《物联网导论(活页式)》教材——任务10 物联网虚拟仿真实验

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2024年1月20日发(作者：)

任务10 物联网虚拟仿真实验

学 习 概 览

达成目标

1．知识目标





了解物联网虚拟仿真实验平台的功能

了解微机室学生上机守则

能够根据功能需求搭建并调试物联网虚拟仿真系统

树立学做一体、技能宝贵的观念

培养职业意识、规范操作的习惯

提升系统设计、动手实现的能力

2．技能目标



3．素质目标







课前准备

扫描右侧二维码，观看视频“物联网虚拟仿真实验平台如何操作？”，思考以下几个问题：

1．物联网虚拟仿真实验平台对运行环境的要求有哪些？

2．如何把自己需要的设备从模块库放入实验台中？

3．如何进行设备间电源线或数据线的连接和更改？

课堂预告

情境导入→进阶学习→实操演练→任务展示→评价总结

课后活动

完成任务巩固中的习题，并尝试连接真实硬件进行虚实结合实验。

任务10 物联网虚拟仿真实验

143

思维导图

任务实施单

任务编号

任务类型

面向专业

实施班级

学生姓名

实施地点

10

上机实验

物联网类专业

任务名称

任务难度

完成时限

隶属组号

任务分工

实施日期

搭建物联网虚拟仿真系统

较难

4课时

任务要求

物联网虚拟仿真实验平台根据实验台中硬件设备的接口和原理模拟出功能一样的虚拟设备，用户可以根据自己的需求，选出自己所需要的设备通电连接，然后进行程序调试，从而避免了在真实环境中设备的混乱、布线的麻烦、真实设备不稳定的因素以及缺少设备等不足。本任务实施时，可参照实验平台提供的实验清单或自行搭建一个物联网虚拟仿真系统。需包含以下关键点：

1．该系统包含设备个数不少于7个；

2．系统的硬件连线、属性设置符合功能需求；

3．功能测试区或Android启动程序界面能够模拟系统运作过程。

设备工具

结果提交

装有物联网虚拟仿真实验平台及辅助环境的台式机或笔记本

利用物联网虚拟仿真实验平台模拟一个完整的物联网系统，课内展示，时间要求3～5分钟

存在问题 解决方法

实施过程

总结反思

144

物联网导论（活页式）

知 识 链 接

一、实验平台介绍

1．实验平台简介

物联网虚拟仿真实验平台采用软件的方式来实现硬件的功能，是一套运行于Windows 7/

Windows 10上的纯软件。用户只需一台计算机即可根据自己的搭建需求，选出所需要的虚拟设备通电连接，然后进行程序调试和功能模拟。该实验平台不仅在占地面积、投入成本、使用损耗等方面具有绝对优势；而且，提供足够多的物联网设备，每一种设备、每一种协议均已研究透彻，将较难的原理与知识点清晰地呈现出来，让学生更容易理解；此外，配有多种基础实验内容和应用实验案例，可供参照和练习。

使用实验平台前，需安装辅助环境中的所有控件，然后运行可执行文件“”启动程序。登录界面如图10-1所示，输入正确的账户和密码，单击“登录”按钮，平台会对用户信息进行合法性校验，通过校验的用户即可进入程序主界面。

图10-1 物联网虚拟仿真实验平台登录界面

主界面（图10-2）由菜单栏、工具栏、模块库、实验台、设备/属性列表和功能测试区六大部分组成。其中，菜单栏中有“开始”“布局”“视图”“用户管理”和“帮助”五个功能菜单。用户可在“开始”菜单中执行新建、打开、保存、另存为、删除、退出等操作；“布局”菜单中的上对齐、下对齐、左对齐、右对齐、垂直居中、水平居中、置顶、置底操作可以对试验台中的单个或多个设备进行位置排布；单击“视图”菜单中的模块库、设备列表、属性面板、功能测试可以显示/隐藏相应区域；“帮助”菜单中，用户可利用帮助文档更快捷地了解实验平台的使用和注意事项。菜单栏中的部分常用功能可以在工具栏中单击对应图标执行相应操作。

