面向矿山物联网的“计算机网络”课程的教学重构

胡青松，耿 飞，刘 伟，张 申

(中国矿业大学物联网(感知矿山)研究中心，江苏徐州221008)

计算机网络是矿山物联网的理论基础，我校的“计算机网络”课程的教学必须着眼于新兴技术的应用。

本文结合我校实验室的矿山物联网研究，在已有的游戏式教学研究成果上，按照CDIO工程思想对“计算机网络”课堂教学的课堂知识点和实验环节进行重构，以此为核心展开相应的教学内容［1］。

1 矿山物联网的基本网络体系

矿山物联网与数字矿山和矿山综合自动化有着非常紧密的联系［2，3］，其核心是感知人员、感知环境和感知设备三个感知。在矿山物联网中，需要按照矿井拓扑和生产需要，对来自于感知层的数据进行快速传递和融合处理。因此，无论是理论上的突破或者是技术上的进步，都需要有一个全矿统一的数据传输平台，这被称为骨干网。骨干网与煤矿现有的办公网络在安全隔离的条件下实现融合。办公网络实现监视与控制、管理与应用的功能，也属计算机网络体系。可见，无论是整个矿山企业用以传输生产数据的骨干网，还是办公网络，都是以计算机网络为基础的，构成了整个矿山物联网的信息传输平台。

由于骨干网在井下的交换机主要布置在一些关键区域，并不能保证覆盖所有井下巷道。因此，在设备无法直接接入骨干网交换机的时候，应该采用支干网解决部分巷道设备的数据通讯问题。此外，有些区域的设备非常多，它们与骨干网交换机的距离尽管没有超出通讯距离限制，但是设备的数量可能超过了骨干交换机所能提供的网络接口的数量，也必须使用支干网进行扩容。所以，支干网一方面可以延长网络的覆盖范围，另一方面也可以扩大网络接入的设备数量。对于那些不方便部署有线网络的区域，还可以构建无线移动网络。因此，除了骨干网和地面办公网络之外，矿山物联网还包括支干网和各类无线传感网［4，5］。它们共同构成如图1所示的由有线网络和无线网络组成的异构网络，支持全矿井生产和安全信息的泛在感知。

图1 矿山物联网的基本网络体系

2 知识点重构

为了全面说明矿山物联网在网络通信方面的要求和网络课程知识点的异同，我们与目前的“计算机网络”课程的教学大纲进行了对比［4］，其结果如表1所示。

表1 矿山物联网的网络需求与目前课程知识点的对比

从表1可以看出，在教学构成中，面向矿山物联网的“计算机网络”课程除了突出通常的“计算机网络”课程中的重点知识之外，还必须引入新的内容，以满足矿山物联网的实际需求。同时，还需要对通常的课程内容做部分压缩，以便能够在规定的学时之内完成教学任务。

我们采用的教材［6］以物理层、数据链路层、网络层、运输层和应用层这五层结构为主线展开，综合了TCP/IP与OSI/RM这两种体系结构的长处。为了保证课程的完整性和知识的系统性，我们保持教材的第1～6章为主的原则不变，但是教学内容根据表1做了适当增删。增加的内容以教材的第9章为主，同时引入2个课时的无线传感器网络的内容，无线网络与有线网络的接口问题放在实验中完成。删除的内容为使用不太多、或者学生前期已经具备的知识。

3 实验重构

目前，我校信息工程专业的“计算机网络”大纲规定为26个学时的课堂讲授加6个学时的实验。实验有三个，分别是以太网组网与配置、网络数据包的捕获与分析和基于Socket的网络协议编程实现。我们后两项实验合并且添加多源信息集成监测实验内容。此外将传感子系统接入实验放在紧随本门课程之后的“现场总线技术”课程中完成。这样不但节省了学时，而且建立了两门课程之间的有机联系。

3.1 多源信息集成监测实验

构建矿山物联网的目的之一是为了对矿山生产过程中的人员、设备和环境等参数进行实时监测和感知，借以保证煤矿的生产安全。但是，单一信息往往不能说明问题实质，因此多源信息的集成监测非常有必要，为此，设计了如图2所示的实验方案。

