一種基于物聯(lián)網(wǎng)的理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)及其工作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及一種基于物聯(lián)網(wǎng)的理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)及 其工作方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 物聯(lián)網(wǎng)是利用新一代信息技術(shù)，將傳感器等物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交 換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)也被稱為繼計(jì)算 機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。劉佳，劉柏全，宋鐵成，沈連豐在2010 年12月《電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)》發(fā)表的論文《一種物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》中采用 RFID標(biāo)簽技術(shù)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了智能物流和智能醫(yī)護(hù)應(yīng)用系統(tǒng)。劉佳等（2010)的論文中搭建 的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)系統(tǒng)，適用于物流和醫(yī)護(hù)領(lǐng)域，不是面向中學(xué)理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域。2008年?yáng)|北 師范大學(xué)馮國(guó)松的碩士畢業(yè)論文《"中學(xué)理科仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)"的研宄與設(shè)計(jì)》采用虛擬現(xiàn)實(shí) 技術(shù)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了中學(xué)理科實(shí)驗(yàn)仿真軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。馮國(guó)松（2008)論文中的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可 以模擬中學(xué)理科的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，用戶只需要在電腦上操作就可以在虛擬仿真環(huán)境下完成實(shí)驗(yàn) 操作步驟。但此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)無(wú)法從真實(shí)世界采集和獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，所有操作都是在軟件中完 成，也不具備物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)體系，無(wú)法為學(xué)習(xí)者提供真實(shí)、有效的理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明克服了現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用瓶頸，面向理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)了物聯(lián) 網(wǎng)路由器及其專有令牌通訊協(xié)議和專有物聯(lián)網(wǎng)路由通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了理科實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí) 采集、快速傳輸、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)查詢和圖形化顯示、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)報(bào)告填寫等功能， 提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)及其工作方法。
[0004] 本發(fā)明提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，包括：物聯(lián)網(wǎng)傳感單元、物聯(lián) 網(wǎng)路由單元和物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器單元；其中，所述物聯(lián)網(wǎng)傳感單元與所述物聯(lián)網(wǎng)路由單元建立 連接，用于實(shí)時(shí)測(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程的待測(cè)變量，將測(cè)量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)幀發(fā)送給所述物聯(lián)網(wǎng) 路由單元；所述物聯(lián)網(wǎng)路由單元分別與所述物聯(lián)網(wǎng)傳感單元和所述物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器單元建立 連接，用于接收所述物聯(lián)網(wǎng)傳感單元發(fā)送的所述數(shù)據(jù)幀，并將所述數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)指令 發(fā)送給所述物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器單元；所述物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器單元包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)和軟件程序；所述 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)用于存儲(chǔ)所述數(shù)據(jù)指令中的數(shù)據(jù)；所述軟件程序用于對(duì)所述網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)中 的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢、分析、篩選、圖形化顯示和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的填寫。
[0005] 本發(fā)明提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中，所述物聯(lián)網(wǎng)傳感單元包括一個(gè) 或一個(gè)以上物聯(lián)網(wǎng)傳感器。
[0006] 本發(fā)明提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中，所述物聯(lián)網(wǎng)路由單元包括一個(gè) 或一個(gè)以上物聯(lián)網(wǎng)路由器。
[0007] 本發(fā)明提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中，所述物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器單元包括一 個(gè)或一個(gè)以上物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。
