，只是需要加载不同类别的接口函数。可以使用Java语言完成对模拟设备的控制，如打开串口、标签读取、数据写入、数据读取等，也可以对无线传感网进行连接网关、采集传感器数据、控制继电器等。在此基础上使用Android语言可以进行综合应用的开发，如智能家居网关与设备的添加与控制、场景的设置等。通过综合开发让学生了解物联网各个层级的知识，形成完整的知识体系。平台整体层次与关系如图1所示。
图1是仿真平台中的另一个综合应用——“智能家居仿真模拟管理系统”的抽象结构图。仿真教学平台中移动终端与传感器、继电器的通信与控制有一个关键前提就是需要将感知层中每个传感器抽象成为类，每个类按照属性抽象出对应控制行为的方法，这样才能通过应用层程序实现对感知层前端设备的控制。比如简单的低频125 kHz门禁系统中想要实现对标签的读取，首先要建立标签类，然后为标签添加连接与断开连接方法、读写数据块方法等，之后再建立连接端口，读写数据界面时才能调用这个方法完成对标签的各种操作。
基于以上研究结果，为解决物联网专业实际教学中所遇到的问题，作者所在的“移动终端开发”课程组在模拟仿真平台企业技术人员的帮助下，以平台的虚拟仿真硬件为前端设备，以设备中的接口方法为数据采集和命令传递点，自主开发了运行在移动终端的农业管理系统应用程序，该系统具备通过网关与模拟端口和硬件平台进行通信，从而具备手动控制调节内外遮阳板设备、通风和灌溉设备，采集土壤的温湿度、二氧化碳浓度的功能。课程组教师结合真实农业种植需求与平台的硬件设备功能完成包括设计界面、硬件设备搭建、接口方法重写等工作，并将开发后的应用作为综合实践项目应用于教学中。农业管理系统移动终端应用的运行效果如图2所示。
农业管理系统移动终端应用的开发流程为：
（1）需求分析：通过专业教师对城镇周边的实地考察，总结出现代农业种植大棚需要关注和测量的数据及普遍采用的控制设备，列出系统需求，包括能够测量大棚内空气的温湿度、土壤温湿度等;能够实现大棚内外设备的控制功能如开关通风系统和遮阳系统等。根据需求列出系统的功能模块和对应的界面。系统应包含的功能模块有登录功能、数据显示功能和设备控制功能以及智能控制功能。
（2）仿真平台硬件系统搭建：根据确定的需求，在平台上搭建需要的硬件系统。硬件系统所包含的硬件及其连接关系如图3所示。
（3）界面设计：因为是功能型应用，所以界面设计偏简洁，功能尽量在主页中一目了然。如图2所示的界面都是采用嵌套的线性布局实现的，主页的数据显示区域是以图片为背景的编辑框搭配文本框呈现数据。需要呈现的数据包括空气湿度、空气温度、土壤深度、土壤温度、光照强度、CO2浓度;功能控制区域为动画和通过图像视图控件中单击事件切换填充图片方法实现的功能设置按钮，包括外通风、内通风、外遮阳、内遮阳、天窗、喷灌、水帘与智能控制;除主界面外还有登录连接界面，包含网关、串口输入文本框与连接按钮;智能控制输入界面包括继电器的绑定与设置范围值输入文本框以及确定设置按钮。
（4）功能实现：系统中所有功能的实现的流程都是重写控件的特定事件所对应的方法，重写的代码内调用底层准备好的API。如想获取传感器采集器的数据，需要在Farmeing Activity类也就是我们的主界面的Activity功能代码中定义get Data（）方法，该方法通过ZigBee API调用getCollector Data（）
方法获取数据，然后通过Handler更新主界面上的数据，ZigBee API就是平台为我们留好的遵循ZigBee通信协议的硬件内的调用接口，调取不同传感器数据就是调取不同传感器接口方法。如果想实现单个设备的控制要使用setRelay LoopState（）方法，方法的参数包括继电器序列号、继电器数据、通道数据，这些数据通过Intent传递到设备设置，如风扇状态设置方法setFanState（）中去完成设备的控制，每个设备都有自己的设置方法，在这些方法中调用硬件平台中的设置接口。
4 结 论
经过对教学平台的研究发现，虚拟教学平台的引入解决了物联网专业教学中的很多问题，平台整合了所有物联网的关键技术，并提供了全面的，可供开发者灵活使用的前端设备和通信协议。平台使用者无论师生都可以在基于平台的应用开发过程中生动又全面的掌握典型的物联网应用系统从需求到功能实现所需的全部技术与知识，以此平台为依托可以开展全方位、多形式的物联网教学与开发。
参考文献：
[1] 秦磊华，石柯，甘早斌.基于CDIO的物联网工程专业实践教学体系 [J].高等工程教育研究，2013（5）：168-172.
