實驗簡介
??智慧消防系統(tǒng)基于傳統(tǒng)消防技術(shù)，融合了傳感器、通信、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，成為火災隱患治理最有效的解決手段。基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧消防系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、系統(tǒng)龐大、部署困難、成本高，且消防火災實驗具有高危險性。基于孫桂玲教授承擔的首批國家級新工科研究與實踐項目“智慧城市專業(yè)建設探索與實踐”和天津市教改課題“智慧消防物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗”，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)教學實踐，研發(fā)了以智慧消防為應用場景的虛擬仿真實驗。體現(xiàn)了最新的研究成果，在虛擬環(huán)境下，探索智慧消防物聯(lián)網(wǎng)的整體架構(gòu)和最新技術(shù)，培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的創(chuàng)新能力和“人民生命安全高于一切”的社會責任感。
??本實驗建設緊緊圍繞習近平總書記關(guān)于強化實踐育人工作的重要指示精神，針對物聯(lián)網(wǎng)多學科融合、面向系統(tǒng)級工程應用的特點，以社會需求為背景，以工程項目為導向，通過智慧消防工程項目，學習物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)和整體架構(gòu)，培養(yǎng)學生運用物聯(lián)網(wǎng)理論分析解決實際工程應用問題的能力，通過“大班授課、小班研討”的方式，讓學生進行自主學習與探索式學習，激發(fā)學生的創(chuàng)造性。
??本實驗具有一體多用的特點，能夠滿足多種學習者的學習需求:對于專業(yè)學習者，可以采用虛實結(jié)合的方式，增加學習深度與廣度﹔對于中小學生，可以面向他們進行科普教育，使他們了解物聯(lián)網(wǎng)的前沿科技﹔對于普通本科生，乃至社會人員，可以進行虛擬消防演練，學習消防常識，提高安全意識。
??本實驗在設計的過程中，始終針對本科教學的特點，對實驗內(nèi)容進行了篩選、優(yōu)化和凝練，特別適用于本科教學。本實驗對于知識點的覆蓋面廣，能夠提高本科學生的綜合能力和科研素養(yǎng)，為他們在這個領(lǐng)域的深造和實踐打下堅實的基礎。
實驗教學目標
??通過本實驗，學生應理解和掌握的內(nèi)容包括:
??(1)了解物聯(lián)網(wǎng)工程項目開發(fā)一般流程， 從應用需求分析，到整體方案設計、功能設計、系統(tǒng)集成、系統(tǒng)測試、系統(tǒng)部署等一系列環(huán)節(jié)。深刻理解物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)“以數(shù)據(jù)為基礎，以服務為中心”，與應用場景之間的關(guān)系。
??(2)熟悉物聯(lián)網(wǎng)的基本組成,理解感知層、傳輸層、應用層的功能。建立起整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計的概念。
??(3)理解物聯(lián)網(wǎng)感知層的含義。了解多種無線傳感器的工作原理、傳感器節(jié)點的組成與功能，掌握無線傳感器控制與調(diào)試方式;掌握溫濕度、煙感傳感器、有毒氣體傳感器等傳感器的原理及應用;能夠在虛擬環(huán)境中,利用傳感器、處理器、通信模組等多類型虛擬硬件，自主設計多種智能無線傳感節(jié)點。
??(4)理解物聯(lián)網(wǎng)傳輸層的含義。了解和掌握物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡路由協(xié)議及物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換技術(shù)，包括物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層互聯(lián)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡管理技術(shù)等等;掌握物聯(lián)網(wǎng)傳輸層的仿真設計技術(shù);掌握NB-IoT、 Lora、Zigbee等 多種無線網(wǎng)絡通信技術(shù)以及典型應用;針對不同應用場景和組網(wǎng)需求，設置虛擬中繼路由和云服務器,構(gòu)建智慧消防物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。通過多類型無線傳感節(jié)點的自由部署，仿真多種組網(wǎng)方式。
??(5)理解物聯(lián)網(wǎng)應用層的含義。通過智慧消防虛擬仿真項目，了 解物聯(lián)網(wǎng)工程應用的特點，學習物聯(lián)網(wǎng)應用的設計方法。
