礦業特色院校的物聯網實踐基地建設研究

鐘鳴宇 洪炎 胡長俊 蘇靜明

摘要：文中闡述了物聯網應用的多樣性所造成的教學困難，說明了建設物聯網實訓基地的重要性。分析了以采礦為特色院校，面對不同專業的物聯網教學對應的教學目標，得出了面對不同層次、不同目標的物聯網教學需要的實踐條件的配備。重點說明了通信、物聯網等對物聯網實訓教學要求較高的專業畢業生所應具備的素質，完成復雜工程所需要掌握的各種工具，最終得出了實踐基地建設所應具備的要素，為礦業特色院校建設和使用實踐基地提供參考。

關鍵詞：物聯網教育；礦業特色院校；復雜工程；實踐基地建設

物聯網技術是繼互聯網之后，信息科技產業的第三次革命，為了滿足對物聯網人才的需求，國內有條件的高校紛紛開設物聯網專業。由于物聯網技術應用廣泛，且涉及電子、通信等學科中的大量知識，以教材為主線容易讓學生學得很多，但是學得不是很精細，難以勝任具體工作。物聯網技術是一項極其依賴行業應用背景的技術，在沒有具體應用背景的前提下，容易讓物聯網知識顯得空洞。同時，教學實踐環節以及實訓平臺建設相對薄弱，進一步提高了物聯網學習的難度。

如果以具體的應用背景為主線把知識點與行業應用結合起來，使物聯網知識更加生動、具體、系統，有利于提高學生的學習興趣，從宏觀上把握物聯網技術的全貌，提高學習效果。為此，我們與華清遠見展開校企合作，進行了物聯網實踐基地建設的研究，在增購設備和軟件，建設實踐基地的過程中考慮到以下問題：

（1）實踐基地的建設方向是為我校培養目標服務。

（2）建設內容應服從課堂教學的課程體系，并滿足行業應用的需要。

（3）建成一個面向不同專業、不同層次的學生，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、建設方向

由于物聯網應用場景、技術、設備種類繁多，課堂時間內難于掌握所有知識。如果對特定設備和技術過度深入，容易造成學習內容偏頗，難以了解物聯網的全貌。因此，需要對實踐基地的軟硬件配置進行取舍。

在以煤炭為地方經濟主要來源的城市的地方院校，適合將煤礦物聯網作為研究對象。經典的物聯網由感知層、傳輸層和應用層這三層構成，在通信、電子和計算機等非物聯網專業的培養計劃中，所有的和物聯網相關的知識都在“物聯網技術”這一門課程當中完成，決定了不能詳細講解三層結構的所有內容，只能根據具體的專業對某一部分的內容進行深入介紹。物聯網專業，要求學生能對礦山物聯網進行需求分析，并能設計、部署、維護物聯網。實踐基地建設應朝著滿足物聯網專業培養需求的方向進行。

二、建設內容

非物聯網專業的畢業生實踐教學過程中，應強調基本技能的掌握。對于物聯網專業的實踐教學過程中，應強調系統整體及各部分軟硬件的開發能力。以下根據如何界定物聯網專業知識的邊界，實踐基地如何適應課程體系的要求進行了研究。一個煤礦物聯網系統案例如圖1所示：

經典的物聯網系統包括感知層、傳輸層和應用層三層結構，根據應用的復雜程度，也可將其分為四層甚至五層結構。本文采用三層結構，對物聯網專業的相關課程進行梳理，探討物聯網實踐基地建設的具體內涵。

（一）感知層

物聯網絡通過感知層獲取信息。感知層主要包括自動識別技術、傳感器技術、定位技術。常用識別技術包括語音識別、光符號識別、生物計量識別、IC卡技術、條形碼技術、射頻識別技術。

由于語音、生物計量識別發展較快，主流的識別技術基于人工神經網絡，難度較大且需要的基礎知識較多。為了反映技術發展的最新成果，應該簡單介紹深度學習網絡的原理，開發簡單的示例：如手寫體識別，讓學生對基于深度學習的識別算法有一個基礎的認識。作為了解的內容，介紹深度學習網絡在語音識別、指紋識別、虹膜識別等領域的應用。