模块库包含所有虚拟设备，用户可在模块库中单击鼠标并拖动自己需要的设备至试验台中；设备/属性列表显示实验台中的全部设备和当前选中模块的属性信息，用户可在属性列表中进行属性配置；功能测试区包括功能测试和Android启动程序，可进行模块库中的

任务10 物联网虚拟仿真实验

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单个模块协议层功能测试，或启动Android程序进行功能验证。

图10-2 实验平台主界面

2．实验平台功能测试

功能测试是对模块库中的单个模块进行协议层功能测试，在测试过程中，待测模块必须连接电源设备；对于传感器类型的模块，还需要连接相应的模拟器进行功能测试；对于控制器模块，还需要连接相应的外设进行辅助测试。

（1）ZigBee设备。以ZigBee人体感应传感节点为例，如图10-3所示，连接ZigBee人体感应传感节点、电源、人体模拟器，在ZigBee人体感应传感节点上右击，单击“功能测试”，配置串口，在发送编辑窗口填写发送指令，再次在ZigBee人体感应传感节点上右击，单击“有人”或“无人”，在功能测试区单击“手动发送”。

图10-3 ZigBee人体感应传感节点功能测试

146

物联网导论（活页式）

发送指令01 03 00 3c 00 01 44 06解析如下：

01：传感器地址位。

03：功能码，03代表读取或返回数据。

00 3C：传感器类型，00 3C代表人体感应传感器。

00 01：读取几个参数，00 01表示读取1个参数（每个参数由2个字节组成）。

44 06：CRC校验码。

返回指令01 03 02 01 01 78 14（有人）/01 03 02 01 00 b9 d4（无人）解析如下：

01 03：同发送指令。

02：代表返回的字节数，02表示返回2个字节。

01 01/01 00：传感器检测值，01 01代表传感器检测到人，01 00代表传感器未检测到人。

78 14/b9 d4：CRC校验码。

（2）WiFi设备。以WiFi PM2.5传感节点为例，如图10-4所示，连接WiFi PM2.5传感节点、电源、PM2.5模拟器，在WiFi PM2.5传感节点上右击，单击“功能测试”，配置串口，在发送区填写指令，再次在WiFi PM2.5传感节点上右击，单击“增加PM2.5”或“降低PM2.5”，在功能测试区单击“手动发送”。

图10-4 WiFi PM2.5传感节点功能测试

发送指令01 03 00 58 00 01 05 d9解析如下：

01：传感器地址位。

03：功能码，03代表读取或返回数据。

00 58：传感器类型，00 58代表PM2.5传感器。

00 01：读取几个参数，00 01表示读取1个参数（每个参数由2个字节组成）。

05 d9：CRC校验码。

返回指令01 03 02 00 12 38 49解析如下：

任务10 物联网虚拟仿真实验

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01 03：同发送指令。

02：返回数据字节数，02代表返回2个字节。

00 12：PM2.5的测量值，即PM2.5=18微克每立方米，用嘴往PM2.5传感器中间圆孔吹气或有烟雾通过，则PM2.5的值会变化，一般是上升，这里的PM2.5值仅供参考。

38 49：CRC校验码。

（3）RFID设备。以高频RFID读卡器为例，功能测试包括以下几个。

1）打开串口。填写正确的串口信息，正确的配置信息如下：

串口号：默认COM1即可。

波特率：19200。

校验位：None。

数据位：8。

停止位：1。

如果未填写正确信息，系统提示“串口配置错误”；如果正确打开了串口，在状态栏显示rf_init_com。

2）寻卡无卡。在正确打开串口后，单击“寻卡”，如果此时高频RFID节点上没有高频RFID标签，则在状态栏显示如图10-5所示字样。

图10-5 寻卡无卡提示

3）正确寻卡。单击“寻卡”，如高频RFID节点上有高频RFID标签，则在状态栏显示如图10-6所示字样，同时在软件寻卡右侧的编辑栏显示4个十六进制卡号（默认11223344）。

