實驗簡介

??智慧消防系統基于傳統消防技術，融合了傳感器、通信、大數據、人工智能等技術，成為火災隱患治理最有效的解決手段。基于物聯網的智慧消防系統結構復雜、系統龐大、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“智慧城市專業建設探索與實踐”和天津市教改課題“智慧消防物聯網虛擬仿真實驗”，結合物聯網教學實踐，研發了以智慧消防為應用場景的虛擬仿真實驗。體現了最新的研究成果，在虛擬環境下，探索智慧消防物聯網的整體架構和最新技術，培養學生解決復雜工程問題的創新能力和“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于強化實踐育人工作的重要指示精神，針對物聯網多學科融合、面向系統級工程應用的特點，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，學習物聯網的關鍵技術和整體架構，培養學生運用物聯網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，激發學生的創造性。
??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:對于專業學習者，可以采用虛實結合的方式，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，使他們了解物聯網的前沿科技﹔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，對實驗內容進行了篩選、優化和凝練，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，為他們在這個領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容包括:

??(1)了解物聯網工程項目開發一般流程， 從應用需求分析，到整體方案設計、功能設計、系統集成、系統測試、系統部署等一系列環節。深刻理解物聯網技術“以數據為基礎，以服務為中心”，與應用場景之間的關系。
??(2)熟悉物聯網的基本組成,理解感知層、傳輸層、應用層的功能。建立起整個物聯網系統設計的概念。
??(3)理解物聯網感知層的含義。了解多種無線傳感器的工作原理、傳感器節點的組成與功能，掌握無線傳感器控制與調試方式;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點。
??(4)理解物聯網傳輸層的含義。了解和掌握物聯網網絡路由協議及物聯網數據交換技術，包括物聯網數據鏈路層互聯技術、物聯網的網絡管理技術等等;掌握物聯網傳輸層的仿真設計技術;掌握NB-IoT、 Lora、Zigbee等 多種無線網絡通信技術以及典型應用;針對不同應用場景和組網需求，設置虛擬中繼路由和云服務器,構建智慧消防物聯網系統。通過多類型無線傳感節點的自由部署，仿真多種組網方式。
??(5)理解物聯網應用層的含義。通過智慧消防虛擬仿真項目，了 解物聯網工程應用的特點，學習物聯網應用的設計方法。
??(6)基于虛擬仿真平臺進行虛擬消防演練，學習消防常識。

??綜合以上物聯網原理與技術，掌握智慧消防這一典型物聯網應用 ,通過實踐加深對物聯網理論和實踐的理解。

實驗原理

??(1）實驗原理:

