礦業(yè)特色院校的物聯(lián)網(wǎng)實踐基地建設(shè)研究

鐘鳴宇 洪炎 胡長俊 蘇靜明

摘要：文中闡述了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的多樣性所造成的教學(xué)困難，說明了建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)基地的重要性。分析了以采礦為特色院校，面對不同專業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)對應(yīng)的教學(xué)目標，得出了面對不同層次、不同目標的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)需要的實踐條件的配備。重點說明了通信、物聯(lián)網(wǎng)等對物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)教學(xué)要求較高的專業(yè)畢業(yè)生所應(yīng)具備的素質(zhì)，完成復(fù)雜工程所需要掌握的各種工具，最終得出了實踐基地建設(shè)所應(yīng)具備的要素，為礦業(yè)特色院校建設(shè)和使用實踐基地提供參考。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)教育；礦業(yè)特色院校；復(fù)雜工程；實踐基地建設(shè)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是繼互聯(lián)網(wǎng)之后，信息科技產(chǎn)業(yè)的第三次革命，為了滿足對物聯(lián)網(wǎng)人才的需求，國內(nèi)有條件的高校紛紛開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)。由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用廣泛，且涉及電子、通信等學(xué)科中的大量知識，以教材為主線容易讓學(xué)生學(xué)得很多，但是學(xué)得不是很精細，難以勝任具體工作。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一項極其依賴行業(yè)應(yīng)用背景的技術(shù)，在沒有具體應(yīng)用背景的前提下，容易讓物聯(lián)網(wǎng)知識顯得空洞。同時，教學(xué)實踐環(huán)節(jié)以及實訓(xùn)平臺建設(shè)相對薄弱，進一步提高了物聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)的難度。

如果以具體的應(yīng)用背景為主線把知識點與行業(yè)應(yīng)用結(jié)合起來，使物聯(lián)網(wǎng)知識更加生動、具體、系統(tǒng)，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從宏觀上把握物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的全貌，提高學(xué)習(xí)效果。為此，我們與華清遠見展開校企合作，進行了物聯(lián)網(wǎng)實踐基地建設(shè)的研究，在增購設(shè)備和軟件，建設(shè)實踐基地的過程中考慮到以下問題：

（1）實踐基地的建設(shè)方向是為我校培養(yǎng)目標服務(wù)。

（2）建設(shè)內(nèi)容應(yīng)服從課堂教學(xué)的課程體系，并滿足行業(yè)應(yīng)用的需要。

（3）建成一個面向不同專業(yè)、不同層次的學(xué)生，滿足多層次、多目標的實踐需求。

本文將對以上問題進行詳細的分析。

一、建設(shè)方向

由于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景、技術(shù)、設(shè)備種類繁多，課堂時間內(nèi)難于掌握所有知識。如果對特定設(shè)備和技術(shù)過度深入，容易造成學(xué)習(xí)內(nèi)容偏頗，難以了解物聯(lián)網(wǎng)的全貌。因此，需要對實踐基地的軟硬件配置進行取舍。

在以煤炭為地方經(jīng)濟主要來源的城市的地方院校，適合將煤礦物聯(lián)網(wǎng)作為研究對象。經(jīng)典的物聯(lián)網(wǎng)由感知層、傳輸層和應(yīng)用層這三層構(gòu)成，在通信、電子和計算機等非物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的培養(yǎng)計劃中，所有的和物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的知識都在“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”這一門課程當中完成，決定了不能詳細講解三層結(jié)構(gòu)的所有內(nèi)容，只能根據(jù)具體的專業(yè)對某一部分的內(nèi)容進行深入介紹。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，要求學(xué)生能對礦山物聯(lián)網(wǎng)進行需求分析，并能設(shè)計、部署、維護物聯(lián)網(wǎng)。實踐基地建設(shè)應(yīng)朝著滿足物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)培養(yǎng)需求的方向進行。

二、建設(shè)內(nèi)容

非物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的畢業(yè)生實踐教學(xué)過程中，應(yīng)強調(diào)基本技能的掌握。對于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的實踐教學(xué)過程中，應(yīng)強調(diào)系統(tǒng)整體及各部分軟硬件的開發(fā)能力。以下根據(jù)如何界定物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)知識的邊界，實踐基地如何適應(yīng)課程體系的要求進行了研究。一個煤礦物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)案例如圖1所示：

