本方案面向教学实训场景，融合物联网（IoT）、无人机（UAV）、沙盘仿真、PLC 控制四大核心技术，构建可视化、可交互、可拆解的教学平台，适配课堂演示、学生实操、故障模拟等教学需求，支持无人机飞行路径规划、环境数据采集、多设备联动等实训内容。
教学导向：兼顾无人机原理认知、物联网通信、沙盘场景模拟三大教学模块
虚实结合：1:50 物理沙盘 + 无人机真机 / 模拟器 + 物联网云平台 + 上位机监控界面
分层实训：支持基础认知、进阶实操、综合创新三个难度梯度的教学实训
| 原则 | 具体要求 |
|---|---|
| 模块化 | 各功能单元独立设计，支持按需拆卸重组（如沙盘场景、无人机模块、物联网网关） |
| 可视化 | 实时显示无人机飞行状态、传感器数据、沙盘环境信息，直观呈现物联网数据流转 |
| 安全性 | 配备无人机防撞围栏、紧急停机按钮，沙盘采用轻量化材质，保障实训安全 |
| 开放性 | 预留二次开发接口，支持学生自定义飞行任务、传感器部署、云平台数据分析 |
采用 “四层架构” 设计，实现从物理层到应用层的全链路数据互通：
物理沙盘层：1:50 比例仿真场景，含地形、基站、传感器节点、无人机起降平台
设备控制层：无人机（真机 / 模拟器）、PLC 控制器、物联网网关、各类传感器
通信传输层：4G/5G、WiFi、LoRa 多协议通信，实现设备间数据交互与云平台接入
教学应用层：上位机监控界面、云平台数据分析、实训考核系统
| 场景模块 | 核心组件 | 功能说明 |
|---|---|---|
| 地形环境 | 山地、平原、建筑模型、道路标识 | 模拟无人机巡检、配送的典型应用场景 |
| 物联网基站 | LoRa 网关、WiFi 热点、边缘计算节点 | 接收传感器数据，下发控制指令 |
| 传感器节点 | 温湿度传感器、空气质量传感器、红外传感器、摄像头 | 采集沙盘环境数据，模拟无人机巡检任务 |
| 无人机起降平台 | 磁吸式停机坪、充电接口、定位标识 | 无人机自动起降、电量补充、精准定位 |
| 联动设备 | 灯光模拟系统、闸机模型、仓储货架 | 响应无人机指令（如触发灯光告警、控制闸机开关） |
主体材质：高密度泡沫板（地形基底）+ 亚克力板（建筑模型）+ ABS 塑料（设备模型），轻量化且便于加工
工艺要求：地形高度差≤10cm（适配小型无人机飞行），传感器节点采用磁吸式安装（支持灵活部署），沙盘边框配备防护栏（防止无人机飞出）
| 类型 | 推荐型号 | 适用场景 | 核心参数 |
|---|---|---|---|
| 教学真机 | 大疆 Tello EDU | 基础飞行实训、编程控制 | 重量 80g，续航 13min，支持 Python 编程，配备视觉定位 |
| 工业仿真机 | 大疆 Mavic 3 行业版（缩比模型） | 场景演示、负载模拟 | 1:10 缩比，内置云台相机模型，支持路径规划仿真 |
| 飞行模拟器 | 凤凰模拟器（Phoenix RC） | 虚拟飞行训练 | 适配电脑端，支持无人机飞行姿态、故障模拟（如信号丢失、电量不足） |
| 设备类型 | 推荐型号 | 核心功能 | 通信协议 |
|---|---|---|---|
| PLC 控制器 | 西门子 S7-1200 CPU 1212C | 控制沙盘联动设备、无人机起降平台 | Modbus TCP |
| 物联网网关 | 华为 AR500 | 接入多类型传感器，实现边缘计算 | LoRa/WiFi/4G |
| 传感器 | 温湿度（DHT11）、红外（HC-SR501） | 采集环境数据，触发联动逻辑 | 串口 / LoRa |