在礦山當中，IC卡技術、條形碼技術和射頻識別技術應用非常廣泛。IC卡技術，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，可用于對人員和膠輪車進行識別和定位，在生產管理、煤礦瓦斯安全巡檢、安全事故搶險救災上發揮著巨大的作用。物聯網技術的先導課程一般包含了模擬電路、數字電路、單片機、嵌入式系統，有能力掌握從原理到具體的硬件和軟件，應將這三項技術作為訓練的重點。

在煤礦當中，需要監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、風速風壓、管道流量、煙霧、液體位置等物理量。物聯網專業已先期開設了“傳感器技術”，并配套了實驗，不需要再深入探討各種傳感器原理。而對于非物聯網專業，也不需要深入了解傳感器的原理，能夠正確寫出驅動程序就達到目的。考慮到視頻監控在煤礦中的重要性，應介紹圖像傳感器的應用。由于實踐基地當中同時使用的人員較多，不能安排訓練瓦斯、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當中的重要性，放到研究生階段或相關企業實習時再學習。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開發系統。

（二）網絡層

煤礦通信網絡是一種典型的異構網絡。不同文獻將物聯網分為四層甚至五層結構。傳統的OSI七層模型，方便了大型網絡的管理。由于井下條件惡劣，物聯網通信協議通常是跨層的，網絡層大致相當于OSI七層模型中的物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層的功能。因此，物聯網的網絡層應該包含不同通信協議之間的相互轉換。在煤礦物聯網中，常采用Zigbee和Wi-Fi等無線通信技術傳遞傳感器獲取的信號。4G/5G移動通信技術在煤礦中也有應用，然而鑒于該技術價格高昂，且技術復雜，不適合作為面向一般本科生的實踐內容。

通信骨干網一般為光纖以太環網，需要簡要介紹光纖通信的原理及系統構成。在不涉及具體的通信協議的前提下，利用OSI模型來講解光纖通信的過程。光纖通信對應OSI傳統模型的物理層和數據鏈路層，其網絡層協議常使用IPv4/IPv6。煤礦物聯網與傳統通信網絡的融合，實踐內容應包含將ZigBee、Wi-Fi和IPv4/IPv6通信協議的轉換。表2給出了網絡層實踐項目及對應的硬件配置。其中CC2530模塊搭載ZigBee通信協議。

（三）應用層

企業物聯網建設的主要內容是網絡化和數字化。應開發一個綜合管理系統，能查看并管理各種礦山數據。礦山數據包括礦山地理地質圖、煤炭儲量、虛擬礦山模型、人員位置、環境監測、應急管理等各種數據。根據常見礦山管理系統包含的功能，選擇了以下數據作為管理對象：虛擬礦山模型、人員及礦車狀態監測、環境監測數據。

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

三、建設目標

為滿足不同專業、不同深度的物聯網實踐要求，提高設備的使用效率，硬件需要具備較好模塊性。為了滿足物聯網和其他專業優秀學生深入學習的需要，應能滿足開發底層硬件模塊的需求。同時，需要配置不同的軟件及開發工具。需要準備兩套源代碼，其中一套為簡單模型，方便了解應用程序的基本功能。另外一套介紹一個物聯網應用的完整案例，用作學生的實訓任務或作為畢業設計的參考。

根據前文的分析，實踐基地的建設目標為：建成多套模塊化設計的，包含礦山物聯網所有環節的實訓系統，具備較強的可擴展性，能直接滿足從非物聯網專業本科課程的課內實驗，到以物聯網專業本科畢業設計的要求。經過特定擴展，能滿足物聯網相關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，能夠構造一個如圖2所示的物聯網系統案例，作為復雜工程供學生實踐。

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，淮南礦業集團為學生提供了較多的實習和就業機會。集團公司與企業共同開發的“基于虛擬現實技術的煤礦安全生產指揮系統”，具備強大完整的煤礦監測管理功能。將實踐案例作為課內實驗和實際工作的中間過渡環節，讓學生從學校到工作崗位的轉換過程更加容易。

結語

本文分析了目前物聯網理論教學的問題，提出了建立以采礦業為背景的物聯網教學體系。基于教學目標、課程體系、行業應用背景等方面的考慮，以及實踐基地的實際情況設置實踐內容，并根據實踐內容配置硬件和軟件。對實踐基地的作用進行了定位：面向本科生的實踐教學，是課內實驗課程和正式工作之間的中間環節。實踐基地應具備一定的軟硬件環境，能讓學生完成具有一定復雜度的物聯網工程，了解完整的軟硬件開發流程，并掌握其中部分。軟硬件并應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：專業建設研究。