經(jīng)典的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)包括感知層、傳輸層和應(yīng)用層三層結(jié)構(gòu)，根據(jù)應(yīng)用的復(fù)雜程度，也可將其分為四層甚至五層結(jié)構(gòu)。本文采用三層結(jié)構(gòu)，對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的相關(guān)課程進行梳理，探討物聯(lián)網(wǎng)實踐基地建設(shè)的具體內(nèi)涵。

（一）感知層

物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通過感知層獲取信息。感知層主要包括自動識別技術(shù)、傳感器技術(shù)、定位技術(shù)。常用識別技術(shù)包括語音識別、光符號識別、生物計量識別、IC卡技術(shù)、條形碼技術(shù)、射頻識別技術(shù)。

由于語音、生物計量識別發(fā)展較快，主流的識別技術(shù)基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，難度較大且需要的基礎(chǔ)知識較多。為了反映技術(shù)發(fā)展的最新成果，應(yīng)該簡單介紹深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的原理，開發(fā)簡單的示例：如手寫體識別，讓學(xué)生對基于深度學(xué)習(xí)的識別算法有一個基礎(chǔ)的認識。作為了解的內(nèi)容，介紹深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)在語音識別、指紋識別、虹膜識別等領(lǐng)域的應(yīng)用。

在礦山當中，IC卡技術(shù)、條形碼技術(shù)和射頻識別技術(shù)應(yīng)用非常廣泛。IC卡技術(shù)，常作為煤礦職工在礦山當中的一卡通來使用。射頻識別技術(shù)，可用于對人員和膠輪車進行識別和定位，在生產(chǎn)管理、煤礦瓦斯安全巡檢、安全事故搶險救災(zāi)上發(fā)揮著巨大的作用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的先導(dǎo)課程一般包含了模擬電路、數(shù)字電路、單片機、嵌入式系統(tǒng)，有能力掌握從原理到具體的硬件和軟件，應(yīng)將這三項技術(shù)作為訓(xùn)練的重點。

在煤礦當中，需要監(jiān)測的物理量包括瓦斯、二氧化氮、二氧化硫濃度和一氧化碳濃度、粉塵濃度、溫度、風(fēng)速風(fēng)壓、管道流量、煙霧、液體位置等物理量。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)已先期開設(shè)了“傳感器技術(shù)”，并配套了實驗，不需要再深入探討各種傳感器原理。而對于非物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，也不需要深入了解傳感器的原理，能夠正確寫出驅(qū)動程序就達到目的。考慮到視頻監(jiān)控在煤礦中的重要性，應(yīng)介紹圖像傳感器的應(yīng)用。由于實踐基地當中同時使用的人員較多，不能安排訓(xùn)練瓦斯、二氧化氮等有毒、易燃的氣體傳感器。選擇粉塵濃度、溫度、煙霧等幾個試驗進行硬件配置。鑒于瓦斯、二氧化氮等危險氣體傳感器在煤礦安全生產(chǎn)當中的重要性，放到研究生階段或相關(guān)企業(yè)實習(xí)時再學(xué)習(xí)。感知層進行的實踐項目及配備的硬件如表1所示，全程默認配置Keil開發(fā)系統(tǒng)。

（二）網(wǎng)絡(luò)層

煤礦通信網(wǎng)絡(luò)是一種典型的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。不同文獻將物聯(lián)網(wǎng)分為四層甚至五層結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的OSI七層模型，方便了大型網(wǎng)絡(luò)的管理。由于井下條件惡劣，物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議通常是跨層的，網(wǎng)絡(luò)層大致相當于OSI七層模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層的功能。因此，物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)該包含不同通信協(xié)議之間的相互轉(zhuǎn)換。在煤礦物聯(lián)網(wǎng)中，常采用Zigbee和Wi-Fi等無線通信技術(shù)傳遞傳感器獲取的信號。4G/5G移動通信技術(shù)在煤礦中也有應(yīng)用，然而鑒于該技術(shù)價格高昂，且技術(shù)復(fù)雜，不適合作為面向一般本科生的實踐內(nèi)容。

通信骨干網(wǎng)一般為光纖以太環(huán)網(wǎng)，需要簡要介紹光纖通信的原理及系統(tǒng)構(gòu)成。在不涉及具體的通信協(xié)議的前提下，利用OSI模型來講解光纖通信的過程。光纖通信對應(yīng)OSI傳統(tǒng)模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議常使用IPv4/IPv6。煤礦物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的融合，實踐內(nèi)容應(yīng)包含將ZigBee、Wi-Fi和IPv4/IPv6通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。表2給出了網(wǎng)絡(luò)層實踐項目及對應(yīng)的硬件配置。其中CC2530模塊搭載ZigBee通信協(xié)議。

