實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)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(zāi)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(fù)雜、系統(tǒng)龐大、部署困難、成本高，且消防火災(zāi)實(shí)驗(yàn)具有高危險(xiǎn)性?；趯O桂玲教授承擔(dān)的首批國(guó)家級(jí)新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目“智慧城市專業(yè)建設(shè)探索與實(shí)踐”和天津市教改課題“智慧消防物聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)實(shí)踐，研發(fā)了以智慧消防為應(yīng)用場(chǎng)景的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。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(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的創(chuàng)新能力和“人民生命安全高于一切”的社會(huì)責(zé)任感。
??本實(shí)驗(yàn)建設(shè)緊緊圍繞習(xí)近平總書(shū)記關(guān)于強(qiáng)化實(shí)踐育人工作的重要指示精神，針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)多學(xué)科融合、面向系統(tǒng)級(jí)工程應(yīng)用的特點(diǎn)，以社會(huì)需求為背景，以工程項(xiàng)目為導(dǎo)向，通過(guò)智慧消防工程項(xiàng)目，學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)和整體架構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)理論分析解決實(shí)際工程應(yīng)用問(wèn)題的能力，通過(guò)“大班授課、小班研討”的方式，讓學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)與探索式學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性。
??本實(shí)驗(yàn)具有一體多用的特點(diǎn)，能夠滿足多種學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)需求:對(duì)于專業(yè)學(xué)習(xí)者，可以采用虛實(shí)結(jié)合的方式，增加學(xué)習(xí)深度與廣度﹔對(duì)于中小學(xué)生，可以面向他們進(jìn)行科普教育，使他們了解物聯(lián)網(wǎng)的前沿科技﹔對(duì)于普通本科生，乃至社會(huì)人員，可以進(jìn)行虛擬消防演練，學(xué)習(xí)消防常識(shí)，提高安全意識(shí)。
??本實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，始終針對(duì)本科教學(xué)的特點(diǎn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了篩選、優(yōu)化和凝練，特別適用于本科教學(xué)。本實(shí)驗(yàn)對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的覆蓋面廣，能夠提高本科學(xué)生的綜合能力和科研素養(yǎng)，為他們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域的深造和實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)
??通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，學(xué)生應(yīng)理解和掌握的內(nèi)容包括:
??(1)了解物聯(lián)網(wǎng)工程項(xiàng)目開(kāi)發(fā)一般流程， 從應(yīng)用需求分析，到整體方案設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成、系統(tǒng)測(cè)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(chǔ)，以服務(wù)為中心”，與應(yīng)用場(chǎng)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(yīng)用層的功能。建立起整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的概念。
??(3)理解物聯(lián)網(wǎng)感知層的含義。了解多種無(wú)線傳感器的工作原理、傳感器節(jié)點(diǎn)的組成與功能，掌握無(wú)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(yīng)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(lèi)型虛擬硬件，自主設(shè)計(jì)多種智能無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)。
??(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(luò)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(luò)管理技術(shù)等等;掌握物聯(lián)網(wǎng)傳輸層的仿真設(shè)計(jì)技術(shù);掌握NB-IoT、 Lora、Zigbee等 多種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及典型應(yīng)用;針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景和組網(wǎng)需求，設(shè)置虛擬中繼路由和云服務(wù)器,構(gòu)建智慧消防物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。通過(guò)多類(lèi)型無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的自由部署，仿真多種組網(wǎng)方式。
??(5)理解物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的含義。通過(guò)智慧消防虛擬仿真項(xiàng)目，了 解物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用的特點(diǎn)，學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的設(shè)計(jì)方法。
??(6)基于虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行虛擬消防演練，學(xué)習(xí)消防常識(shí)。
??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(yīng)用 ,通過(guò)實(shí)踐加深對(duì)物聯(lián)網(wǎng)理論和實(shí)踐的理解。
實(shí)驗(yàn)原理
??(1）實(shí)驗(yàn)原理:
??物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)分為三層，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)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(luò)層主要完成信息傳遞和處理，應(yīng)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(yīng)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(shí)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(gè)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(dòng)采集消防系統(tǒng)中各類(lèi)數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)智慧消防物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中的溫度、濕度、煙感等各項(xiàng)數(shù)據(jù)的獲取及上傳。傳感節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(luò)層感知層獲取信息后，依靠網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行傳輸。目前網(wǎng)絡(luò)層的主題是互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和計(jì)算平臺(tái)，也包括各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、私有網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)層主要包括NB-IoT、Lora、Zigbee等多種網(wǎng)絡(luò)通信與組網(wǎng)技術(shù)。
??3）應(yīng)用層應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶的接口，能夠針對(duì)不同用戶、不同行業(yè)的應(yīng)用，提供相應(yīng)的管理平臺(tái)和運(yùn)行平臺(tái)并與不同行業(yè)的專業(yè)知識(shí)和業(yè)務(wù)模型相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確和精細(xì)的智能化信息管理。應(yīng)用層應(yīng)包括數(shù)據(jù)智能處理子層、應(yīng)用支撐子層，以及各種具體物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。應(yīng)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(shí)現(xiàn)消防的智能化，消防物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(wù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生了解物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用。
