实验简介
智慧消防系统基于传统消防技术，融合了传感器、通信、大数据、人工智能等技术，成为火灾隐患治理最有效的解决手段。基于物联网的智慧消防系统结构复杂、系统庞大、部署困难、成本高，且消防火灾实验具有高危险性。基于孙桂玲教授承担的首批国家级新工科研究与实践项目“智慧城市专业建设探索与实践”和天津市教改课题“智慧消防物联网虚拟仿真实验”，结合物联网教学实践，研发了以智慧消防为应用场景的虚拟仿真实验。体现了最新的研究成果，在虚拟环境下，探索智慧消防物联网的整体架构和最新技术，培养学生解决复杂工程问题的创新能力和“人民生命安全高于一切”的社会责任感。
本实验建设紧紧围绕习近平总书记关于强化实践育人工作的重要指示精神，针对物联网多学科融合、面向系统级工程应用的特点，以社会需求为背景，以工程项目为导向，通过智慧消防工程项目，学习物联网的关键技术和整体架构，培养学生运用物联网理论分析解决实际工程应用问题的能力，通过“大班授课、小班研讨”的方式，让学生进行自主学习与探索式学习，激发学生的创造性。
本实验具有一体多用的特点，能够满足多种学习者的学习需求:对于专业学习者，可以采用虚实结合的方式，增加学习深度与广度﹔对于中小学生，可以面向他们进行科普教育，使他们了解物联网的前沿科技﹔对于普通本科生，乃至社会人员，可以进行虚拟消防演练，学习消防常识，提高安全意识。
本实验在设计的过程中，始终针对本科教学的特点，对实验内容进行了筛选、优化和凝练，特别适用于本科教学。本实验对于知识点的覆盖面广，能够提高本科学生的综合能力和科研素养，为他们在这个领域的深造和实践打下坚实的基础。
实验教学目标
通过本实验，学生应理解和掌握的内容包括:
(1)了解物联网工程项目开发一般流程， 从应用需求分析，到整体方案设计、功能设计、系统集成、系统测试、系统部署等一系列环节。深刻理解物联网技术“以数据为基础，以服务为中心”，与应用场景之间的关系。
(2)熟悉物联网的基本组成,理解感知层、传输层、应用层的功能。建立起整个物联网系统设计的概念。
(3)理解物联网感知层的含义。了解多种无线传感器的工作原理、传感器节点的组成与功能，掌握无线传感器控制与调试方式;掌握温湿度、烟感传感器、有毒气体传感器等传感器的原理及应用;能够在虚拟环境中,利用传感器、处理器、通信模组等多类型虚拟硬件，自主设计多种智能无线传感节点。
(4)理解物联网传输层的含义。了解和掌握物联网网络路由协议及物联网数据交换技术，包括物联网数据链路层互联技术、物联网的网络管理技术等等;掌握物联网传输层的仿真设计技术;掌握NB-IoT、 Lora、Zigbee等 多种无线网络通信技术以及典型应用;针对不同应用场景和组网需求，设置虚拟中继路由和云服务器,构建智慧消防物联网系统。通过多类型无线传感节点的自由部署，仿真多种组网方式。
(5)理解物联网应用层的含义。通过智慧消防虚拟仿真项目，了 解物联网工程应用的特点，学习物联网应用的设计方法。
(6)基于虛拟仿真平台进行虚拟消防演练，学习消防常识。
综合以上物联网原理与技术，掌握智慧消防这一典型物联网应用 ,通过实践加深对物联网理论和实践的理解。
实验原理
(1）实验原理:
物联网体系结构分为三层，即感知层、网络层和应用层,如图1所示。感知层主要完成信息的采集、转换和收集，网络层主要完成信息传递和处理，应用层主要完成数据的管理和数据的处理，并将这些数据与行业应用相结合。
1)感知层感知层犹如人的感知器官，物联网依靠感知层识别物体和采集信息。感知层包括信息采集和通信子网两个子层。感知层的主要组成部件有传感器和传感器网关。智慧消防系统自动采集消防系统中各类数据信息，实现智慧消防物联网节点中的温度、湿度、烟感等各项数据的获取及上传。传感节点的结构设计主要包括:处理器、传感器、通信模块、电源供电等单元。
2)网络层感知层获取信息后，依靠网络层进行传输。目前网络层的主题是互联网、网络管理系统和计算平台，也包括各种异构网络、私有网络。网络层主要包括NB-IoT、Lora、Zigbee等多种网络通信与组网技术。
3）应用层应用层是物联网和用户的接口，能够针对不同用户、不同行业的应用，提供相应的管理平台和运行平台并与不同行业的专业知识和业务模型相结合，实现更加准确和精细的智能化信息管理。应用层应包括数据智能处理子层、应用支撑子层，以及各种具体物联网应用。应用层作为物联网技术与消防专业技术的深度融合，结合行业需求实现消防的智能化，消防物联网应用层利用分析处理后的感法D政数据，为用户提供丰富的特定服务。通过实验，使学生了解物联网的典型应用。