??物聯網體系結構分為三層，即感知層、網絡層和應用層,如圖1所示。感知層主要完成信息的采集、轉換和收集，網絡層主要完成信息傳遞和處理，應用層主要完成數據的管理和數據的處理，并將這些數據與行業應用相結合。
??1)感知層感知層猶如人的感知器官，物聯網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兩個子層。感知層的主要組成部件有傳感器和傳感器網關。智慧消防系統自動采集消防系統中各類數據信息，實現智慧消防物聯網節點中的溫度、濕度、煙感等各項數據的獲取及上傳。傳感節點的結構設計主要包括:處理器、傳感器、通信模塊、電源供電等單元。
??2)網絡層感知層獲取信息后，依靠網絡層進行傳輸。目前網絡層的主題是互聯網、網絡管理系統和計算平臺，也包括各種異構網絡、私有網絡。網絡層主要包括NB-IoT、Lora、Zigbee等多種網絡通信與組網技術。
??3）應用層應用層是物聯網和用戶的接口，能夠針對不同用戶、不同行業的應用，提供相應的管理平臺和運行平臺并與不同行業的專業知識和業務模型相結合，實現更加準確和精細的智能化信息管理。應用層應包括數據智能處理子層、應用支撐子層，以及各種具體物聯網應用。應用層作為物聯網技術與消防專業技術的深度融合，結合行業需求實現消防的智能化，消防物聯網應用層利用分析處理后的感法D政數據，為用戶提供豐富的特定服務。通過實驗，使學生了解物聯網的典型應用。
??本實驗從物聯網的感知層、傳輸層和應用層這三層分別進行仿真，主要內容包括物聯網的基本概念，物聯網的體系結構，物聯網的關鍵技術，其中涉及傳感器技術、無線傳感器網絡、無線通信技術、數據庫技術等，以及物聯網的智能應用。本實驗要求學生在了解物聯網技術起源和發展的基礎上，掌握物聯網的概念、整體架構、關鍵技術，了解其廣泛的應用。
??知識點:共12個1.物聯網體系結構2.智慧消防物聯網體系結構3.智慧消防物聯網無線傳感節點的虛擬設計4.傳感器的原理5.智慧消防物聯網涉及的傳感器6.處理器的知識7.通訊模塊的原理8.物聯網傳輸通信協議9．智慧消防傳感節點部署原理10.物聯網網絡層設計原理11.發生火災時逃生策略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網建設的三層網絡結構，即感知層、傳輸層和應用層。
??感知層通過模擬感知識別技術自動采集各類數據信息，讓學生在虛擬環境中，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點，仿真了智慧消防物聯網節點中的溫度、濕度、煙感等各項數據的獲取及上傳。
??傳輸層針對不同應用場景和組網需求，設置虛擬中繼路由和云服務器，構建智慧消防物聯網系統。通過多類型無線傳感節點的自由部署，仿真多種組網方式，如NB-loT、Lora、Zigbee等。

??應用層模擬了智慧消防這一物聯網的典型應用，包括虛擬電氣火災應急處理實驗和虛擬引導逃生實驗，模擬了火災發生、火情感知、數據傳輸、云服務器信息發布、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，結合我國目前物聯網與智慧消防的發展情況，向學生介紹項目背景，激發學生學習興趣，引導學生立足社會需要,解決現實問題。引導并要求學生在了解項目背景的基礎，上，組織學生進行現場調研,并分析現場消防系統的關鍵點與不足，提出目前消防領域遇到的問題，鼓勵學生探索基于物聯網的智慧化的解決方案;提出項目可能采用的物聯網技術的難點，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,教師講解物聯網與智慧消防相關的基礎知識，幫助學生建立物聯網系統應用架構知識體系，將綜合性任務進行任務分解，介紹本實驗的重點與難點。學生們在進行專業學習時，可配合硬件進行線下實驗，虛實結合，提高知識的廣度與深度。
??第三階段:課后交流。基于“小班研討”，采用項目匯報的形式，鼓勵學生積極思考、交流共享、互相質疑，通過學生之間的共同學習、分享經驗達到對實驗結果的深入理解,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，及時發現學生的學習需求,進行教學內容與教學方法的動態調整,師生“相互激發、相互促進”。同時為學有余力的同學進行項目的延伸,結合虛擬仿真實驗，利用硬件實驗設備，進行“虛實結合”的實驗，比如學習智慧消防電氣火災監控系統,聯網型獨立式煙感監控系統的設計與應用等。
??(2)實驗方法.
??本實驗采用的是任務驅動式和自主探索式實驗教學法，體現了以學生為主體的實驗教學理念。
??1)任務驅動式實驗教學法本實驗根據物聯網三層結構，自然地分成了不同結構下的虛擬仿真任務。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性，有助于學生將理論知識與實驗內容相結合，所掌握技能與具體應用情境相聯系,有利于激發學生的學習興趣和實踐熱情,能夠有效培養學生自主設計、創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”前期進行現場調研，發現問題、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、互相質疑，通過學生之間的共同學習、分享經驗達到對智慧消防物聯網技術的深入理解。在這個過程中，學生自覺地去探索基于智慧消防的物聯網系統三層結構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。