一種基于物聯(lián)網的理科實驗教學系統(tǒng)及其工作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及實驗教學應用領域，尤其涉及一種基于物聯(lián)網的理科實驗教學系統(tǒng)及 其工作方法。
【背景技術】
[0002] 物聯(lián)網是利用新一代信息技術，將傳感器等物品與互聯(lián)網連接起來，進行信息交 換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡。物聯(lián)網也被稱為繼計算 機、互聯(lián)網之后世界信息產業(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《電氣電子教學學報》發(fā)表的論文《一種物聯(lián)網教學實驗系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)》中采用 RFID標簽技術設計和開發(fā)了智能物流和智能醫(yī)護應用系統(tǒng)。劉佳等（2010)的論文中搭建 的物聯(lián)網教學系統(tǒng)，適用于物流和醫(yī)護領域，不是面向中學理科實驗教學領域。2008年東北 師范大學馮國松的碩士畢業(yè)論文《"中學理科仿真實驗系統(tǒng)"的研宄與設計》采用虛擬現(xiàn)實 技術設計和開發(fā)了中學理科實驗仿真軟件實驗平臺。馮國松（2008)論文中的實驗系統(tǒng)可 以模擬中學理科的實驗過程，用戶只需要在電腦上操作就可以在虛擬仿真環(huán)境下完成實驗 操作步驟。但此實驗系統(tǒng)無法從真實世界采集和獲取實驗數(shù)據(jù)，所有操作都是在軟件中完 成，也不具備物聯(lián)網的架構體系，無法為學習者提供真實、有效的理科實驗教學服務。

【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明克服了現(xiàn)有物聯(lián)網技術的應用瓶頸，面向理科實驗教學領域，設計了物聯(lián) 網路由器及其專有令牌通訊協(xié)議和專有物聯(lián)網路由通訊協(xié)議，實現(xiàn)了理科實驗數(shù)據(jù)的實時 采集、快速傳輸、網絡存儲、實時查詢和圖形化顯示、實驗數(shù)據(jù)分析和實驗報告填寫等功能， 提出了一種基于物聯(lián)網的理科實驗教學系統(tǒng)及其工作方法。
[0004] 本發(fā)明提出了一種基于物聯(lián)網的理科實驗教學系統(tǒng)，包括：物聯(lián)網傳感單元、物聯(lián) 網路由單元和物聯(lián)網服務器單元；其中，所述物聯(lián)網傳感單元與所述物聯(lián)網路由單元建立 連接，用于實時測量實驗過程的待測變量，將測量的數(shù)據(jù)轉換為數(shù)據(jù)幀發(fā)送給所述物聯(lián)網 路由單元；所述物聯(lián)網路由單元分別與所述物聯(lián)網傳感單元和所述物聯(lián)網服務器單元建立 連接，用于接收所述物聯(lián)網傳感單元發(fā)送的所述數(shù)據(jù)幀，并將所述數(shù)據(jù)幀轉換為數(shù)據(jù)指令 發(fā)送給所述物聯(lián)網服務器單元；所述物聯(lián)網服務器單元包括網絡數(shù)據(jù)庫和軟件程序；所述 網絡數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)用于存儲所述數(shù)據(jù)指令中的數(shù)據(jù)；所述軟件程序用于對所述網絡數(shù)據(jù)庫中 的數(shù)據(jù)進行實時查詢、分析、篩選、圖形化顯示和實驗報告的填寫。
[0005] 本發(fā)明提出的基于物聯(lián)網的理科實驗教學系統(tǒng)中，所述物聯(lián)網傳感單元包括一個 或一個以上物聯(lián)網傳感器。
[0006] 本發(fā)明提出的基于物聯(lián)網的理科實驗教學系統(tǒng)中，所述物聯(lián)網路由單元包括一個 或一個以上物聯(lián)網路由器。
[0007] 本發(fā)明提出的基于物聯(lián)網的理科實驗教學系統(tǒng)中，所述物聯(lián)網服務器單元包括一 個或一個以上物聯(lián)網服務器。
[0008] 本發(fā)明還提出了一種基于物聯(lián)網的理科實驗教學系統(tǒng)的工作方法，包括以下步 驟：
[0009] 步驟一：物聯(lián)網傳感單元實時測量實驗過程的待測變量，將測量的數(shù)據(jù)轉換為數(shù) 據(jù)幀發(fā)送給物聯(lián)網路由單元；