| 上位机 | 工业平板电脑 | 运行监控界面，下发控制指令 | Ethernet |
传感器 → 物联网网关：通过 LoRa 协议传输环境数据（温湿度、空气质量），低功耗且覆盖范围广
网关 → PLC：通过 Modbus TCP 协议交互，PLC 接收传感器数据后控制沙盘联动设备（如灯光告警）
PLC → 上位机：通过以太网传输沙盘状态数据，上位机实时显示
上位机 → 无人机：通过 WiFi 下发飞行任务指令（如路径规划、巡检点设置），无人机上传飞行姿态数据
上位机设置巡检点（对应沙盘传感器节点位置），生成飞行路径
上位机下发起飞指令，无人机从起降平台起飞，按路径飞行
无人机到达巡检点后悬停，通过摄像头拍摄画面 + 接收传感器数据，上传至云平台
若检测到异常数据（如温湿度超标），PLC 触发沙盘灯光告警，无人机自动返航
完成巡检后，无人机自动降落至起降平台
预设 3 类常见故障，通过 PLC 程序注入，训练学生排查能力：
通信故障：切断网关与传感器的 LoRa 连接，模拟数据传输中断
无人机故障：模拟无人机电量不足、姿态异常，触发紧急返航逻辑
联动故障：PLC 下发指令后，沙盘设备无响应，排查指令传输链路
基于 Python + PyQt6 + MQTT 协议开发，集成沙盘可视化、无人机控制、数据监控、实训考核四大模块，支持与 PLC、物联网网关的实时交互。
| 模块名称 | 具体功能 |
|---|---|
| 沙盘 3D 可视化模块 | 1:1 还原物理沙盘场景，实时显示无人机位置、传感器数据、联动设备状态 |
| 无人机控制模块 | 支持手动 / 自动飞行模式切换，路径规划（点选式添加巡检点），紧急停机 |
| 物联网数据监控模块 | 实时显示传感器数据曲线，异常数据自动标注，历史数据查询与导出 |
| 教学实训模块 | 故障注入：选择故障类型下发至系统；实训记录：统计飞行任务完成度、故障排查时间；考核评分：自动生成实训报告 |
无人机原理认知：拆解无人机结构（飞控、电机、电池、传感器），演示飞行姿态与控制指令的关系
物联网通信认知：演示传感器数据从采集→传输→显示的全流程，对比 LoRa/WiFi/4G 协议的差异
无人机飞行控制：使用模拟器练习起飞、悬停、定点降落；使用真机完成预设路径巡检
PLC 联动控制：编写 PLC 程序，实现 “无人机检测到异常数据→触发沙盘灯光告警” 的联动逻辑
故障排查实训：教师注入通信故障 / 无人机故障，学生通过上位机监控数据，定位故障点并解决
自定义任务开发：学生自主设计巡检任务（如设置巡检点、配置异常阈值），验证任务完成效果
数据分析实训：导出物联网云平台的传感器数据，进行可视化分析，撰写实训报告
硬件部署流程
沙盘组装：搭建地形与场景模型，安装传感器节点与物联网基站
设备连接：传感器接入网关，网关与 PLC、上位机通过以太网连接，无人机与上位机通过 WiFi 配对
安全配置：安装无人机防撞围栏，测试紧急停机按钮功能
软件调试步骤
先运行虚拟仿真模式：不连接真机，通过模拟器验证路径规划、数据传输逻辑
再切换虚实联动模式：连接无人机真机，校准飞行位置与沙盘坐标的映射关系
最后进行故障模拟测试：注入预设故障，验证上位机告警与排查指引功能
教学适配调整
针对中职 / 高职学生：侧重实操训练，简化编程难度；针对本科学生：开放 PLC 程序与无人机编程接口，支持自主开发
增加数字孪生模块：基于 Unity3D 构建沙盘数字孪生模型，实现物理沙盘与虚拟模型的实时同步
接入云平台：使用阿里云 / 华为云 IoT 平台，支持多沙盘设备的远程监控与数据共享
开发移动端 APP：适配手机 / 平板，方便学生分组实训时查看数据与下发指令
构建教学资源库：配套无人机编程手册、PLC 程序案例、实训指导视频
