矿业特色院校的物联网实践基地建设研究.pdf

:./.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 苏静明安徽理工大学电气与信息工程学院通信系 安徽淮南 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训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:()实践基地的建设方向是为我校培养目标服务()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()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 所示:图 煤矿物联网系统模型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 科技风 年 月电子信息语音识别、光符号识别、生物计量识别、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 卡技术、条形码技术和射频识别技术应用非常广泛 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 所示全程默认配置 开发系统表 感知层实践教学内容及硬件配置序号实践教学内容硬件配置实践类型 卡读写 卡及读写器设计条形码读写条形码读写器设计 无线射频识别 卡读写器设计烟雾、温度等传感器驱动 烟雾、温度等传感器设计指纹识别指纹传感器演示图像采集及人脸识别摄像头演示(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 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 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 和 等无线通信技术传递传感器获取的信号/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 模型来讲解光纤通信的过程 光纤通信对应 传统模型的物理层和数据链路层其网络层协议常使用/煤矿物联网与传统通信网络的融合实践内容应包含将、和/通信协议的转换 表 给出了网络层实践项目及对应的硬件配置 其中 模块搭载 通信协议表 网络层实践项目及硬件配置序号实践教学内容硬件配置实践类型 无线通信 模块设计 与 模块通信 模块与 模块设计光纤调制解调光端机光纤光调制解调器演示(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 开发虚拟的矿山模型使用 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 对 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 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 操作系统下运行表 应用层实践项目及软件配置序号实践教学内容软件配置实践类型基于 的虚拟矿山 设计矿山信息管理系统设计电子信息科技风 年 月三、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满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 所示的物联网系统案例作为复杂工程供学生实践图 物联网系统案例 图 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参考文献:房爱东凌军潘正高.应用型高校物联网工程专业建设与实践教学研究.西昌学院学报:自然科学版():.唐爱龙黄秋勇.物联网专业卓越工程师人才培养模式探索与实践.电脑知识与技术():.蔡婷陈昌志.计算思维与物联网工程教育.教育现代化():.姜丽华闫佳伟周爱莲等.基于物联网的智慧实验基地建设初探.农业科技管理():.刘云浩.物联网导论.北京:科学出版社.陈堃.物联网技术在三维数字矿山安全生产系统中的应用研究.南京:南京师范大学.杨守国李树刚刘程.基于煤矿物联网的煤与瓦斯突出灾变预警技术.煤炭科技():.李晓军金川朱伟佳.虚拟现实技术在煤矿安全生产管理中的应用.系统仿真学报():.基金项目:本文系“教育部产学研协同育人项目”(项目编号:)“省级六卓越、一拔尖卓越人才培养创新项目”(项目编号:)“安徽理工大学校级重点教研项目”(项目名称:通信电子类本科双语教学课程建设及教学改革研究新工科背景下移动通信教学改革研究电气工程及自动化专业特色人才培养探索)“校级重大线上教改项目”(项目名称:电气信息类课程线上教学改革研究)研究成果作者简介:钟鸣宇()男汉族四川绵阳人博士讲师研究方向:专业建设研究 科技风 年 月电子信息