[0010] 步驟二：所述物聯(lián)網路由單元接收所述物聯(lián)網傳感單元發(fā)送的所述數(shù)據(jù)幀，并將 所述數(shù)據(jù)幀轉換為數(shù)據(jù)指令發(fā)送給物聯(lián)網服務器單元，所述數(shù)據(jù)幀由幀起始、數(shù)據(jù)和幀結 束組成；
[0011] 步驟三：所述物聯(lián)網服務器單元接收所述數(shù)據(jù)指令，并將所述數(shù)據(jù)指令中的數(shù)據(jù) 實時存儲到所述物聯(lián)網服務器單元的網絡數(shù)據(jù)庫中，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)和指令結束組成；
[0012] 步驟四：通過所述物聯(lián)網服務器單元的軟件程序對所述網絡數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行 實時查詢、分析、篩選、圖形化顯示和實驗報告的填寫。
[0013]本發(fā)明提出的基于物聯(lián)網的理科實驗教學系統(tǒng)的工作方法中，所述物聯(lián)網傳感單 元接收到所述物聯(lián)網路由單元發(fā)送的控制幀后，向所述物聯(lián)網路由單元發(fā)送所述數(shù)據(jù)幀。
[0014]本發(fā)明提出的基于物聯(lián)網的理科實驗教學系統(tǒng)的工作方法中，所述控制幀由幀起 始、令牌和幀結束組成。
[0015] 本發(fā)明提出的基于物聯(lián)網的理科實驗教學系統(tǒng)的工作方法中，所述物聯(lián)網路由單 元接收到所述物聯(lián)網服務器單元發(fā)送的控制指令后，向所述物聯(lián)網服務器單元發(fā)送所述數(shù) 據(jù)指令。
[0016] 本發(fā)明提出的基于物聯(lián)網的理科實驗教學系統(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、指令內容和指令結束組成。
[0017]本發(fā)明提出的基于物聯(lián)網的理科實驗教學系統(tǒng)的工作方法中，所述物聯(lián)網傳感單 元采用專有的令牌通訊協(xié)議接收所述物聯(lián)網路由單元發(fā)送來的控制幀，并通過所述物聯(lián)網 路由單元向所述物聯(lián)網服務器單元傳送測量數(shù)據(jù)。所述專有令牌通訊協(xié)議用于實現(xiàn)所述物 聯(lián)網傳感單元和所述物聯(lián)網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)網的理科實驗教學系統(tǒng)的工作方法中，所述物聯(lián)網路由單 元采用專有的物聯(lián)網路由通訊協(xié)議向所述物聯(lián)網服務器單元轉發(fā)所述物聯(lián)網傳感單元測 量的數(shù)據(jù)。所述專有物聯(lián)網路由通訊協(xié)議用于實現(xiàn)物聯(lián)網路由單元和物聯(lián)網服務器單元的 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)網的理科實驗教學系統(tǒng)及其工作方法中，所述物聯(lián)網服務 器單元用于分配計算資源，接收所述物聯(lián)網路由單元轉發(fā)的測量數(shù)據(jù)，將測量數(shù)據(jù)實時存 儲到所述物聯(lián)網服務器單元的網絡數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，通過實驗軟件程序實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的實時 查詢、篩選、圖形化顯示、實驗數(shù)據(jù)分析和實驗報告的填寫。
[0020] 本發(fā)明提出的基于物聯(lián)網的理科實驗教學系統(tǒng)及其工作方法中，所述步驟三中， 所述軟件程序將所述數(shù)據(jù)以采集時間和待測變量的測量數(shù)值的數(shù)據(jù)格式存儲到網絡數(shù)據(jù) 庫中。
[0021] 本發(fā)明提出的基于物聯(lián)網的理科實驗教學系統(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界面通過儀表盤的形式圖形化顯示所述待測變量的 測量數(shù)值；
[0023] 步驟b :所述軟件程序的人機界面通過數(shù)據(jù)表格的形式顯示所述待測變量的測量 數(shù)值；
[0024] 步驟c:所述軟件程序的人機交互界面上呈現(xiàn)理科實驗的教學知識；
