（1）实验原理

本虚拟仿真实验以畜禽养殖环境——养猪场——为实际应用背景，按照物联网体系架构的三个层次——感知层、网络层和应用层——分成三个主要部分，每个部分均涉及到物联网技术课程中的若干技术概念及其实现原理，主要包括拓扑结构、基础设备、无线通信、有线通信、传感器集成、传感器部署、数据分析、APP和系统架构等9个实验模块，本实验共计15个步骤，实验原理如下：

①感知层各种感知设备技术及原理

感知层设备主要包括各种传感器和控制器等。无线传感器作为数据采集设备，一般由传感模块、处理模块、通信模块和电源模块等部分组成，构成基于输入量、敏感元件、转换元件、信号调节转换电路、输出量等的功能结构，用于采集各种环境参数如温度、湿度、氨气、氧气、甲烷、硫化氢、甲醛、光照等，另外还包括射频识别等相关设备，如RFID（射频识别）标签、阅读器等；机器视觉系统用于获取管控对象的图像及视频等数据，主要由照明灯、摄像头等设备构成；控制器用于控制应用环境中的各种环境调控设备如鼓风机、氧气泵、空调等；特殊应用场景里还包括门禁、定位等功能性设备，如指纹/人脸识别门禁系统、GPS（全球定位系统）/北斗定位系统。

②网络层各种网络设施及其技术原理

网络层通过有线/无线网络上送感知层设备的采集数据和下发应用层的控制命令等。网络设施包括但不限于中继器、汇聚节点、网关、基站等，可以采用有线或无线连接方式进行组网；有线通信方式中，通过IPv4/IPv6、RS232、RS485、USB、双绞线（RJ45）、光纤等通信介质和手段进行数据传输；无线通信方式可以分为短距离和中远距离两种，短距离通信技术有红外线、蓝牙、ZigBee、WiFi、NB-IoT、LORA等，中远距离通信技术包括3G/4G/5G等。

③应用层各种应用设计与开发

应用层通过各种应用系统处理网络层上送的感知层设备采集的各种数据，并将用户需求转化为控制命令通过网络层下发给感知层设备。应用系统运行于计算机和手机等多种智能终端设备，通过可视化界面实现数据存储、分析、展示及决策支持等。应用系统设计与开发技术主要包括面向对象程序设计、Web前后端开发、数据库、数据分析、数据可视化等。

④物联网拓扑结构及其应用相关性

根据物联网感知层、网络层和应用层的三层体系架构以及实际应用环境需要，构建基于传感器节点、中继、汇聚节点、网关、基站、服务器等设备设施的网络拓扑结构，特别重视各种设备设施的选型、部署及连接等环节。通过本仿真实验巩固和深化物联网技术理论和应用知识，以具备在不同应用领域和应用环境中构建物联网管控系统的知识和技能。

知识点：共9个。

①物联网拓扑搭建

②基础设备选型及部署

③无线通信方式及选型

④有线通信方式及选型

⑤传感器集成

⑥传感器部署

⑦数据分析

⑧APP智能控制

⑨物联网系统架构

（2）核心要素仿真设计

基于智慧养殖行业实际应用需求，在对生猪养殖环境进行仿真的基础上，本实验对物联网技术及应用要素进行仿真设计，核心仿真要素包括：

①感知层仿真要素：无线传感器组成结构（传感模块、处理模块、通信模块、电源模块）、智慧养殖管控使用的各种传感器实体（如温度、湿度、氨气、氧气、甲烷、硫化氢、光照等）、控制器及环境调控设备（如门禁、风机、氧气泵、门窗、灯等）、门禁系统（人脸、指纹识别设备）、条码阅读器（一维条形码、二维码）、RFID标签（标签及阅读器）、机器视觉系统（获取图像和视频数据，如摄像头等）。

②网络层仿真要素：网络基础设施（中继器、汇聚节点、网关、基站）、有线网络连接方式（IPv4/IPv6、RS232、RS485、USB、双绞线（RJ45）、光纤等）、无线网络连接方式（短距离通信技术有蓝牙、ZigBee、WiFi、NB-IoT、LORA等，中远距离通信技术包括3G/4G/5G等）。

③应用层仿真要素：基于计算机和移动终端的应用系统（数据存储、数据分析、数据展示、决策支持等）。

④网络拓扑结构及应用场景仿真：本实验以生猪养殖环境为实际应用场景，通过虚拟仿真技术将物联网智慧养殖真实室内外生产场景进行可视化，同时实现不同应用场景下的扩展，包括设备选型、部署、连接以及网络体系架构和网络拓扑结构。