（三）應(yīng)用層

企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的主要內(nèi)容是網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化。應(yīng)開發(fā)一個綜合管理系統(tǒng)，能查看并管理各種礦山數(shù)據(jù)。礦山數(shù)據(jù)包括礦山地理地質(zhì)圖、煤炭儲量、虛擬礦山模型、人員位置、環(huán)境監(jiān)測、應(yīng)急管理等各種數(shù)據(jù)。根據(jù)常見礦山管理系統(tǒng)包含的功能，選擇了以下數(shù)據(jù)作為管理對象：虛擬礦山模型、人員及礦車狀態(tài)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。

使用ArcCis開發(fā)虛擬的礦山模型，使用C++作為開發(fā)語言，實現(xiàn)人員和礦車定位，在保證基本功能的情況下功能應(yīng)盡可能簡單。將實踐基地所在的教室虛擬成礦井當中的巷道，當學(xué)生在教室中各處行走的時候，能在綜合管理系統(tǒng)的子系統(tǒng)中，觀察到學(xué)生的位置及各項身體數(shù)據(jù)。同時，在其他的子系統(tǒng)中，能夠查看特定位置的傳感器數(shù)據(jù)，以及視頻監(jiān)控圖像。利用輕量化的數(shù)據(jù)庫MySQL對IC卡的刷卡記錄、人員的位置信息、視頻信息等內(nèi)容進行存儲。表3給出了應(yīng)用層的實踐教學(xué)內(nèi)容及開發(fā)所需要的軟件配置。默認在Windows操作系統(tǒng)下運行。

三、建設(shè)目標

為滿足不同專業(yè)、不同深度的物聯(lián)網(wǎng)實踐要求，提高設(shè)備的使用效率，硬件需要具備較好模塊性。為了滿足物聯(lián)網(wǎng)和其他專業(yè)優(yōu)秀學(xué)生深入學(xué)習(xí)的需要，應(yīng)能滿足開發(fā)底層硬件模塊的需求。同時，需要配置不同的軟件及開發(fā)工具。需要準備兩套源代碼，其中一套為簡單模型，方便了解應(yīng)用程序的基本功能。另外一套介紹一個物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的完整案例，用作學(xué)生的實訓(xùn)任務(wù)或作為畢業(yè)設(shè)計的參考。

根據(jù)前文的分析，實踐基地的建設(shè)目標為：建成多套模塊化設(shè)計的，包含礦山物聯(lián)網(wǎng)所有環(huán)節(jié)的實訓(xùn)系統(tǒng)，具備較強的可擴展性，能直接滿足從非物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)本科課程的課內(nèi)實驗，到以物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計的要求。經(jīng)過特定擴展，能滿足物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)研究方向碩士研究生的使用需求。利用實踐基地中的硬件和軟件，能夠構(gòu)造一個如圖2所示的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)案例，作為復(fù)雜工程供學(xué)生實踐。

圖2中的虛線表示無線通信方式。作為一所以煤炭為特色的院校，淮南礦業(yè)集團為學(xué)生提供了較多的實習(xí)和就業(yè)機會。集團公司與企業(yè)共同開發(fā)的“基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的煤礦安全生產(chǎn)指揮系統(tǒng)”，具備強大完整的煤礦監(jiān)測管理功能。將實踐案例作為課內(nèi)實驗和實際工作的中間過渡環(huán)節(jié)，讓學(xué)生從學(xué)校到工作崗位的轉(zhuǎn)換過程更加容易。

結(jié)語

本文分析了目前物聯(lián)網(wǎng)理論教學(xué)的問題，提出了建立以采礦業(yè)為背景的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)體系。基于教學(xué)目標、課程體系、行業(yè)應(yīng)用背景等方面的考慮，以及實踐基地的實際情況設(shè)置實踐內(nèi)容，并根據(jù)實踐內(nèi)容配置硬件和軟件。對實踐基地的作用進行了定位：面向本科生的實踐教學(xué)，是課內(nèi)實驗課程和正式工作之間的中間環(huán)節(jié)。實踐基地應(yīng)具備一定的軟硬件環(huán)境，能讓學(xué)生完成具有一定復(fù)雜度的物聯(lián)網(wǎng)工程，了解完整的軟硬件開發(fā)流程，并掌握其中部分。軟硬件并應(yīng)具備較好的擴展能力，簡單擴展后，能滿足研究生的研究需要。

作者簡介：鐘鳴宇（1982-），男，漢族，四川綿陽人，博士，講師，研究方向：專業(yè)建設(shè)研究。