[2] 张军.面向5G时代的通信类课程教学改革 [J].教育教学论坛，2020（26）：355-356.
[3] 李艳，高艺航，张帅.基于CDIO的高职物联网工程专业层次化实践教学体系的创新研究 [J].计算机产品与流通，2020（4）：189+193.
作者简介：王爽（1984—），女，汉族，吉林长春人，教师，讲师，硕士，研究方向：物联网技术。
关键词：物联网;仿真平台;农业管理系统
中图分类号：TP391.44-4;TN929.5-4 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）22-0171-04
Research on Professional Training Platform of Internet of Things
——Take Agricultural Management System Based on WSN + Simulation Technology as an Example
WANG Shuang
（Changchun Polytechnic，Changchun 130033，China）
Abstract：Combined with the content of IoT professional curriculum system and the core competence of professional target position，the IoT professional training platform is studied hierarchically and the key technologies and contents are summarized. The key technologies such as hierarchical structure，front-end equipment，communication protocol，application interface and method，terminal application in the training platform are obtained，and the platform equipment is used as the perception layer of agricultural management system. On this basis，according to the process of demand analysis，hardware design，interface design and function realization，a mobile terminal agricultural management system with data acquisition，transmission，display and remote terminal peripheral control functions is developed.
Keywords：internet of things;simulation platform;agricultural management system
0 引 言
5G時代的三大类应用场景分别是：增强型的移动互联网业务应用、海量连接的物联网应用、超高可靠性与超低时延业务的应用。后两种场景的应用随着5G技术的兴起和逐步成熟并覆盖到了生活、生产的方方面面。可以说5G技术与物联网技术是相辅相成并迅速发展的，这种发展也使得物联网综合性人才的需求呈现爆发式增长。但是，物联网是一个复杂的大系统，涵盖了多领域的技术与知识，高等职业教育怎样在有限的人才培养时间和学时中培养出符合职业岗位需求的创新复合型人才是现在急需解决的问题。知识复杂需要整合，岗位实践性高需要培养核心技术技能，针对这两个物联网专业人才培养中最主要的问题，对物联网专业的核心实践课程教学平台进行研究，以期依托平台能够对学生进行综合职业技能培养与全面知识体系的建立。
1 平台前端设备的应用