??(6)基于虛擬仿真平臺進行虛擬消防演練，學習消防常識。
??綜合以上物聯(lián)網(wǎng)原理與技術(shù)，掌握智慧消防這一典型物聯(lián)網(wǎng)應用 ,通過實踐加深對物聯(lián)網(wǎng)理論和實踐的理解。
實驗原理
??(1）實驗原理:
??物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)分為三層，即感知層、網(wǎng)絡層和應用層,如圖1所示。感知層主要完成信息的采集、轉(zhuǎn)換和收集，網(wǎng)絡層主要完成信息傳遞和處理，應用層主要完成數(shù)據(jù)的管理和數(shù)據(jù)的處理，并將這些數(shù)據(jù)與行業(yè)應用相結(jié)合。
??1)感知層感知層猶如人的感知器官，物聯(lián)網(wǎng)依靠感知層識別物體和采集信息。感知層包括信息采集和通信子網(wǎng)兩個子層。感知層的主要組成部件有傳感器和傳感器網(wǎng)關(guān)。智慧消防系統(tǒng)自動采集消防系統(tǒng)中各類數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)智慧消防物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點中的溫度、濕度、煙感等各項數(shù)據(jù)的獲取及上傳。傳感節(jié)點的結(jié)構(gòu)設計主要包括:處理器、傳感器、通信模塊、電源供電等單元。
??2)網(wǎng)絡層感知層獲取信息后，依靠網(wǎng)絡層進行傳輸。目前網(wǎng)絡層的主題是互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡管理系統(tǒng)和計算平臺，也包括各種異構(gòu)網(wǎng)絡、私有網(wǎng)絡。網(wǎng)絡層主要包括NB-IoT、Lora、Zigbee等多種網(wǎng)絡通信與組網(wǎng)技術(shù)。
??3）應用層應用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶的接口，能夠針對不同用戶、不同行業(yè)的應用，提供相應的管理平臺和運行平臺并與不同行業(yè)的專業(yè)知識和業(yè)務模型相結(jié)合，實現(xiàn)更加準確和精細的智能化信息管理。應用層應包括數(shù)據(jù)智能處理子層、應用支撐子層，以及各種具體物聯(lián)網(wǎng)應用。應用層作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與消防專業(yè)技術(shù)的深度融合，結(jié)合行業(yè)需求實現(xiàn)消防的智能化，消防物聯(lián)網(wǎng)應用層利用分析處理后的感法D政數(shù)據(jù)，為用戶提供豐富的特定服務。通過實驗，使學生了解物聯(lián)網(wǎng)的典型應用。
??本實驗從物聯(lián)網(wǎng)的感知層、傳輸層和應用層這三層分別進行仿真，主要內(nèi)容包括物聯(lián)網(wǎng)的基本概念，物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，其中涉及傳感器技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡、無線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等，以及物聯(lián)網(wǎng)的智能應用。本實驗要求學生在了解物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)起源和發(fā)展的基礎上，掌握物聯(lián)網(wǎng)的概念、整體架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)，了解其廣泛的應用。
??知識點:共12個1.物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)2.智慧消防物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)3.智慧消防物聯(lián)網(wǎng)無線傳感節(jié)點的虛擬設計4.傳感器的原理5.智慧消防物聯(lián)網(wǎng)涉及的傳感器6.處理器的知識7.通訊模塊的原理8.物聯(lián)網(wǎng)傳輸通信協(xié)議9．智慧消防傳感節(jié)點部署原理10.物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡層設計原理11.發(fā)生火災時逃生策略12.實際信息和虛擬平臺實時交互(2)核心要素仿真設計:
??本實驗采用智慧消防為應用場景，核心要素仿真遵循物聯(lián)網(wǎng)建設的三層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，即感知層、傳輸層和應用層。