图10-6 正确寻卡提示

4）错误密码。在已完成寻卡的状态下，单击“读卡”（此时高频RFID标签应该还在高频节点上方，如果没有的话，系统直接提示“请不要移走高频标签”），如果密码区为空，则系统提示“请填写密码”，如果密码填写错误，在状态区显示如图10-7所示字样。默认密码为6个字节的FF。

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物联网导论（活页式）

图10-7 错误密码提示

5）正确读卡。在填写密码正确的情况下，单击“读卡”，在状态区显示如图10-8所示字样，并在数据区右侧显示16个字节的十六进制数据。这里注意，RFID高频卡有16个扇区、每个扇区有4个块、每个块有16个字节的容量；第一个扇区（0扇区）所有块只读，其他所有扇区的所有块均为可读写；每个块的初始存储都是16个字节的00，所以在第一次读此块的时候显示00即可，但是一旦某个块内容被修改，下次再读该块时，会显示新的数据。

图10-8 正确读卡提示

6）错误写卡。在无密码情况下单击“写卡”，系统提示“请填写密码”，如果密码填写错误，状态栏显示如图10-9所示字样。

任务10 物联网虚拟仿真实验

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图10-9 错误写卡提示

7）正确写卡。在正确密码情况下，单击“写卡”，将写数据编辑框内的数据写到对应的扇区块内，状态区显示如图10-10所示字样。下次再读该扇区块，会在数据区显示新的数据。这里注意，写数据编辑区接受16个字节十六进制数据，如果有非法字符，小于或超出长度，系统提示错误；第一个扇区（0扇区）为只读扇区，如果尝试向该扇区写数据，系统提示“该扇区为只读扇区”。

图10-10 正确写卡提示

（4）433MHz设备。以433MHz温湿度传感器节点为例，如图10-11所示，连接433MHz温湿度传感器、电源、温湿度模拟器，在433MHz温湿度传感器节点上右击，单击“功能

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物联网导论（活页式）

测试”，配置串口，在发送区填写指令，再次在433MHz温湿度传感器节点上右击，选择“加温”或“降温”或“加湿”或“降湿”，在功能测试区单击“手动发送”。

图10-11 433MHz温湿度传感器功能测试

发送指令01 03 00 14 00 02 84 0f解析如下：

01：节点Modbus地址位。

03：功能码，03代表读取或返回数据。

00 14：传感器类型，00 14代表温湿度传感器。

00 02：读取几个参数，00 02表示读取2个参数（每个参数由2个字节组成）。

84 0f：CRC校验码。

返回指令01 03 04 01 FF 00 FF 8b bf解析如下：

01 03：同发送指令。

04：代表返回的字节数，04代表返回4个字节。

01 FF：湿度值，计算公式[(01*256)+0xFF]/10 = 51.1，则湿度的实际值为51.1RH%。

00 FF：温度值，计算公式[(00*256)+0xFF]/10 = 25.5，则温度的实际值为25.5℃。

8b bf：CRC校验码。

（5）蓝牙设备。以蓝牙数码管输出节点为例，如图10-12所示，连接蓝牙数码管输出节点、电源、数码管外设，在蓝牙数码管输出节点上右击，单击“功能测试”，配置串口，在发送区填写指令，在功能测试区单击“手动发送”。

发送指令01 10 00 5E 00 02 04 12 11 03 17 62 9c解析如下：

01：节点ModBus地址位。

10：功能码，10代表要控制执行器。

00 5E：执行器类型，00 5E代表数码管模块。

00 02：占用执行器几个寄存器，00 02代表占用2个寄存器。

04：发送几个字节，04代表发送4个字节。

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12 11 03 17：在每个字节后四位是想要显示在数码管上的数字，前面的0或1代表小数点加在哪里，1代表不加小数点，0代表加小数点，本例显示的数值将是213.7。

62 9c：CRC校验码。

返回字节解析如下：

发送什么返回什么，仅代表执行器已收到指令，并执行命令；没有收到任何返回信息，代表执行器没有收到指令。

图10-12 蓝牙数码管输出节点功能测试

（6）外设和模拟器。实验平台提供的外设包括风扇、报警灯、窗帘、灯光、加热、空调、数码管、水阀开关、加湿、道闸，外设需要配合相应的控制器节点进行功能测试，本身无独自功能测试要求。

