引 言

物聯(lián)網工程專業(yè)本身具有鮮明的應用性特點，以培養(yǎng)學生工程實踐能力為核心。因此，物聯(lián)網實驗教學在物聯(lián)網工程專業(yè)學生培養(yǎng)中起到至關重要的作用。然而，由于物聯(lián)網尚處在發(fā)展的初級階段，高校的實踐教學也因此碰到了瓶頸。真實的實驗設備價格昂貴，實驗條件不成熟等諸多特點直接導致了實驗教學的窘境。針對難以在真實環(huán)境中進行物聯(lián)網實驗的情況，仿真技術對于物聯(lián)網實踐教學來說變得越來越重要。本文正是在這種背景下開展物聯(lián)網實踐教學的仿真技術探討與應用研究。

1 物聯(lián)網實踐教學中的仿真技術分析

物聯(lián)網是物物相連的網絡，物品和物品、物品和人之間能夠交互信息，其本質是通過傳感器、射頻識別等利用新的方式連接起來。物聯(lián)網的最終目的歸結于應用，與其說物聯(lián)網是網絡，不如說物聯(lián)網就是應用。物聯(lián)網應用中的無線傳感器網絡呈現(xiàn)出一些新的特點，具體體現(xiàn)在，傳感器數(shù)量規(guī)模可能巨大，所部署的環(huán)境可能是森林、沙漠及水底等不同環(huán)境中， 傳感器節(jié)點也可能由溫度、濕度等不同類型的傳感器組成 ；大量的傳感器節(jié)點所感知的數(shù)據(jù)信息有一定的相似性，數(shù)據(jù)融合成為物聯(lián)網研究的難題之一。因此，在物聯(lián)網專業(yè)課程的教學中，實驗課程的開設是人才培養(yǎng)最重要的基礎環(huán)節(jié)之一。

現(xiàn)階段，高校的物聯(lián)網實踐教學都還處于探索階段，在信息采集系統(tǒng)設計、通信協(xié)議設計及物聯(lián)網相關技術本身也面臨著一系列的挑戰(zhàn)，由于外部環(huán)境參數(shù)設置和各種條件的不滿足，部署大型的實驗平臺價格昂貴且異常困難。因此，搭建仿真平臺，研究者可以在可控環(huán)境中研究物聯(lián)網，彌補了在真實環(huán)境中進行物聯(lián)網實踐教學的缺陷，有利于學生思維的開拓和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

在眾多的網絡模擬仿真軟件中，NS2由于其源碼開放的特點，完全支持物聯(lián)網相關算法和協(xié)議的仿真，包括對傳感器和電池模型，甚至混合仿真支持等。無線傳感器網絡中傳感器節(jié)點數(shù)目可能很大，節(jié)點更容易失效，拓撲變化異常頻繁， 且在 NS2無線傳感器網絡仿真過程中，經常要進行跨層的協(xié)議設計和修改。這些協(xié)議添加本身很容易在 NS2中實現(xiàn)，通過協(xié)議的添加，模擬場景的設置、腳本動態(tài)生成，就能通過NS2的模擬得到描述結果、動態(tài)運行演示圖及性能分析圖表。讓物聯(lián)網的實踐教學變得形象化和可視化，增強學生的學習興趣，也迫使學生在仿真平臺上獲取數(shù)據(jù)，分析網絡性能。

2 物聯(lián)網實踐教學模塊的設計及實現(xiàn)

基于對物聯(lián)網及NS2 仿真技術的分析[8]，本文設計出對無線傳感器網絡進行仿真分析的系統(tǒng)平臺。該平臺能在物聯(lián)網實踐教學過程中進行模擬過程的可視化，包括 ：自動生成無線傳感器網絡TCL 腳本可視化配置模塊 ；運行腳本文件、觀看動畫可視化模塊 ；Awk 數(shù)據(jù)分析和可視化模塊 ；Gnuplot 繪圖可視化模塊等。

在物聯(lián)網相關課程的實踐教學中，NS2 仿真腳本編寫對于初學者來說往往是很繁瑣的。學生即使能編寫一大堆的腳本程序，也無法把握整個無線傳感器網絡仿真節(jié)點布局及拓撲圖。因此，在物聯(lián)網實踐教學中，有必要將無線傳感器等網絡拓撲的搭建、協(xié)議的添加等進行可視化處理，并在此基礎上生成腳本。這樣既避免了繁瑣的腳本編寫，又能從全局上把握網絡的結構及特點。