[0008] 本發(fā)明還提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的工作方法，包括以下步 驟：
[0009] 步驟一：物聯(lián)網(wǎng)傳感單元實(shí)時(shí)測(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程的待測(cè)變量，將測(cè)量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù) 據(jù)幀發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)路由單元；
[0010] 步驟二：所述物聯(lián)網(wǎng)路由單元接收所述物聯(lián)網(wǎng)傳感單元發(fā)送的所述數(shù)據(jù)幀，并將 所述數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)指令發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器單元，所述數(shù)據(jù)幀由幀起始、數(shù)據(jù)和幀結(jié) 束組成；
[0011] 步驟三：所述物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器單元接收所述數(shù)據(jù)指令，并將所述數(shù)據(jù)指令中的數(shù)據(jù) 實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到所述物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器單元的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)中，所述數(shù)據(jù)指令由指令起始、數(shù)據(jù)發(fā)送 方地址碼、數(shù)據(jù)和指令結(jié)束組成；
[0012] 步驟四：通過(guò)所述物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器單元的軟件程序?qū)λ鼍W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行 實(shí)時(shí)查詢、分析、篩選、圖形化顯示和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的填寫。
[0013]本發(fā)明提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的工作方法中，所述物聯(lián)網(wǎng)傳感單 元接收到所述物聯(lián)網(wǎng)路由單元發(fā)送的控制幀后，向所述物聯(lián)網(wǎng)路由單元發(fā)送所述數(shù)據(jù)幀。
[0014]本發(fā)明提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的工作方法中，所述控制幀由幀起 始、令牌和幀結(jié)束組成。
[0015] 本發(fā)明提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的工作方法中，所述物聯(lián)網(wǎng)路由單 元接收到所述物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器單元發(fā)送的控制指令后，向所述物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器單元發(fā)送所述數(shù) 據(jù)指令。
[0016] 本發(fā)明提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的工作方法中，所述控制指令由指 令起始、指令接收方地址碼、指令內(nèi)容和指令結(jié)束組成。
[0017]本發(fā)明提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的工作方法中，所述物聯(lián)網(wǎng)傳感單 元采用專有的令牌通訊協(xié)議接收所述物聯(lián)網(wǎng)路由單元發(fā)送來(lái)的控制幀，并通過(guò)所述物聯(lián)網(wǎng) 路由單元向所述物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器單元傳送測(cè)量數(shù)據(jù)。所述專有令牌通訊協(xié)議用于實(shí)現(xiàn)所述物 聯(lián)網(wǎng)傳感單元和所述物聯(lián)網(wǎng)路由單元的控制幀和數(shù)據(jù)幀的發(fā)送與接收。
[0018] 本發(fā)明提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的工作方法中，所述物聯(lián)網(wǎng)路由單 元采用專有的物聯(lián)網(wǎng)路由通訊協(xié)議向所述物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器單元轉(zhuǎn)發(fā)所述物聯(lián)網(wǎng)傳感單元測(cè) 量的數(shù)據(jù)。所述專有物聯(lián)網(wǎng)路由通訊協(xié)議用于實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)路由單元和物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器單元的 控制指令和數(shù)據(jù)幀的發(fā)送與接收。
[0019]本發(fā)明提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)及其工作方法中，所述物聯(lián)網(wǎng)服務(wù) 器單元用于分配計(jì)算資源，接收所述物聯(lián)網(wǎng)路由單元轉(zhuǎn)發(fā)的測(cè)量數(shù)據(jù)，將測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存 儲(chǔ)到所述物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器單元的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)軟件程序?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí) 查詢、篩選、圖形化顯示、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的填寫。
[0020] 本發(fā)明提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)及其工作方法中，所述步驟三中， 所述軟件程序?qū)⑺鰯?shù)據(jù)以采集時(shí)間和待測(cè)變量的測(cè)量數(shù)值的數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù) 庫(kù)中。
[0021] 本發(fā)明提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)及其工作方法中，所述步驟四包括 如下步驟：
[0022] 步驟a:所述軟件程序的人機(jī)界面通過(guò)儀表盤的形式圖形化顯示所述待測(cè)變量的 測(cè)量數(shù)值；
[0023] 步驟b :所述軟件程序的人機(jī)界面通過(guò)數(shù)據(jù)表格的形式顯示所述待測(cè)變量的測(cè)量 數(shù)值；
[0024] 步驟c:所述軟件程序的人機(jī)交互界面上呈現(xiàn)理科實(shí)驗(yàn)的教學(xué)知識(shí)；