实验平台提供的模拟器包括人体模拟器、温湿度模拟器、磁控模拟器、光照模拟器、火焰模拟器、烟感模拟器、PM2.5模拟器、CO2模拟器、土壤温湿度模拟器、红外转发节点、应急按钮，模拟器需要配合相应的传感器进行功能测试。

3．实验平台实验清单

物联网虚拟仿真实验平台提供38个基础实验和应用案例（见表10-1），用户可参照程序“帮助”菜单中的实验指导书进行练习。

表10-1 物联网虚拟仿真实验平台实验清单

序号

1

2

3

4

5

低频RFID虚拟仿真实验

高频RFID虚拟仿真实验

特高频RFID虚拟仿真实验

2.4G微波RFID虚拟仿真实验

ETC不停车收费系统

实验名称 技术归属

RFID

RFID

RFID

RFID

RFID

类型

基础实验

基础实验

基础实验

基础实验

应用案例

152

物联网导论（活页式）

序号

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

公交车刷卡系统

智能货架盘点系统

基于WiFi的温室室内光照度远程监控报警系统

基于WiFi的温室室内温湿度远程监控报警系统

基于WiFi的大气环境综合监测系统

基于WiFi的家居烟雾远程报警系统

基于WiFi的家居人体感应远程报警系统

基于WiFi的家居智能门禁控制系统

基于WiFi的仓储火灾预警系统

基于WiFi的超市人体感应客流估算系统

基于STC的光敏传感器实验

基于STC的温湿度传感器实验

基于STC的CO2传感器实验

基于STC的土壤温湿度传感器实验

基于STC的水阀控制实验

基于STC的风扇控制实验

基于STC的灯光控制实验

基于STC的加热控制实验

基于STC的数码管控制实验

基于433MHz温室室内光照度的远程监控系统

基于433MHz温室室内温度的远程监控系统

基于433MHz智慧农业控制系统

蓝牙温湿度传感器读取实验

蓝牙光照传感器读取实验

蓝牙烟雾传感器读取实验

蓝牙蜂鸣器控制实验

蓝牙数码管控制实验

基于CC2530的磁检测传感器实验

ZStack组播通信实验

ZStack广播通信实验

ZStack自组网实验

基于ZigBee无线通信的智能家居控制系统

基于ZigBee的环境监测及家电控制系统

实验名称

技术归属

RFID

RFID

WiFi

WiFi

WiFi

WiFi

WiFi

WiFi

WiFi

WiFi

51单片机

51单片机

51单片机

51单片机

51单片机

51单片机

51单片机

51单片机

51单片机

433MHz

433MHz

433MHz

蓝牙

蓝牙

蓝牙

蓝牙

蓝牙

ZigBee

ZigBee

ZigBee

ZigBee

ZigBee

ZigBee

续表

类型

应用案例

应用案例

应用案例

应用案例

应用案例

应用案例

应用案例

应用案例

应用案例

应用案例

基础实验

基础实验

基础实验

基础实验

基础实验

基础实验

基础实验

基础实验

基础实验

应用案例

应用案例

应用案例

基础实验

基础实验

基础实验

基础实验

基础实验

基础实验

基础实验

基础实验

基础实验

应用案例

应用案例

任务10 物联网虚拟仿真实验

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二、学生上机守则

微机室是获取教学资源、开展教育活动的重要场地，上机实验是理论联系实际的重要过程，请自觉遵守微机室使用制度并珍惜每一节上机实验课。

（1）上机操作前要认真预习，明确实验目的、内容、要求、步骤和注意事项。

（2）进入微机室要保持良好秩序，按指定位置就座，不准喧哗、打闹；注意衣着整洁、仪表端庄，不得穿背心、拖鞋进入微机室。