本实验从物联网的感知层、传输层和应用层这三层分别进行仿真，主要内容包括物联网的基本概念，物联网的体系结构，物联网的关键技术，其中涉及传感器技术、无线传感器网络、无线通信技术、数据库技术等，以及物联网的智能应用。本实验要求学生在了解物联网技术起源和发展的基础上，掌握物联网的概念、整体架构、关键技术，了解其广泛的应用。
知识点:共12个1.物联网体系结构2.智慧消防物联网体系结构3.智慧消防物联网无线传感节点的虚拟设计4.传感器的原理5.智慧消防物联网涉及的传感器6.处理器的知识7.通讯模块的原理8.物联网传输通信协议9．智慧消防传感节点部署原理10.物联网网络层设计原理11.发生火灾时逃生策略12.实际信息和虚拟平台实时交互(2)核心要素仿真设计:
本实验采用智慧消防为应用场景，核心要素仿真遵循物联网建设的三层网络结构，即感知层、传输层和应用层。
感知层通过模拟感知识别技术自动采集各类数据信息，让学生在虚拟环境中，利用传感器、处理器、通信模组等多类型虚拟硬件，自主设计多种智能无线传感节点，仿真了智慧消防物联网节点中的温度、湿度、烟感等各项数据的获取及上传。
传输层针对不同应用场景和组网需求，设置虚拟中继路由和云服务器，构建智慧消防物联网系统。通过多类型无线传感节点的自由部署，仿真多种组网方式，如NB-loT、Lora、Zigbee等。
应用层模拟了智慧消防这一物联网的典型应用，包括虚拟电气火灾应急处理实验和虚拟引导逃生实验，模拟了火灾发生、火情感知、数据传输、云服务器信息发布、语音和信息手机推送的互动式消防全过程。
实验教学过程及实验方法
(1)实验教学过程本实验的实施过程包括三个阶段:
第一阶段:课前导引。教师秉承南开大学“允公允能，日新月异”的百年校训，结合我国目前物联网与智慧消防的发展情况，向学生介绍项目背景，激发学生学习兴趣，引导学生立足社会需要,解决现实问题。引导并要求学生在了解项目背景的基础，上，组织学生进行现场调研,并分析现场消防系统的关键点与不足，提出目前消防领域遇到的问题，鼓励学生探索基于物联网的智慧化的解决方案;提出项目可能采用的物联网技术的难点，鼓励学生进行深入的探索学习。同时让学生分组进行内部讨论与组间交流，形成初步的学习思路。
第二阶段:虚拟实验。主要采用课堂教学的形式,教师讲解物联网与智慧消防相关的基础知识，帮助学生建立物联网系统应用架构知识体系，将综合性任务进行任务分解，介绍本实验的重点与难点。学生们在进行专业学习时，可配合硬件进行线下实验，虚实结合，提高知识的广度与深度。
第三阶段:课后交流。基于“小班研讨”，采用项目汇报的形式，鼓励学生积极思考、交流共享、互相质疑，通过学生之间的共同学习、分享经验达到对实验结果的深入理解,增强学生思维的批判性、敏捷性和深刻性。在实验的基础上,形成项目报告。采用“师生互评”的机制，及时发现学生的学习需求,进行教学内容与教学方法的动态调整,师生“相互激发、相互促进”。同时为学有余力的同学进行项目的延伸,结合虚拟仿真实验，利用硬件实验设备，进行“虚实结合”的实验，比如学习智慧消防电气火灾监控系统,联网型独立式烟感监控系统的设计与应用等。
(2)实验方法.
本实验采用的是任务驱动式和自主探索式实验教学法，体现了以学生为主体的实验教学理念。
1)任务驱动式实验教学法本实验根据物联网三层结构，自然地分成了不同结构下的虚拟仿真任务。在实验教学过程中，教师在讲授过程中，明确每一-层的任务目标，将实验教学内容贯穿于各个任务当中，以学生有效完成任务、充分掌握任务所对应的知识点为考核标准，使实验教学过程更具自主性和挑战性，有助于学生将理论知识与实验内容相结合，所掌握技能与具体应用情境相联系,有利于激发学生的学习兴趣和实践热情,能够有效培养学生自主设计、创新实践的意识和能力。
2)基于“小班研讨”的自主探索式教学法自主探索式教学是指,学生在教师的指导下,在“大班授课”前期进行现场调研，发现问题、分析问题;在“大班授课”后期，通过“小班研讨”的形式，引导学生针对自身兴趣进行深入研究，利用智慧消防的知识，结合不同场景的实际情况，分析问题、解决问题;鼓励学生积极思考、交流共享、互相质疑，通过学生之间的共同学习、分享经验达到对智慧消防物联网技术的深入理解。在这个过程中，学生自觉地去探索基于智慧消防的物联网系统三层结构的设计需求和设计方案，在探索中主动加深理解、开阔视野、积累知识，最终达到学生自主探索式学习的目的。