??本實(shí)驗(yàn)從物聯(lián)網(wǎng)的感知層、傳輸層和應(yīng)用層這三層分別進(jìn)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等，以及物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生在了解物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)起源和發(fā)展的基礎(chǔ)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(yīng)用。
??知識(shí)點(diǎn):共12個(gè)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(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的虛擬設(shè)計(jì)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(shí)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(diǎn)部署原理10.物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)原理11.發(fā)生火災(zāi)時(shí)逃生策略12.實(shí)際信息和虛擬平臺(tái)實(shí)時(shí)交互(2)核心要素仿真設(shè)計(jì):
??本實(shí)驗(yàn)采用智慧消防為應(yīng)用場(chǎng)景，核心要素仿真遵循物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即感知層、傳輸層和應(yīng)用層。
??感知層通過(guò)模擬感知識(shí)別技術(shù)自動(dòng)采集各類(lèi)數(shù)據(jù)信息，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中，利用傳感器、處理器、通信模組等多類(lèi)型虛擬硬件，自主設(shè)計(jì)多種智能無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)，仿真了智慧消防物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中的溫度、濕度、煙感等各項(xiàng)數(shù)據(jù)的獲取及上傳。
??傳輸層針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景和組網(wǎng)需求，設(shè)置虛擬中繼路由和云服務(wù)器，構(gòu)建智慧消防物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。通過(guò)多類(lèi)型無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的自由部署，仿真多種組網(wǎng)方式，如NB-loT、Lora、Zigbee等。
??應(yīng)用層模擬了智慧消防這一物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用，包括虛擬電氣火災(zāi)應(yīng)急處理實(shí)驗(yàn)和虛擬引導(dǎo)逃生實(shí)驗(yàn)，模擬了火災(zāi)發(fā)生、火情感知、數(shù)據(jù)傳輸、云服務(wù)器信息發(fā)布、語(yǔ)音和信息手機(jī)推送的互動(dòng)式消防全過(guò)程。
實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)方法
??(1)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程本實(shí)驗(yàn)的實(shí)施過(guò)程包括三個(gè)階段:
??第一階段:課前導(dǎo)引。教師秉承南開(kāi)大學(xué)“允公允能，日新月異”的百年校訓(xùn)，結(jié)合我國(guó)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(xiàng)目背景，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生立足社會(huì)需要,解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。引導(dǎo)并要求學(xué)生在了解項(xiàng)目背景的基礎(chǔ)，上，組織學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,并分析現(xiàn)場(chǎng)消防系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)與不足，提出目前消防領(lǐng)域遇到的問(wèn)題，鼓勵(lì)學(xué)生探索基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧化的解決方案;提出項(xiàng)目可能采用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的難點(diǎn)，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行深入的探索學(xué)習(xí)。同時(shí)讓學(xué)生分組進(jìn)行內(nèi)部討論與組間交流，形成初步的學(xué)習(xí)思路。
??第二階段:虛擬實(shí)驗(yàn)。主要采用課堂教學(xué)的形式,教師講解物聯(lián)網(wǎng)與智慧消防相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，幫助學(xué)生建立物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)知識(shí)體系，將綜合性任務(wù)進(jìn)行任務(wù)分解，介紹本實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。學(xué)生們?cè)谶M(jìn)行專業(yè)學(xué)習(xí)時(shí)，可配合硬件進(jìn)行線下實(shí)驗(yàn)，虛實(shí)結(jié)合，提高知識(shí)的廣度與深度。
??第三階段:課后交流?；凇靶“嘌杏憽?，采用項(xiàng)目匯報(bào)的形式，鼓勵(lì)學(xué)生積極思考、交流共享、互相質(zhì)疑，通過(guò)學(xué)生之間的共同學(xué)習(xí)、分享經(jīng)驗(yàn)達(dá)到對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的深入理解,增強(qiáng)學(xué)生思維的批判性、敏捷性和深刻性。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,形成項(xiàng)目報(bào)告。采用“師生互評(píng)”的機(jī)制，及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求,進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法的動(dòng)態(tài)調(diào)整,師生“相互激發(fā)、相互促進(jìn)”。同時(shí)為學(xué)有余力的同學(xué)進(jìn)行項(xiàng)目的延伸,結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，利用硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備，進(jìn)行“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)，比如學(xué)習(xí)智慧消防電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng),聯(lián)網(wǎng)型獨(dú)立式煙感監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用等。
??(2)實(shí)驗(yàn)方法.
??本實(shí)驗(yàn)采用的是任務(wù)驅(qū)動(dòng)式和自主探索式實(shí)驗(yàn)教學(xué)法，體現(xiàn)了以學(xué)生為主體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念。
??1)任務(wù)驅(qū)動(dòng)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)法本實(shí)驗(yàn)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(wù)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，教師在講授過(guò)程中，明確每一-層的任務(wù)目標(biāo)，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容貫穿于各個(gè)任務(wù)當(dāng)中，以學(xué)生有效完成任務(wù)、充分掌握任務(wù)所對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)為考核標(biāo)準(zhǔn)，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程更具自主性和挑戰(zhàn)性，有助于學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相結(jié)合，所掌握技能與具體應(yīng)用情境相聯(lián)系,有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐熱情,能夠有效培養(yǎng)學(xué)生自主設(shè)計(jì)、創(chuàng)新實(shí)踐的意識(shí)和能力。
??2)基于“小班研討”的自主探索式教學(xué)法自主探索式教學(xué)是指,學(xué)生在教師的指導(dǎo)下,在“大班授課”前期進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題;在“大班授課”后期，通過(guò)“小班研討”的形式，引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)自身興趣進(jìn)行深入研究，利用智慧消防的知識(shí)，結(jié)合不同場(chǎng)景的實(shí)際情況，分析問(wèn)題、解決問(wèn)題;鼓勵(lì)學(xué)生積極思考、交流共享、互相質(zhì)疑，通過(guò)學(xué)生之間的共同學(xué)習(xí)、分享經(jīng)驗(yàn)達(dá)到對(duì)智慧消防物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深入理解。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生自覺(jué)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(shè)計(jì)需求和設(shè)計(jì)方案，在探索中主動(dòng)加深理解、開(kāi)闊視野、積累知識(shí)，最終達(dá)到學(xué)生自主探索式學(xué)習(xí)的目的。