生成腳本后，在 NS2 仿真界面通過輸入ns *.tcl 進行網絡模擬，得到仿真結果Trace 文件，接下來的關鍵就是對模擬結果進行可視化分析。通過分析這些數(shù)據(jù)，能夠使研究者用較少的時間和費用，了解網絡在不同條件下的特性，獲取無線傳感網研究所需的豐富且有效的數(shù)據(jù)。網絡性能分析包含動態(tài)顯示模塊及靜態(tài)分析模塊。動態(tài)顯示模塊調用NAM 工具實現(xiàn)，將模擬過程進行動畫演示，讓研究者能夠清晰看到分組如何從發(fā)送端到達接收端 ；靜態(tài)分析模塊則對無線傳感網的關鍵性能 ：延時、丟包、吞吐量和能耗等進行分析，這些關鍵性能的分析是通過 gawk 語言處理的，最后通過Xgraph 或 gnuplot 繪制圖形，將感興趣的數(shù)據(jù)直觀反映出來，為學習和研究提供便利，NS2 仿真過程的整個過程如圖 1 所示。

3 教學案例設計

在實踐教學中， 假定我們需要模擬區(qū)域為 500 m× 500 m， 采取 random 方式設置擁有 100 個傳感器節(jié)點的wireless scenario，仿真一個典型的多跳自組織無線環(huán)境。對于該實驗場景，我們無法真實的去部署傳感器，但我們又很有必要去研究當前網絡場景下，各種網絡性能的表現(xiàn)情況以及了解網絡運行的動態(tài)過程。

在實踐教學過程中， 我們只需要實驗室具備計算機以及相應的軟件環(huán)境即可， 學生在宿舍個人計算機上同樣也可以完成實驗。本實驗假定在 win7 32 位系統(tǒng)下安裝了cygwin+NS2.35 環(huán)境及Java 運行環(huán)境。由于NS2.35 對無線傳感器網絡并不完全支持，因此，我們只需要完成對面向物聯(lián)網的無線傳感器網絡仿真模塊的添加，使得仿真環(huán)境滿足無線傳感器網絡仿真的要求即可。

在實驗場景設置方面，可以避開繁瑣的腳本編寫，采用開源工具NSG2（NS2 Scenarios Generator 2），通過如圖 2 所示的圖形界面操作進行無線傳感器網絡實驗拓撲的創(chuàng)建、相關參數(shù)的設計以及運動軌跡的設計，然后自動生成仿真如圖 3 所示的腳本語言。

腳本生成后，我們在 NS2.35 環(huán)境下進行網絡的模擬和仿真，就可得到如圖 4 所示的仿真trace 數(shù)據(jù)文件 out.tr 和用于動態(tài)顯示的out.nam 仿真結果，再將整個網絡的運行動態(tài)通過動畫演示出來，就能增強學生研究該類問題的信心和積極性，也能夠從運行動畫中把握復雜網絡運行的動態(tài)過程，從而促使學生對各種網絡性能的進一步分析和研究。對于枯燥的仿真數(shù)據(jù)而言，用戶還可以通過 gnuplot 等工具進行圖形繪制，使得各種網絡性能參數(shù)直觀地呈現(xiàn)在研究者面前，有助于師生對面向物聯(lián)網的無線傳感器網絡的學習和研究，這樣， 就達到了物聯(lián)網實踐教學的目的，彌補了無法在真實環(huán)境中進行實驗的遺憾。

4 結 語

本文探討了仿真技術在物聯(lián)網工程專業(yè)課程實踐教學中的應用，指出了模擬網絡環(huán)境仿真是物聯(lián)網實踐教學體系中重要的環(huán)節(jié)。模擬仿真不僅不受客觀條件的制約，又能促進學生對復雜網絡的研究和認知，是當前物聯(lián)網實踐教學中重要的方法和模式之一。這種模式有利于學生創(chuàng)新能力的鍛煉， 同時也促進了物聯(lián)網專業(yè)人才實踐能力的培養(yǎng)。