??感知層通過模擬感知識別技術(shù)自動采集各類數(shù)據(jù)信息，讓學生在虛擬環(huán)境中，利用傳感器、處理器、通信模組等多類型虛擬硬件，自主設計多種智能無線傳感節(jié)點，仿真了智慧消防物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點中的溫度、濕度、煙感等各項數(shù)據(jù)的獲取及上傳。
??傳輸層針對不同應用場景和組網(wǎng)需求，設置虛擬中繼路由和云服務器，構(gòu)建智慧消防物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。通過多類型無線傳感節(jié)點的自由部署，仿真多種組網(wǎng)方式，如NB-loT、Lora、Zigbee等。
??應用層模擬了智慧消防這一物聯(lián)網(wǎng)的典型應用，包括虛擬電氣火災應急處理實驗和虛擬引導逃生實驗，模擬了火災發(fā)生、火情感知、數(shù)據(jù)傳輸、云服務器信息發(fā)布、語音和信息手機推送的互動式消防全過程。
實驗教學過程及實驗方法
??(1)實驗教學過程本實驗的實施過程包括三個階段:
??第一階段:課前導引。教師秉承南開大學“允公允能，日新月異”的百年校訓，結(jié)合我國目前物聯(lián)網(wǎng)與智慧消防的發(fā)展情況，向?qū)W生介紹項目背景，激發(fā)學生學習興趣，引導學生立足社會需要,解決現(xiàn)實問題。引導并要求學生在了解項目背景的基礎，上，組織學生進行現(xiàn)場調(diào)研,并分析現(xiàn)場消防系統(tǒng)的關(guān)鍵點與不足，提出目前消防領(lǐng)域遇到的問題，鼓勵學生探索基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧化的解決方案;提出項目可能采用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的難點，鼓勵學生進行深入的探索學習。同時讓學生分組進行內(nèi)部討論與組間交流，形成初步的學習思路。
??第二階段:虛擬實驗。主要采用課堂教學的形式,教師講解物聯(lián)網(wǎng)與智慧消防相關(guān)的基礎知識，幫助學生建立物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應用架構(gòu)知識體系，將綜合性任務進行任務分解，介紹本實驗的重點與難點。學生們在進行專業(yè)學習時，可配合硬件進行線下實驗，虛實結(jié)合，提高知識的廣度與深度。
??第三階段:課后交流?；凇靶“嘌杏憽保捎庙椖繀R報的形式，鼓勵學生積極思考、交流共享、互相質(zhì)疑，通過學生之間的共同學習、分享經(jīng)驗達到對實驗結(jié)果的深入理解,增強學生思維的批判性、敏捷性和深刻性。在實驗的基礎上,形成項目報告。采用“師生互評”的機制，及時發(fā)現(xiàn)學生的學習需求,進行教學內(nèi)容與教學方法的動態(tài)調(diào)整,師生“相互激發(fā)、相互促進”。同時為學有余力的同學進行項目的延伸,結(jié)合虛擬仿真實驗，利用硬件實驗設備，進行“虛實結(jié)合”的實驗，比如學習智慧消防電氣火災監(jiān)控系統(tǒng),聯(lián)網(wǎng)型獨立式煙感監(jiān)控系統(tǒng)的設計與應用等。
??(2)實驗方法.
??本實驗采用的是任務驅(qū)動式和自主探索式實驗教學法，體現(xiàn)了以學生為主體的實驗教學理念。
??1)任務驅(qū)動式實驗教學法本實驗根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)，自然地分成了不同結(jié)構(gòu)下的虛擬仿真任務。在實驗教學過程中，教師在講授過程中，明確每一-層的任務目標，將實驗教學內(nèi)容貫穿于各個任務當中，以學生有效完成任務、充分掌握任務所對應的知識點為考核標準，使實驗教學過程更具自主性和挑戰(zhàn)性，有助于學生將理論知識與實驗內(nèi)容相結(jié)合，所掌握技能與具體應用情境相聯(lián)系,有利于激發(fā)學生的學習興趣和實踐熱情,能夠有效培養(yǎng)學生自主設計、創(chuàng)新實踐的意識和能力。
??2)基于“小班研討”的自主探索式教學法自主探索式教學是指,學生在教師的指導下,在“大班授課”前期進行現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)問題、分析問題;在“大班授課”后期，通過“小班研討”的形式，引導學生針對自身興趣進行深入研究，利用智慧消防的知識，結(jié)合不同場景的實際情況，分析問題、解決問題;鼓勵學生積極思考、交流共享、互相質(zhì)疑，通過學生之間的共同學習、分享經(jīng)驗達到對智慧消防物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深入理解。在這個過程中，學生自覺地去探索基于智慧消防的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)的設計需求和設計方案，在探索中主動加深理解、開闊視野、積累知識，最終達到學生自主探索式學習的目的。