CN111599241B - 一种物联网教学虚拟仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种物联网教学虚拟仿真系统，包括物联网教学装置三维模型库；环境场景三维模型库；物联网教学装置数据库，关联物联网教学装置三维模型库；环境场景数据库，关联环境场景三维模型库；教学模块；数据维护模块，连接教学模块；实验教学场景搭设模块，连接教学模块；所述实验教学场景搭设模块包括场景调用模块、虚拟电路连接模块、虚拟控制器编程调试模块和数据输入模块：结果分析输出模块，连接实验教学场景搭设模块；文件管理模块，连接结果分析输出模块。本发明能够更换更多实验教学场景进行虚拟仿真教学，实践性强，解决现场教学演示不便，学生兴致不高，占用空间大，成本昂贵技术问题。

Description

一种物联网教学虚拟仿真系统

技术领域

本发明涉及物联网教学技术领域，更具体地，涉及一种物联网教学虚拟仿真系统。

背景技术

物联网是互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能行使独立功能的普通物体实现互联互通的网络。物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。物联网就是“物物相连的互联网”。物联网将现实世界数位化，应用范围十分广泛。在物联网上，每个人都可以应用电子标签将真实的物体上网联结，在物联网上都可以查出它们的具体位置。通过物联网可以用中心计算机对机器、设备、人员进行集中管理、控制，也可以对家庭设备、汽车进行遥控，以及搜索位置、防止物品被盗等。

目前，物联网技术蓬勃发展，需要大量相关领域的技术人才，为了培养能够系统地掌握物联 网的相关理论、方法和技能的技术人才，各大专院校相继开设了物联网及其相关专业。物联网络的教学涉及通信技术、网络技术、传感技术等领域。而现有的物联网教学较为枯燥，实验平台中通常定制有若干个数量固定的实验教学场景，这些实验教学场景通常是事先设定的实验教学场景，在安装无线装置和传感器进行模拟学习，而由于物联网的相关技术的发展非常迅速，所以需要更多实验教学场景，而现有的物联网实验教学系统却无法及时更新实验教学场景，所以，现有的物联网实验教学系统很难满足用户对多种实验教学环境的需求。目前物联培训教学的设备，如各种无线装置、传感器和用电器等，采用现场教学，演示不便，学生兴致不高，占用空间大，成本昂贵。

发明内容

本发明提出一种能够更换更多实验教学场景进行虚拟仿真教学，实践性强，解决现场教学演示不便，学生兴致不高，占用空间大，成本昂贵技术问题的物联网教学虚拟仿真系统。

为达到上述目的，提出一种物联网教学虚拟仿真系统，包括：

物联网教学装置三维模型库，用于存储若干种物联网教学装置的三维部件模型；

环境场景三维模型库，用于存储若干种教学环境的三维场景模型；

物联网教学装置数据库，关联物联网教学装置三维模型库；所述物联网教学装置数据库包括固定参数数据；

环境场景数据库，关联环境场景三维模型库；所述环境场景数据库包括内置的环境场景默认参数数据和运行参数数据；

教学模块，用于调用所需要的教学装置三维模型库的三维部件模型和所需要的环境场景三维模型库的三维场景模型；

数据维护模块，连接教学模块，用于维护物联网教学虚拟仿真系统的所有数据，对所有数据进行增加、删除、修改、查询操作。

实验教学场景搭设模块，连接教学模块；

所述实验教学场景搭设模块包括场景调用模块、虚拟电路连接模块、虚拟控制器编程调试模块和数据输入模块：

所述场景调用模块，用于从教学模块导入三维部件模型和三维场景模型，并按照需要将三维部件模型布置在三维场景模型上；

所述虚拟电路连接模块，用于提取场景调用模块的三维部件模型和三维场景模型关联的物联网教学装置数据库和环境场景数据库，自动生成电路图的元件，并能够基于上述电路图增加电路和控制器元件进行电路设计；

所述虚拟控制器编程调试模块，用于对所述虚拟电路连接模块控制器元件进行编程和调试，获得结果分析输出模块进行仿真测试的电路文件；

所述数据输入模块，用于调取或设定物联网教学装置数据库和环境场景数据库的数据；

结果分析输出模块，连接实验教学场景搭设模块，所述结果分析输出模块提供电路仿真测试算法，提供三维漫游显示自动生成算法，提供分析报告自动生成功能，提供预制物联网教学装置使用状态和教学场景多种状态变化的动画演示功能；