[0025] 步驟d:用戶通過(guò)所述軟件程序的人機(jī)界面填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告；
[0026] 步驟e:用戶通過(guò)所述軟件程序的人機(jī)界面提交所述實(shí)驗(yàn)報(bào)告，所述實(shí)驗(yàn)報(bào)告被 保存于所述網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中。
[0027] 本發(fā)明中的軟件程序可以通過(guò)儀表盤的形式呈現(xiàn)理科實(shí)驗(yàn)的待測(cè)變量的測(cè)量數(shù) 據(jù)，以圖形化的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化，從而促進(jìn)用戶理解和學(xué)習(xí)相關(guān)理科實(shí)驗(yàn)知識(shí)。同時(shí)， 此軟件程序可以填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告和保存到數(shù)據(jù)庫(kù)，方便任課教師批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告，提高教學(xué)效 率。
[0028] 本發(fā)明提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)及其工作方法，能實(shí)時(shí)采集各種理 科實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，具有快速傳輸、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)查詢和圖形化顯示、專有令牌通訊協(xié)議、專有物 聯(lián)網(wǎng)路由協(xié)議、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析、實(shí)驗(yàn)報(bào)告填寫、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0029] 圖1為本發(fā)明基于物聯(lián)網(wǎng)的理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖2為本發(fā)明基于物聯(lián)網(wǎng)的理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)工作方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 結(jié)合以下具體實(shí)施例和附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施本發(fā)明的過(guò)程、 條件、實(shí)驗(yàn)方法等，除以下專門提及的內(nèi)容之外，均為本領(lǐng)域的普遍知識(shí)和公知常識(shí)，本發(fā) 明沒(méi)有特別限制內(nèi)容。
[0032] 圖1中，1-物聯(lián)網(wǎng)傳感單元，11-物聯(lián)網(wǎng)傳感器，2-物聯(lián)網(wǎng)路由單元，21-物聯(lián)網(wǎng)路 由器，3-物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器單元，31-物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。
[0033] 如圖1所示，本發(fā)明提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，包括：物聯(lián)網(wǎng)傳 感單元1、物聯(lián)網(wǎng)路由單元2和物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器單元3。
[0034] 其中，物聯(lián)網(wǎng)傳感單元1與物聯(lián)網(wǎng)路由單元2建立連接，用于實(shí)時(shí)測(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程的 待測(cè)變量，將測(cè)量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)幀發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)路由單元2。物聯(lián)網(wǎng)路由單元2分別與 物聯(lián)網(wǎng)傳感單元1和物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器單元3建立連接，用于接收物聯(lián)網(wǎng)傳感單元1發(fā)送的數(shù) 據(jù)幀，并將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)指令發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器單元3。物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器單元3包括網(wǎng) 絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)和軟件程序。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)指令中的數(shù)據(jù)，軟件程序用于對(duì)網(wǎng)絡(luò) 數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢、分析、篩選、圖形化顯示和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的填寫。
[0035] 本發(fā)明提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)傳感單元1包括一個(gè)或 一個(gè)以上物聯(lián)網(wǎng)傳感器11。
[0036] 本發(fā)明提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)路由單元2包括一個(gè)或 一個(gè)以上物聯(lián)網(wǎng)路由器21。
[0037] 本發(fā)明提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器單元3包括一個(gè) 或一個(gè)以上物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器31
[0038] 如圖2所示，本發(fā)明還提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的工作方法， 包括以下步驟：
[0039] 步驟一：物聯(lián)網(wǎng)傳感單元1實(shí)時(shí)測(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程的待測(cè)變量，將測(cè)量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 數(shù)據(jù)幀發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)路由單元2;
[0040] 步驟二：物聯(lián)網(wǎng)路由單元2接收物聯(lián)網(wǎng)傳感單元1發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，并將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換 為數(shù)據(jù)指令發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器單元3,數(shù)據(jù)幀由