（3）上机实验时不准网聊、玩游戏、听音乐和睡觉，不做与课堂内容无关的事情。

（4）上网必须遵守国家法律法规以及学校有关规章制度，不得利用信息技术散布不当言论，不得观看、下载、传播不良内容，做文明上网人。

（5）保持微机室环境整洁卫生，严禁吸烟、吃零食、随地吐痰和乱扔杂物等。

（6）爱护机器设备和公共财物，不得用力敲击键盘、鼠标等，不准频繁开关主机、显示器电源。

（7）不得擅自改动微机室的软件设置、网络配置和系统文件，未经许可，不得私自安装软件，不准随意移动、拆卸电脑设备。

（8）上机实验前须认真听取教师对本次实验的讲解和要求，操作过程要积极动手、认真分析和思考，同学之间密切配合，努力提高实验效率，实事求是做好记录。

（9）实验过程中发现异常现象或不安全因素时，应立即停止操作并及时向教师反映，不得自行处理，以免发生事故。

（10）实验结束时，应正常关闭程序和操作系统、显示器和辅助设备电源，将鼠标、键盘、座椅摆放整齐，并清走所有垃圾，经教师检查允许后，方可离开。

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物联网导论（活页式）

考核评价单

分量

考勤情况

课堂评价

学习态度

提问回答

课前课后

分量

任务实施单

关键要求一

任务评价

关键要求二

关键要求三

陈述表现

分量

系统硬件连线、属性设置符合需求

功能测试能够模拟系统运作过程

汇报人陈述措辞准确流畅，有感染力

标准

强化良好的职业习惯意识，养成正确的职业操作规范

师生沟通顺畅，小组合作高效

明确崇尚技能、苦练技能的导向，走技能成才之路

具备设计小型系统并动手实现的能力

总评等级（五级制）

教师签字

15%

10%

10%

权重

自评

互评

师评

标准

按时到课，不缺勤、不迟到、不早退

积极主动，虚心求教，细致严谨

踊跃提问回答，表述清晰准确

课前认真准备，课后高质量完成作业

标准

表格填写完整，能够反映真实过程

系统设备选择合适，不少于7个

权重

5%

5%

5%

5%

权重

10%

15%

自评

自评

互评

互评

师评

师评

职业规范

5%

素质评价

沟通合作

5%

技能宝贵

5%

工程能力

总评分数

学生签字

5%

任务10 物联网虚拟仿真实验

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拓 展 阅 读

一、德国人的职业操作规范：螺栓拧三圈回半圈

德国工人拧螺栓有一个拧三圈回半圈的说法，听说过吗？有些朋友会认为直接拧两圈半不就完了嘛！其实，简单的拧螺丝操作是有科学依据的。

螺丝在拧紧后，为了防止松动，应额外施加一个预紧力，因此松半圈后预紧力将消除，螺丝在拧紧后处于弹性形变中，尤其是在高温和震动载荷的情况下，长期这样持续压力会产生蠕变，螺丝产生塑性应变后，其强度会大幅下降甚至失效。退回半圈是让弹性形变恢复一些，同时消除预紧力，以后螺丝无论在持续压力的变形还是在弹性形变之中，产生塑性应变和失效的几率大幅降低，使螺丝能保持持续高强度的压力，而直接拧两圈半却达不到这样的效果。

因此，在多数的德国高端机械设备的工厂里，对于特殊部位组装时，关于拧螺丝，是有严格的操作手册指导完成的，施加多大的扭矩都有明确规范。工人们也是严格遵守职业操作规范，真的是拧三圈回半圈！不得不说，德国人在这一方面真的是非常的严谨，难怪德国的工业生产技术会排在世界的前列，这一点也是值得世界各国去学习的！

二、00后姑娘突然刷屏！她的技能令人不可思议，网友：太飒了

2021年各地高考成绩已经全部出炉，很多考生开始纠结如何填报志愿；而就在6月28日，深圳市第二职业技术学校2019级汽车运用与维修专业学生古慧晶再次刷屏：00后女孩拿下汽修大赛一等奖！