文件管理模块，连接结果分析输出模块，用于查看、归档结果分析输出模块的输出结果。

特别的，所述三维场景模型包括设有一种或多种空调、空气加湿器、电暖器、白炽灯的房间模型。

特别的，所述三维部件模型包括温度传感器、湿度传感器、亮度传感器、无线路由器、红外线遥控器。

特别的，所述物联网教学装置三维模型库为开放式，用于新增物联网教学装置的三维部件模型。

特别的，所述环境场景三维模型库为开放式，用于新增教学环境的三维场景模型。

特别的，所述环境场景默认参数数据包括环境设备ID、环境设备类型、环境设备类型型号和环境变量类型；所述运行参数数据包括环境变量类型、环境变量参数单位、环境变化范围、运行状态和运行时间。

特别的，所述固定参数数据包括物联网教学设备ID、物联网教学设备类型、物联网教学设备型号和物联网教学设备功能。

特别的，所述结果分析输出模块包括电路仿真测试模块、三维显示模块、动画显示模块和分析报告生成模块：

电路仿真测试模块，提供电路仿真算法，用于对电路文件进行电路仿真测试，并判断电路文件是否能够实现；

三维显示模块，用于实现三维部件模型和三维场景模型的三维动态漫游显示；

动画显示模块，用于实现将预先物联网教学装置使用状态和教学场景多种状态变化的制作的动画提取并演示的功能；

分析报告模块，用于获得场景调用模块的三维部件模型和三维场景模型组合的三维图，并能输出电路文件和电路仿真测试模块分析的结论。

本发明的有益效果：

本发明的物联网教学虚拟仿真系统利用三维可视化技术模拟实际物联网，将二维的网络拓扑图形成三维的动态展示，生动直观，结合电子电路虚拟仿真技术，实践性强，能够更换更多实验教学场景进行虚拟仿真教学，不需要购买大量物联网设备，能够解决现场教学演示不便，学生兴致不高，占用空间大，成本昂贵技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1所示，为本实施例一种物联网教学虚拟仿真系统，包括：

物联网教学装置三维模型库，用于存储若干种物联网教学装置的三维部件模型。三维部件模型包括温度传感器、湿度传感器、亮度传感器、无线路由器、红外线遥控器。物联网教学装置三维模型库为开放式，用于新增物联网教学装置的三维部件模型。

环境场景三维模型库，用于存储若干种教学环境的三维场景模型。三维场景模型包括设有一种或多种空调、空气加湿器、电暖器、白炽灯的房间模型。环境场景三维模型库为开放式，用于新增教学环境的三维场景模型。

物联网教学装置数据库，关联物联网教学装置三维模型库。物联网教学装置数据库包括固定参数数据。固定参数数据包括物联网教学设备ID、物联网教学设备类型、物联网教学设备型号和物联网教学设备功能。

环境场景数据库，关联环境场景三维模型库。环境场景数据库包括内置的环境场景默认参数数据和运行参数数据。环境场景默认参数数据包括环境设备ID、环境设备类型、环境设备类型型号和环境变量类型。运行参数数据包括环境变量类型、环境变量参数单位、环境变化范围、运行状态和运行时间。

本实施例采用Orical数据库来存储记录物联网教学装置数据库和环境场景数据库的相关数据转换成Orical数据库能够识别和输入修改的数据。

教学模块，用于调用所需要的教学装置三维模型库的三维部件模型和所需要的环境场景三维模型库的三维场景模型。

数据维护模块，连接教学模块，用于维护物联网教学虚拟仿真系统的所有数据，对所有数据进行增加、删除、修改、查询操作。

比如，教师需要使用一个型号为PT100的温度传感器，可通过数据维护模块将PT100的温度传感器依据其外观制出三维模型导入作为物联网教学装置三维模型库的三维部件模型，再设定该温度传感器的固定参数数据，设物联网教学设备ID为一个递增的ID,设定物联网教学设备类型为“temperature sensor”（温度传感器），设定物联网教学设备型号为“PT100”，可将物联网教学设备功能另行建立一个关联表，这个表具有物联网教学设备功能ID和与物联网教学设备功能ID相对应的物联网教学设备功能类型。而物联网教学设备功能则设为物联网教学设备功能ID的其中一个。设置完固定参数数据后，可将上述三维部件模型与物联网教学设备ID进行绑定，可将虚拟电子仿真软件的元件库对该物联网教学设备ID再进行绑定。

再比如，教师需要使用一个型号为KFR-35GW/（35595）FNhAa-A1的空调，这个空调能够调节室内的温度和湿度，可通过数据维护模块将带有该空调的房间依据其外观制出三维模型导入作为环境场景三维模型库的三维场景模型，再设定该空调的环境场景默认参数数据，设环境设备ID为一个递增的ID, 设定环境设备类型为“air-conditioning”，设定环境变量参数单位为“℃，% RH”，设定环境设备类型型号为“KFR-35GW/（35595）FNhAa-A1”，设定环境变量类型为“temperature，humidity”。设置完默认参数数据后，可将上述三维场景模型与环境设备ID进行绑定，可将虚拟电子仿真软件的元件库对该环境设备ID再进行绑定。

