矿业特色院校的物联网实践基地建设研究

钟鸣宇 洪炎 胡长俊 苏静明

摘要：文中阐述了物联网应用的多样性所造成的教学困难，说明了建设物联网实训基地的重要性。分析了以采矿为特色院校，面对不同专业的物联网教学对应的教学目标，得出了面对不同层次、不同目标的物联网教学需要的实践条件的配备。重点说明了通信、物联网等对物联网实訓教学要求较高的专业毕业生所应具备的素质，完成复杂工程所需要掌握的各种工具，最终得出了实践基地建设所应具备的要素，为矿业特色院校建设和使用实践基地提供参考。

关键词：物联网教育；矿业特色院校；复杂工程；实践基地建设

物联网技术是继互联网之后，信息科技产业的第三次革命，为了满足对物联网人才的需求，国内有条件的高校纷纷开设物联网专业。由于物联网技术应用广泛，且涉及电子、通信等学科中的大量知识，以教材为主线容易让学生学得很多，但是学得不是很精细，难以胜任具体工作。物联网技术是一项极其依赖行业应用背景的技术，在没有具体应用背景的前提下，容易让物联网知识显得空洞。同时，教学实践环节以及实训平台建设相对薄弱，进一步提高了物联网学习的难度。

如果以具体的应用背景为主线把知识点与行业应用结合起来，使物联网知识更加生动、具体、系统，有利于提高学生的学习兴趣，从宏观上把握物联网技术的全貌，提高学习效果。为此，我们与华清远见展开校企合作，进行了物联网实践基地建设的研究，在增购设备和软件，建设实践基地的过程中考虑到以下问题：

（1）实践基地的建设方向是为我校培养目标服务。

（2）建设内容应服从课堂教学的课程体系，并满足行业应用的需要。

（3）建成一个面向不同专业、不同层次的学生，满足多层次、多目标的实践需求。

本文将对以上问题进行详细的分析。

一、建设方向

由于物联网应用场景、技术、设备种类繁多，课堂时间内难于掌握所有知识。如果对特定设备和技术过度深入，容易造成学习内容偏颇，难以了解物联网的全貌。因此，需要对实践基地的软硬件配置进行取舍。

在以煤炭为地方经济主要来源的城市的地方院校，适合将煤矿物联网作为研究对象。经典的物联网由感知层、传输层和应用层这三层构成，在通信、电子和计算机等非物联网专业的培养计划中，所有的和物联网相关的知识都在“物联网技术”这一门课程当中完成，决定了不能详细讲解三层结构的所有内容，只能根据具体的专业对某一部分的内容进行深入介绍。物联网专业，要求学生能对矿山物联网进行需求分析，并能设计、部署、维护物联网。实践基地建设应朝着满足物联网专业培养需求的方向进行。

二、建设内容

非物联网专业的毕业生实践教学过程中，应强调基本技能的掌握。对于物联网专业的实践教学过程中，应强调系统整体及各部分软硬件的开发能力。以下根据如何界定物联网专业知识的边界，实践基地如何适应课程体系的要求进行了研究。一个煤矿物联网系统案例如图1所示：

经典的物联网系统包括感知层、传输层和应用层三层结构，根据应用的复杂程度，也可将其分为四层甚至五层结构。本文采用三层结构，对物联网专业的相关课程进行梳理，探讨物联网实践基地建设的具体内涵。

（一）感知层

物联网络通过感知层获取信息。感知层主要包括自动识别技术、传感器技术、定位技术。常用识别技术包括语音识别、光符号识别、生物计量识别、IC卡技术、条形码技术、射频识别技术。

由于语音、生物计量识别发展较快，主流的识别技术基于人工神经网络，难度较大且需要的基础知识较多。为了反映技术发展的最新成果，应该简单介绍深度学习网络的原理，开发简单的示例：如手写体识别，让学生对基于深度学习的识别算法有一个基础的认识。作为了解的内容，介绍深度学习网络在语音识别、指纹识别、虹膜识别等领域的应用。

在矿山当中，IC卡技术、条形码技术和射频识别技术应用非常广泛。IC卡技术，常作为煤矿职工在矿山当中的一卡通来使用。射频识别技术，可用于对人员和胶轮车进行识别和定位，在生产管理、煤矿瓦斯安全巡检、安全事故抢险救灾上发挥着巨大的作用。物联网技术的先导课程一般包含了模拟电路、数字电路、单片机、嵌入式系统，有能力掌握从原理到具体的硬件和软件，应将这三项技术作为训练的重点。