2021年4月，古慧晶在广东省职业院校学生专业技能大赛汽车机电维修赛项目夺得一等奖，成为广东省第一个参加此类赛事并夺冠的女生。此次参赛对于古慧晶来说压力很大，但她并没有退缩，而是通过一遍又一遍的训练来精益求精。四轮定位、故障诊断与发动机拆装、维护和保养、排线路……一系列繁琐的操作，都是古慧晶每天常规训练项目。在两位教练的鼓励和指导下，古慧晶每天从早上8点开始进行学习和训练，直到晚上10点才结束，她还会复盘当天训练中不足的地方，为第二天的进阶和完善做准备。

日复一日的深耕细作，让她最终斩获省赛的一等奖第三名，不仅如此，她还在这场比赛里刷新全校记录。“我做发动机拆装赛项目，总共用时是26分钟比全校以往最好的成绩少半分钟，挺意外的！”“我不在乎外面的声音和看法，因为这是自己的选择。”古慧晶表示，汽修专业的女生很少，但愈深入学习，便愈发喜欢上这门课程。“很多人觉得汽修是男生的职业，这种想法太刻板了，我觉得职业不分性别。”古慧晶拒绝被标签化，对于古慧晶的选择，很多网友表示支持！巾帼不让须眉，点赞！加油！

任 务 巩 固

一、单项选择题

1．用户可以在物联网虚拟仿真实验平台的（ ）区域进行设备的属性配置。

A．模块库 B．设备列表 C．属性列表 D．功能测试

156

物联网导论（活页式）

2．使用物联网虚拟仿真实验平台进行设备功能测试时，发送指令和返回指令采用（ ）校验。

A．CRC-12码 B．CRC-16码 C．CRC-CCITT码 D．CRC-32码

3．使用物联网虚拟仿真实验平台进行ZigBee人体感应传感节点的功能测试时，返回指令（ ）代表传感器检测到人。

A．01 03 02 01 00 b9 d4 B．01 03 02 01 01 78 14

C．01 03 02 01 02 38 15 D．01 03 02 01 03 f9 d5

4．使用物联网虚拟仿真实验平台进行WiFi PM2.5传感节点的功能测试时，返回指令01 03 02 00 12 38 49表明PM2.5的测量值为（ ）微克每立方米。

A．10 B．12 C．18 D．20

5．使用物联网虚拟仿真实验平台进行433MHz设备的功能测试时，发送指令01 03 00

14 00 02 84 0f中的（ ）代表传感器类型为温湿度传感器。

A．01 03 B．00 14 C．00 02 D．84 0f

6．物联网虚拟仿真实验平台中的高频RFID标签卡号使用（ ）表示。

A．二进制 B．八进制 C．十进制 D．十六进制

7．使用物联网虚拟仿真实验平台进行RFID读卡器的功能测试时，其数据位和停止位分别设置为（ ）。

A．8和0 B．8和1 C．8和2 D．6和1

8．学生进入微机室应遵守（ ）。

①保持良好秩序 ②爱护机器设备 ③积极动手思考 ④浏览网页新闻

A．①②③④ B．①②③ C．①③④ D．②③④

二、判断题

1．物联网虚拟仿真实验平台采用软件的方式来实现硬件的功能，同时支持连接真实硬件进行虚实结合实验。 （ ）

2．物联网虚拟仿真系统搭建时需要手动连接设备之间的无线通信关系。 （ ）

3．使用物联网虚拟仿真实验平台进行蓝牙数码管输出节点的功能测试时，发送什么返回什么，仅代表执行器已收到指令，并执行命令。 （ ）

4．物联网虚拟仿真实验平台中的模拟器生成的数据是实测值。 （ ）

5．物联网虚拟仿真实验平台提供的外设（如风扇、报警灯、窗帘等）需要配合相应的控制器节点进行功能测试。 （ ）

三、简答题

1．物联网虚拟仿真系统搭建时，如何进行电源线、数据传输线以及无线通信的连接？

2．当软件提示“Android节点与WiFi无线路由器节点不在同一个网段，请修改！”时，如何排除该错误？

本文标签： 实验平台进行系统设备