仿真技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)實踐教學(xué)中的應(yīng)用研究

引 言

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)本身具有鮮明的應(yīng)用性特點，以培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力為核心。因此，物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)中起到至關(guān)重要的作用。然而，由于物聯(lián)網(wǎng)尚處在發(fā)展的初級階段，高校的實踐教學(xué)也因此碰到了瓶頸。真實的實驗設(shè)備價格昂貴，實驗條件不成熟等諸多特點直接導(dǎo)致了實驗教學(xué)的窘境。針對難以在真實環(huán)境中進行物聯(lián)網(wǎng)實驗的情況，仿真技術(shù)對于物聯(lián)網(wǎng)實踐教學(xué)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(wǎng)實踐教學(xué)的仿真技術(shù)探討與應(yīng)用研究。

1 物聯(lián)網(wǎng)實踐教學(xué)中的仿真技術(shù)分析

物聯(lián)網(wǎng)是物物相連的網(wǎng)絡(luò)，物品和物品、物品和人之間能夠交互信息，其本質(zhì)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(wǎng)的最終目的歸結(jié)于應(yīng)用，與其說物聯(lián)網(wǎng)是網(wǎng)絡(luò)，不如說物聯(lián)網(wǎng)就是應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出一些新的特點，具體體現(xiàn)在，傳感器數(shù)量規(guī)?？赡芫薮?，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(wǎng)研究的難題之一。因此，在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程的教學(xué)中，實驗課程的開設(shè)是人才培養(yǎng)最重要的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)之一。

現(xiàn)階段，高校的物聯(lián)網(wǎng)實踐教學(xué)都還處于探索階段，在信息采集系統(tǒng)設(shè)計、通信協(xié)議設(shè)計及物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)本身也面臨著一系列的挑戰(zhàn)，由于外部環(huán)境參數(shù)設(shè)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(wǎng)，彌補了在真實環(huán)境中進行物聯(lián)網(wǎng)實踐教學(xué)的缺陷，有利于學(xué)生思維的開拓和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

在眾多的網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)相關(guān)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)仿真過程中，經(jīng)常要進行跨層的協(xié)議設(shè)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(shè)置、腳本動態(tài)生成，就能通過NS2的模擬得到描述結(jié)果、動態(tài)運行演示圖及性能分析圖表。讓物聯(lián)網(wǎng)的實踐教學(xué)變得形象化和可視化，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也迫使學(xué)生在仿真平臺上獲取數(shù)據(jù)，分析網(wǎng)絡(luò)性能。

2 物聯(lián)網(wǎng)實踐教學(xué)模塊的設(shè)計及實現(xiàn)

基于對物聯(lián)網(wǎng)及NS2 仿真技術(shù)的分析[8]，本文設(shè)計出對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行仿真分析的系統(tǒng)平臺。該平臺能在物聯(lián)網(wǎng)實踐教學(xué)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)相關(guān)課程的實踐教學(xué)中，NS2 仿真腳本編寫對于初學(xué)者來說往往是很繁瑣的。學(xué)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(wǎng)絡(luò)仿真節(jié)點布局及拓撲圖。因此，在物聯(lián)網(wǎng)實踐教學(xué)中，有必要將無線傳感器等網(wǎng)絡(luò)拓撲的搭建、協(xié)議的添加等進行可視化處理，并在此基礎(chǔ)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(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及特點。

生成腳本后，在 NS2 仿真界面通過輸入ns *.tcl 進行網(wǎng)絡(luò)模擬，得到仿真結(jié)果Trace 文件，接下來的關(guān)鍵就是對模擬結(jié)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(wǎng)絡(luò)在不同條件下的特性，獲取無線傳感網(wǎng)研究所需的豐富且有效的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)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(diào)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(wǎng)的關(guān)鍵性能 ：延時、丟包、吞吐量和能耗等進行分析，這些關(guān)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(xué)習(xí)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(xué)案例設(shè)計

在實踐教學(xué)中， 假定我們需要模擬區(qū)域為 500 m× 500 m， 采取 random 方式設(shè)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(wǎng)絡(luò)場景下，各種網(wǎng)絡(luò)性能的表現(xiàn)情況以及了解網(wǎng)絡(luò)運行的動態(tài)過程。

在實踐教學(xué)過程中， 我們只需要實驗室具備計算機以及相應(yīng)的軟件環(huán)境即可， 學(xué)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(wǎng)絡(luò)并不完全支持，因此，我們只需要完成對面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真模塊的添加，使得仿真環(huán)境滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真的要求即可。

在實驗場景設(shè)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(wǎng)絡(luò)實驗拓撲的創(chuàng)建、相關(guān)參數(shù)的設(shè)計以及運動軌跡的設(shè)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(wǎng)絡(luò)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(jié)果，再將整個網(wǎng)絡(luò)的運行動態(tài)通過動畫演示出來，就能增強學(xué)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(fù)雜網(wǎng)絡(luò)運行的動態(tài)過程，從而促使學(xué)生對各種網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和研究，這樣， 就達到了物聯(lián)網(wǎng)實踐教學(xué)的目的，彌補了無法在真實環(huán)境中進行實驗的遺憾。

4 結(jié) 語

本文探討了仿真技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)課程實踐教學(xué)中的應(yīng)用，指出了模擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境仿真是物聯(lián)網(wǎng)實踐教學(xué)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(xué)生對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的研究和認知，是當前物聯(lián)網(wǎng)實踐教學(xué)中重要的方法和模式之一。這種模式有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的鍛煉， 同時也促進了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才實踐能力的培養(yǎng)。