[0025] 步驟d:用戶通過所述軟件程序的人機界面填寫實驗報告；
[0026] 步驟e:用戶通過所述軟件程序的人機界面提交所述實驗報告，所述實驗報告被 保存于所述網絡數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中。
[0027] 本發(fā)明中的軟件程序可以通過儀表盤的形式呈現(xiàn)理科實驗的待測變量的測量數(shù) 據(jù)，以圖形化的方式進行數(shù)據(jù)可視化，從而促進用戶理解和學習相關理科實驗知識。同時， 此軟件程序可以填寫實驗報告和保存到數(shù)據(jù)庫，方便任課教師批改實驗報告，提高教學效 率。
[0028] 本發(fā)明提出的基于物聯(lián)網的理科實驗教學系統(tǒng)及其工作方法，能實時采集各種理 科實驗數(shù)據(jù)，具有快速傳輸、網絡存儲、實時查詢和圖形化顯示、專有令牌通訊協(xié)議、專有物 聯(lián)網路由協(xié)議、實驗數(shù)據(jù)分析、實驗報告填寫、低功耗等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發(fā)明基于物聯(lián)網的理科實驗教學系統(tǒng)的結構示意圖。
[0030]圖2為本發(fā)明基于物聯(lián)網的理科實驗教學系統(tǒng)工作方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0031] 結合以下具體實施例和附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。實施本發(fā)明的過程、 條件、實驗方法等，除以下專門提及的內容之外，均為本領域的普遍知識和公知常識，本發(fā) 明沒有特別限制內容。
[0032] 圖1中，1-物聯(lián)網傳感單元，11-物聯(lián)網傳感器，2-物聯(lián)網路由單元，21-物聯(lián)網路 由器，3-物聯(lián)網服務器單元，31-物聯(lián)網服務器。
[0033] 如圖1所示，本發(fā)明提出了一種基于物聯(lián)網的理科實驗教學系統(tǒng)，包括：物聯(lián)網傳 感單元1、物聯(lián)網路由單元2和物聯(lián)網服務器單元3。
[0034] 其中，物聯(lián)網傳感單元1與物聯(lián)網路由單元2建立連接，用于實時測量實驗過程的 待測變量，將測量的數(shù)據(jù)轉換為數(shù)據(jù)幀發(fā)送給物聯(lián)網路由單元2。物聯(lián)網路由單元2分別與 物聯(lián)網傳感單元1和物聯(lián)網服務器單元3建立連接，用于接收物聯(lián)網傳感單元1發(fā)送的數(shù) 據(jù)幀，并將數(shù)據(jù)幀轉換為數(shù)據(jù)指令發(fā)送給物聯(lián)網服務器單元3。物聯(lián)網服務器單元3包括網 絡數(shù)據(jù)庫和軟件程序。網絡數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)用于存儲數(shù)據(jù)指令中的數(shù)據(jù)，軟件程序用于對網絡 數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行實時查詢、分析、篩選、圖形化顯示和實驗報告的填寫。
[0035] 本發(fā)明提出的基于物聯(lián)網的理科實驗教學系統(tǒng)中，物聯(lián)網傳感單元1包括一個或 一個以上物聯(lián)網傳感器11。
[0036] 本發(fā)明提出的基于物聯(lián)網的理科實驗教學系統(tǒng)中，物聯(lián)網路由單元2包括一個或 一個以上物聯(lián)網路由器21。
[0037] 本發(fā)明提出的基于物聯(lián)網的理科實驗教學系統(tǒng)中，物聯(lián)網服務器單元3包括一個 或一個以上物聯(lián)網服務器31
[0038] 如圖2所示，本發(fā)明還提出了一種基于物聯(lián)網的理科實驗教學系統(tǒng)的工作方法， 包括以下步驟：
[0039] 步驟一：物聯(lián)網傳感單元1實時測量實驗過程的待測變量，將測量的數(shù)據(jù)轉換為 數(shù)據(jù)幀發(fā)送給物聯(lián)網路由單元2;
[0040] 步驟二：物聯(lián)網路由單元2接收物聯(lián)網傳感單元1發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，并將數(shù)據(jù)幀轉換 為數(shù)據(jù)指令發(fā)送給物聯(lián)網服務器單元3,數(shù)據(jù)幀由