实验教学场景搭设模块，连接教学模块。实验教学场景搭设模块包括场景调用模块、虚拟电路连接模块、虚拟控制器编程调试模块和数据输入模块。

场景调用模块，用于从教学模块导入三维部件模型和三维场景模型，并按照需要将三维部件模型布置在三维场景模型上。

虚拟电路连接模块，用于提取场景调用模块的三维部件模型和三维场景模型关联的物联网教学装置数据库和环境场景数据库。虚拟电路连接模块和虚拟控制器编程调试模块应用虚拟电子仿真软件。通过三维部件模型与物联网教学设备ID关联找到物联网教学设备ID，再通过物联网教学设备ID找到虚拟电子仿真软件的元件库对应的元件；通过三维场景模型与环境设备ID关联找到环境设备ID，再通过环境设备ID找到虚拟电子仿真软件的元件库对应的元件。自动生成电路图的元件，学生能够基于上述电路图增加电路和控制器元件进行电路设计。

虚拟控制器编程调试模块，用于对上述虚拟电路连接模块的控制器元件进行编程和调试，获得结果分析输出模块进行仿真测试的电路文件。

数据输入模块，用于调取或设定物联网教学装置数据库和环境场景数据库的数据。比如设定运行参数数据。运行参数数据为设定环境设备进行变化的数据，如需要调节上述空调的温度至20℃-26℃且运行30分钟，则设定其中一个运行参数数据的环境变量类型为“temperature”，环境变量参数单位为“℃”，环境变化范围为“20，26”、运行状态为“1”，运行时间为“1800”；设定另一个运行参数数据的环境变量类型为“humidity”，环境变量参数单位为“% RH”，环境变化范围为“0,0”、运行状态为“0”，运行时间为“0”。其中，运行状态的0代表不启动，1代表使用，运行时间的单位默认为秒，环境变化范围的格式为“X，X”。

结果分析输出模块，连接实验教学场景搭设模块，所述结果分析输出模块提供电路仿真测试算法，提供三维漫游显示自动生成算法，提供分析报告自动生成功能，提供预制物联网教学装置使用状态和教学场景多种状态变化的动画演示功能。如预先设置的空调打开的动画，温度传感器打开的动画等。结果分析输出模块包括电路仿真测试模块、三维显示模块、动画显示模块和分析报告生成模块：

电路仿真测试模块，提供电路仿真算法，用于对电路文件进行电路仿真测试，并判断电路文件是否能够实现。

三维显示模块，用于实现三维部件模型和三维场景模型的三维动态漫游显示。

动画显示模块，用于实现将预先物联网教学装置使用状态和教学场景多种状态变化的制作的动画提取并演示的功能。

分析报告模块，用于获得场景调用模块的三维部件模型和三维场景模型组合的三维图，并能输出电路文件和电路仿真测试模块分析的结论。

文件管理模块，连接结果分析输出模块，用于查看、归档结果分析输出模块的输出结果，包括“新建”、“打开”、“保存”、“另存为”、“导入文件”、“输出文件”、“另存为”等操作。

下面为对本实施例的物联网教学虚拟仿真系统的操作说明。

用户进入教学模块的主页面，点击“实验教学场景搭设”，即可进入实验教学场景搭设模块的操作页面，点击“场景调用”进入场景调用模块的操作面板，点击 “导出三维部件模型”即可导出教学模块的三维部件模型至三维面板；点击场景调用模块的“导出三维场景模型”即可导入教学模块的三维场景模型至三维面板；在三维面板拖动三维部件模型或三维场景模型即可按照需要进行布置，完成布置后，可对运行参数数据进行数据修改；双击需要修改的三维场景模型，即可弹出数据输入模块的输入页面，输入页面上设有若干个输入框和确认按钮，填满或修改输入框的数据后，点击确认按钮即可完成对该三维场景模型对应的运行参数数据进行修改；最后，点击“保存确认”即可完成并回到实验教学场景搭设模块的操作页面。

点击“电路设计”，可弹出虚拟电路连接模块和虚拟控制器编程调试模块的电路设计操作面板，电路设计操作面板上包括元件库和带有自动生成电路图的元件的电路设计区域，学生能够基于自动生成电路图的元件再增加电路和控制器元件在电路设计区域上进行电路设计。电路设计操作面板上还设有代码输入区域和调试区域，学生可输入代码并对上述虚拟电路连接模块的控制器元件进行编程和调试。学生完成虚拟电路设计后，点击“保存确认”，即可获得结果分析输出模块进行仿真测试的电路文件，并回到实验教学场景搭设模块的操作页面。