物联网前端设备涵盖广泛，前段设备是物联网应用系统的“五觉”，是物联网应用系统的硬件基础与数据来源。前端设备笼统地说主要包含两部分：传感器与RFID设备。平台中涵盖包括电源;各协议系统中的不同频段RFID设备，如低频125 kHz设备、高频段ISO 1443和ISO 15693设备、超高频读写器设备、有源2.4 GHz设备等;遵循不同无线通信协议的WSN设备;条形码和二维码模拟设备;能够通过继电器控制的可开关设备，如风扇、遮阳板、水帘、浇灌、蜂鸣器、电磁锁等;最后用于传感网与外部网络通信以及管理的网关设备。平台中的设备具有与真实设备一致的属性与接口，并且已经打包好可供调用的接口函数。以农业管理系统为例，基于以上设备可以搭建的感知层层次结构为：该系统的前端设备包括监测影响农作物生长各要素所需的传感器和可控设备，比如空气温湿度模拟器和与之配合的传感器、土壤温湿度模拟器和与之配合使用的传感器、光照模拟器和与之配合使用的传感器、二氧化碳浓度模拟器和传感器，天窗、喷灌、水帘、遮阳板、内外通风都通过继电器控制，和真实应用场景中一样，最终通过协调器和网关将数据传出并将终端命令输入。
2 平台遵循的通信协议
物联网的网络层包含感知层中前端设备所组成的各种有线和无线通信网、私有网、互联网、网络管理系统和云计算平台等组成，负责传递和处理感知层获取的信息。教学平台中所涉及的重点是前端设备按照不同的通信协议所组成的无线通信网以及网关和云平台之间的通信。 能够在平台中模拟的无线通信前端设备主要包括温湿度、烟雾、光照、人体感应、PM2.5、震动传感器等，这些根据不同的通信协议加载的通信模块包括NB-loT、LoRa、Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等。其中因为ZigBee通信协议的优势，搭载此通信协议的传感器还包括很多专用传感器，如气压、位移、角度、扭矩、拉力、压力、热偶、激光测距、火焰、超声液位、液化石油气、声音、光敏傳感器等专用型传感器和工业物联网中的传感器。这些传感器搭配专用的环境模拟器实现仿真设备对于环境的数据采集功能与外围设备的控制。在由传感器组成的无线通信网络中核心是网关，网关与协调器通过模拟串口相连接，协调器再与传感器按照特定的通信协议组成通信网，传感器配合环境模拟器进行数据采集，或者和继电器搭配进行外围设备的控制，如窗帘的开关和灯泡的开关。
遵循NB-loT通信协议的传感器设备可以通过外部网络将所采集到的数据上传到云平台，通过云平台与移动终端的连接达到对继电器所控制设备以及其他联网可控设备进行开关或调节的目的。在云平台中针对不同的传感器创建不同类型的产品和设备，保存云平台创建的设备关键字，然后在仿真平台中将关键字输入传感器设备中进行云平台到仿真平台的连接，云平台进而和应用层中与用户交互的应用相连接。
3 基于平台硬件的移动终端应用的开发
应用层的作用是物联网与用户的接口，用户可以是使用应用的人也可以是更上一层的控制系统。应用层程序遵循行业需求开发，实现物联网整体的智能应用。若没有应用层这个接口的存在，物联网没有办法发挥作用。平台应用层的开发包括上位机的开发和移动终端的开发。
基于平台的上位机开发主要应用的语言是C#，因为语言的通用性与灵活性所以基于感知层和网络层的应用有很多，比如基于WinForm控件的基础开发，基于RFID技术的低频、高频、超高频、有源2.4 GHz等的专项练习开发和基于这些模拟设备的智慧商城、校园一卡通、门禁系统、停车场系统等实际小型应用的拆解模拟式开发。移动终端应用开发同样可以使用这些模拟外设来实现，只是需要加载不同类别的接口函数。可以使用Java语言完成对模拟设备的控制，如打开串口、标签读取、数据写入、数据读取等，也可以对无线传感网进行连接网关、采集传感器数据、控制继电器等。在此基础上使用Android语言可以进行综合应用的开发，如智能家居网关与设备的添加与控制、场景的设置等。通过综合开发让学生了解物联网各个层级的知识，形成完整的知识体系。平台整体层次与关系如图1所示。