在煤矿当中，需要监测的物理量包括瓦斯、二氧化氮、二氧化硫浓度和一氧化碳浓度、粉尘浓度、温度、风速风压、管道流量、烟雾、液体位置等物理量。物联网专业已先期开设了“传感器技术”，并配套了实验，不需要再深入探讨各种传感器原理。而对于非物联网专业，也不需要深入了解传感器的原理，能够正确写出驱动程序就达到目的。考虑到视频监控在煤矿中的重要性，应介绍图像传感器的应用。由于实践基地当中同时使用的人员较多，不能安排训练瓦斯、二氧化氮等有毒、易燃的气体传感器。选择粉尘浓度、温度、烟雾等几个试验进行硬件配置。鉴于瓦斯、二氧化氮等危险气体传感器在煤矿安全生产当中的重要性，放到研究生阶段或相关企业实习时再学习。感知层进行的实践项目及配备的硬件如表1所示，全程默认配置Keil开发系统。

（二）网络层

煤矿通信网络是一种典型的异构网络。不同文献将物联网分为四层甚至五层结构。传统的OSI七层模型，方便了大型网络的管理。由于井下条件恶劣，物联网通信协议通常是跨层的，网络层大致相当于OSI七层模型中的物理层、数据链路层、网络层、传输层的功能。因此，物联网的网络层应该包含不同通信协议之间的相互转换。在煤矿物联网中，常采用Zigbee和Wi-Fi等无线通信技术传递传感器获取的信号。4G/5G移动通信技术在煤矿中也有应用，然而鉴于该技术价格高昂，且技术复杂，不适合作为面向一般本科生的实践内容。

通信骨干网一般为光纤以太环网，需要简要介绍光纤通信的原理及系统构成。在不涉及具体的通信协议的前提下，利用OSI模型来讲解光纤通信的过程。光纤通信对应OSI传统模型的物理层和数据链路层，其网络层协议常使用IPv4/IPv6。煤矿物联网与传统通信网络的融合，实践内容应包含将ZigBee、Wi-Fi和IPv4/IPv6通信协议的转换。表2给出了网络层实践项目及对应的硬件配置。其中CC2530模块搭载ZigBee通信协议。

（三）应用层

企业物联网建设的主要内容是网络化和数字化。应开发一个综合管理系统，能查看并管理各种矿山数据。矿山数据包括矿山地理地质图、煤炭储量、虚拟矿山模型、人员位置、环境监测、应急管理等各种数据。根据常见矿山管理系统包含的功能，选择了以下数据作为管理对象：虚拟矿山模型、人员及矿车状态监测、环境监测数据。

使用ArcCis开发虚拟的矿山模型，使用C++作为开发语言，实现人员和矿车定位，在保证基本功能的情况下功能应尽可能简单。将实践基地所在的教室虚拟成矿井当中的巷道，当学生在教室中各处行走的时候，能在综合管理系统的子系统中，观察到学生的位置及各项身体数据。同时，在其他的子系统中，能够查看特定位置的传感器数据，以及视频监控图像。利用轻量化的数据库MySQL对IC卡的刷卡记录、人员的位置信息、视频信息等内容进行存储。表3给出了应用层的实践教学内容及开发所需要的软件配置。默认在Windows操作系统下运行。

三、建设目标

为满足不同专业、不同深度的物联网实践要求，提高设备的使用效率，硬件需要具备较好模块性。为了满足物联网和其他专业优秀学生深入学习的需要，应能滿足开发底层硬件模块的需求。同时，需要配置不同的软件及开发工具。需要准备两套源代码，其中一套为简单模型，方便了解应用程序的基本功能。另外一套介绍一个物联网应用的完整案例，用作学生的实训任务或作为毕业设计的参考。

根据前文的分析，实践基地的建设目标为：建成多套模块化设计的，包含矿山物联网所有环节的实训系统，具备较强的可扩展性，能直接满足从非物联网专业本科课程的课内实验，到以物联网专业本科毕业设计的要求。经过特定扩展，能满足物联网相关研究方向硕士研究生的使用需求。利用实践基地中的硬件和软件，能够构造一个如图2所示的物联网系统案例，作为复杂工程供学生实践。

图2中的虚线表示无线通信方式。作为一所以煤炭为特色的院校，淮南矿业集团为学生提供了较多的实习和就业机会。集团公司与企业共同开发的“基于虚拟现实技术的煤矿安全生产指挥系统”，具备强大完整的煤矿监测管理功能。将实践案例作为课内实验和实际工作的中间过渡环节，让学生从学校到工作岗位的转换过程更加容易。

结语

本文分析了目前物联网理论教学的问题，提出了建立以采矿业为背景的物联网教学体系。基于教学目标、课程体系、行业应用背景等方面的考虑，以及实践基地的实际情况设置实践内容，并根据实践内容配置硬件和软件。对实践基地的作用进行了定位：面向本科生的实践教学，是课内实验课程和正式工作之间的中间环节。实践基地应具备一定的软硬件环境，能让学生完成具有一定复杂度的物联网工程，了解完整的软硬件开发流程，并掌握其中部分。软硬件并应具备较好的扩展能力，简单扩展后，能满足研究生的研究需要。

作者简介：钟鸣宇（1982-），男，汉族，四川绵阳人，博士，讲师，研究方向：专业建设研究。