点击“结果分析”进入结果分析输出模块的功能页面，点击“结果输出”，弹出结果输出的功能页面。若电路仿真测试模块对电路文件进行电路仿真测试，判断出电路文件不能够实现，则结果输出的功能页面只显示进入分析报告模块的“分析报告导出”按键，获得三维图文件和电路文件和电路仿真测试模块分析的结论，三维图文件为场景调用模块的三维部件模型和三维场景模型组合的三维图文件，能够实现三维部件模型和三维场景模型的三维动态漫游显示；若判断出电路文件能够实现，结果输出的功能页面还多出进入动画显示模块的“动画导出”按键，提取场景调用模块的三维部件模型和三维场景模型组合在运行状态下的动画演示。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种物联网教学虚拟仿真系统，其特征在于：包括：

物联网教学装置三维模型库，用于存储若干种物联网教学装置的三维部件模型；

环境场景三维模型库，用于存储若干种教学环境的三维场景模型；

物联网教学装置数据库，关联物联网教学装置三维模型库；所述物联网教学装置数据库包括固定参数数据；所述固定参数数据包括物联网教学设备ID、物联网教学设备类型、物联网教学设备型号和物联网教学设备功能

环境场景数据库，关联环境场景三维模型库；所述环境场景数据库包括内置的环境场景默认参数数据和运行参数数据；所述环境场景默认参数数据包括环境设备ID、环境设备类型、环境设备类型型号和环境变量类型；所述运行参数数据包括环境变量类型、环境变量参数单位、环境变化范围、运行状态和运行时间；

教学模块，用于调用所需要的物联网教学装置三维模型库的三维部件模型和所需要的环境场景三维模型库的三维场景模型；

数据维护模块，连接教学模块，用于维护物联网教学虚拟仿真系统的所有数据，对所有数据进行增加、删除、修改、查询操作；

实验教学场景搭设模块，连接教学模块；

所述实验教学场景搭设模块包括场景调用模块、虚拟电路连接模块、虚拟控制器编程调试模块和数据输入模块：

所述场景调用模块，用于从教学模块导入三维部件模型和三维场景模型，并按照需要将三维部件模型布置在三维场景模型上；

所述虚拟电路连接模块，用于提取场景调用模块的三维部件模型和三维场景模型关联的物联网教学装置数据库和环境场景数据库，自动生成电路图的元件，并能够基于上述电路图增加电路和控制器元件进行电路设计；

所述虚拟电路连接模块和虚拟控制器编程调试模块设于电路设计操作面板上，电路设计操作面板包括元件库和带有自动生成电路图的元件的电路设计区域；能够基于自动生成电路图的元件再增加电路和控制器元件在电路设计区域上进行电路设计；所述电路设计操作面板上还设有代码输入区域和调试区域，可输入代码并对上述虚拟电路连接模块的控制器元件进行编程和调试；

所述虚拟控制器编程调试模块，用于对所述虚拟电路连接模块控制器元件进行编程和调试，获得结果分析输出模块进行仿真测试的电路文件；

所述数据输入模块，用于调取或设定物联网教学装置数据库和环境场景数据库的数据；

结果分析输出模块，连接实验教学场景搭设模块，所述结果分析输出模块提供电路仿真测试算法，提供三维漫游显示自动生成算法，提供分析报告自动生成功能，提供预制物联网教学装置使用状态和教学场景多种状态变化的动画演示功能；所述结果分析输出模块包括电路仿真测试模块、三维显示模块、动画显示模块和分析报告生成模块：电路仿真测试模块，提供电路仿真算法，用于对电路文件进行电路仿真测试，并判断电路文件是否能够实现；三维显示模块，用于实现三维部件模型和三维场景模型的三维动态漫游显示；动画显示模块，用于实现将预先物联网教学装置使用状态和教学场景多种状态变化的制作的动画提取并演示的功能；分析报告生成模块，用于获得场景调用模块的三维部件模型和三维场景模型组合的三维图，并能输出电路文件和电路仿真测试模块分析的结论；

文件管理模块，分别连接数据维护模块和结果分析输出模块，用于查看、归档结果分析输出模块的输出结果。

2.根据权利要求1所述的一种物联网教学虚拟仿真系统，其特征在于：所述三维场景模型包括设有一种或多种空调、空气加湿器、电暖器、白炽灯的房间模型。

3.根据权利要求1所述的一种物联网教学虚拟仿真系统，其特征在于：所述三维部件模型包括温度传感器、湿度传感器、亮度传感器、无线路由器、红外线遥控器。

4.根据权利要求1所述的一种物联网教学虚拟仿真系统，其特征在于：所述物联网教学装置三维模型库为开放式，用于新增物联网教学装置的三维部件模型。

5.根据权利要求1所述的一种物联网教学虚拟仿真系统，其特征在于：所述环境场景三维模型库为开放式，用于新增教学环境的三维场景模型。

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