图1是仿真平台中的另一个综合应用——“智能家居仿真模拟管理系统”的抽象结构图。仿真教学平台中移动终端与传感器、继电器的通信与控制有一个关键前提就是需要将感知层中每个传感器抽象成为类，每个类按照属性抽象出对应控制行为的方法，这样才能通过应用层程序实现对感知层前端设备的控制。比如简单的低频125 kHz门禁系统中想要实现对标签的读取，首先要建立标签类，然后为标签添加连接与断开连接方法、读写数据块方法等，之后再建立连接端口，读写数据界面时才能调用这个方法完成对标签的各种操作。
基于以上研究结果，为解决物联网专业实际教学中所遇到的问题，作者所在的“移动终端开发”课程组在模拟仿真平台企业技术人员的帮助下，以平台的虚拟仿真硬件为前端设备，以设备中的接口方法为数据采集和命令传递点，自主开发了运行在移动终端的农业管理系统应用程序，该系统具备通过网关与模拟端口和硬件平台进行通信，从而具备手动控制调节内外遮阳板设备、通风和灌溉设备，采集土壤的温湿度、二氧化碳浓度的功能。课程组教师结合真实农业种植需求与平台的硬件设备功能完成包括设计界面、硬件设备搭建、接口方法重写等工作，并将开发后的应用作为综合实践项目应用于教学中。农业管理系统移动终端应用的运行效果如图2所示。
农业管理系统移动终端应用的开发流程为：
（1）需求分析：通过专业教师对城镇周边的实地考察，总结出现代农业种植大棚需要关注和测量的数据及普遍采用的控制设备，列出系统需求，包括能够测量大棚内空气的温湿度、土壤温湿度等;能够实现大棚内外设备的控制功能如开关通风系统和遮阳系统等。根据需求列出系统的功能模块和对应的界面。系统应包含的功能模块有登录功能、数据显示功能和设备控制功能以及智能控制功能。
（2）仿真平台硬件系统搭建：根据确定的需求，在平台上搭建需要的硬件系统。硬件系统所包含的硬件及其连接关系如图3所示。
（3）界面设计：因为是功能型应用，所以界面设计偏简洁，功能尽量在主页中一目了然。如图2所示的界面都是采用嵌套的线性布局实现的，主页的数据显示区域是以图片为背景的编辑框搭配文本框呈现数据。需要呈现的数据包括空气湿度、空气温度、土壤深度、土壤温度、光照强度、CO2浓度;功能控制区域为动画和通过图像视图控件中单击事件切换填充图片方法实现的功能设置按钮，包括外通风、内通风、外遮阳、内遮阳、天窗、喷灌、水帘与智能控制;除主界面外还有登录连接界面，包含网关、串口输入文本框与连接按钮;智能控制输入界面包括继电器的绑定与设置范围值输入文本框以及确定设置按钮。
（4）功能实现：系统中所有功能的实现的流程都是重写控件的特定事件所对应的方法，重写的代码内调用底层准备好的API。如想获取传感器采集器的数据，需要在Farmeing Activity类也就是我们的主界面的Activity功能代码中定义get Data（）方法，该方法通过ZigBee API调用getCollector Data（）
方法获取数据，然后通过Handler更新主界面上的数据，ZigBee API就是平台为我们留好的遵循ZigBee通信协议的硬件内的调用接口，调取不同传感器数据就是调取不同传感器接口方法。如果想实现单个设备的控制要使用setRelay LoopState（）方法，方法的参数包括继电器序列号、继电器数据、通道数据，这些数据通过Intent传递到设备设置，如风扇状态设置方法setFanState（）中去完成设备的控制，每个设备都有自己的设置方法，在这些方法中调用硬件平台中的设置接口。
4 结 论
经过对教学平台的研究发现，虚拟教学平台的引入解决了物联网专业教学中的很多问题，平台整合了所有物联网的关键技术，并提供了全面的，可供开发者灵活使用的前端设备和通信协议。平台使用者无论师生都可以在基于平台的应用开发过程中生动又全面的掌握典型的物联网应用系统从需求到功能实现所需的全部技术与知识，以此平台为依托可以开展全方位、多形式的物联网教学与开发。
参考文献：
[1] 秦磊华，石柯，甘早斌.基于CDIO的物联网工程专业实践教学体系 [J].高等工程教育研究，2013（5）：168-172.
[2] 张军.面向5G时代的通信类课程教学改革 [J].教育教学论坛，2020（26）：355-356.
[3] 李艳，高艺航，张帅.基于CDIO的高职物联网工程专业层次化实践教学体系的创新研究 [J].计算机产品与流通，2020（4）：189+193.
作者简介：王爽（1984—），女，汉族，吉林长春人，教师，讲师，硕士，研究方向：物联网技术。