图2 多源信息集成监测实验结构

图中“○”表示无线传感器节点，感知网络由一个sink节点和多个无线传感器节点组成。普通节点和sink节点中都配置有无线通信模块，两者之间通过收发天线实现无线链接。

实验采用的是Crossbow公司提供的MICAz OEM开发套件。它提供了OEM射频处理器模块、模块编程器、参考设计板、传感器/数据采集板、编程器和连接以太网的基站。其中OEM射频处理器模块具有低功耗、高传输速率和鲁棒性等特点。参考设计板具有OEM模块、天线设计、供电设计和连接传感器板的标准接口。

学生在实验中的工作是：收集温度传感器和震动传感器的数据，在自己的实验计算机上以图形化的方式显示出来，并能根据一定的方式实现越界报警。教师可以通过IP地址，以Web的方式查看学生的实验结果。通过本实验，学生能够掌握有线网络与无线网络的接入方法、初步的Web编程方法。同时，由于只有严格同步的多源集成监测才有意义，为此，本实验室还开设了异构网络中的高精度同步实验，供部分学有余力的学生选做。

3.2 传感子系统接入实验

矿山存在数十种生产或者辅助生产子系统，必须将所有这些子系统纳入统一平台进行集中监测、控制与管理，实现采矿工艺的优化，逐步实现无人或少人开采的目标。根据实际情况，这些子系统接入骨干网的时候可以是有线的方式，也可以是无线的方式。皮带运输系统、供电系统和井下排水系统等可以通过分站实现与骨干网或支干网的接入。而人员定位信息、设备振动信息、温度和瓦斯等环境监测信息则可通过无线接入点(AP)实现与骨干网或者支干网的连接，如图3所示。

图3 子系统接入实验结构

本实验以人员定位系统为例，说明无线方式的接入方法。现在，很多矿山中使用的人员定位系统主要通过固定的读卡分站读取移动目标上的标签信息，实现巡更式定位。这种定位方式只能实现部分固定位置的粗粒度定位。本实验采用我们研发的基于RSSI技术的WiFi人员定位算法，用三边测量法计算待定位目标的地理位置。

实验所需的设备主要包括：定位服务器、控制器、AP节点和定位终端。学生需要做的主要工作是：搭建整个实验系统所需的AP和定位终端部分;配置服务器和AP等设备，使整个系统能够正常工作;利用设备反馈的RSSI数据，计算目标的坐标，将计算得到的坐标通过网络传输到教师的计算机中，作为评定成绩的依据。

通过本实验，不但可以让学生掌握井下移动人员精确定位的原理和计算方法，而且可以锻炼学生的无线网络布置能力、无线网络与有线网络协同工作的能力。

4 结语

矿山物联网具有典型的应用驱动型特点，作为其理论基础的“”计算机网络“”课程的教学必须着眼于矿山生产的应用实际，培养学生的工程思维和动手能力。本文按照矿山物联网网络体系的要求，对课堂知识体系和实验内容进行重构，它与我们前期提出的游戏式路由教学法一起，构成了我们教学改革的CDIO体系。实践表明，这种工程式的教学方法提高了学生对知识点的理解，增强了学生的动手能力和协同能力，培养了系统观点。

［1］胡青松，张典，张申，等.游戏式路由算法教学初探［J］.南京：电气电子教学学报.2012，34(4)：105-107.

［2］张申，丁恩杰，赵小虎，等.数字矿山及其两大基础平台建设［J］.北京：煤炭学报.2007，32(9)：997-1001.

［3］张申，丁恩杰，徐钊，等.物联网与感知矿山专题讲座之二--感知矿山与数字矿山、矿山综合自动化［J］.常州：工矿自动化.2010(11).

［4］张申，丁恩杰，徐钊，等.物联网与感知矿山专题讲座之三--感知矿山物联网的特征与关键技术［J］.常州：工矿自动化.2010(12).

［5］吴立新，汪云甲，丁恩杰，等.三论数字矿山--借力物联网保障矿山安全与智能采矿［J］.北京：煤炭学报.2012(03).

［6］谢希仁.计算机网络(第五版)［M］.北京：电子工业出版社，2008.