基于互聯(lián)網(wǎng)的實踐課程質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)督系統(tǒng)

摘" 要：現(xiàn)場實踐教學(xué)課程是理工類大學(xué)生培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，目前課程管理主要依靠人工現(xiàn)場管理和視頻人工監(jiān)控，不能實現(xiàn)所有區(qū)域和所有人員的實時監(jiān)測。該文設(shè)計基于互聯(lián)網(wǎng)的實踐課程質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)督系統(tǒng)，在安全帽監(jiān)測裝置內(nèi)置三軸加速度傳感器采集加速度數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到學(xué)生行為數(shù)據(jù)，將行為數(shù)據(jù)發(fā)送至現(xiàn)場和學(xué)校的監(jiān)控終端，實現(xiàn)實踐教學(xué)課程質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測和學(xué)生安全狀態(tài)監(jiān)控，為基于互聯(lián)網(wǎng)的實踐教學(xué)進(jìn)步提供支撐。

關(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng)；實踐學(xué)習(xí)；課程監(jiān)督；遠(yuǎn)程監(jiān)測；視頻監(jiān)控

中圖分類號：TP39" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）10-0119-04

Abstract： The on-site practical teaching is an important stage in the training of college students in science and engineering majors. At present， the course management mainly depends on manual on-site management and manual video surveillance， which cannot achieve real-time monitoring of all regions and all personnel. In this paper， a remote monitoring system of practice course quality based on Internet is designed. A three-axis accelerometer is installed in the helmet monitoring device to collect acceleration data， and the data are processed to get student behavior data. The behavior data are sent to the monitoring terminals of the field and the school to realize the remote monitoring of the quality of practical courses and the monitoring of students' safety status， so as to provide support for the progress of practical teaching based on the Internet.

Keywords： Internet; practical learning; course supervision; remote monitoring; video surveillance

現(xiàn)場實踐教學(xué)課程是理工類本科生培養(yǎng)的重要組成部分，學(xué)生培養(yǎng)計劃中包括金工實習(xí)、生產(chǎn)實習(xí)和畢業(yè)實習(xí)等。實踐教學(xué)課程需要學(xué)生深入工廠、工程現(xiàn)場進(jìn)行實踐學(xué)習(xí)，部分專業(yè)的學(xué)生還要到煤礦井下等特殊生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行實踐。在生產(chǎn)現(xiàn)場無法獲得進(jìn)行實踐教學(xué)課程評估的相關(guān)數(shù)據(jù)，而且井下實踐環(huán)境復(fù)雜、大型設(shè)備多，當(dāng)由于疲勞造成專注度下降時，無法保障實踐學(xué)習(xí)質(zhì)量，且易發(fā)生事故。目前實踐課程主要依靠人工管理和視頻人工監(jiān)控。由于管理老師人數(shù)有限，難以保證對所有學(xué)生進(jìn)行實時監(jiān)測；煤礦井下等范圍較大的工程現(xiàn)場難以實現(xiàn)全區(qū)域的攝像頭涵蓋，而且監(jiān)控視頻也需人工查看，因此通過視頻監(jiān)控同樣無法保證所有學(xué)生進(jìn)行實時監(jiān)測。同理，依靠人工現(xiàn)場管理和視頻人工監(jiān)控?zé)o法客觀評估課程質(zhì)量。基于上述原因可知，需要研究實踐教學(xué)課程質(zhì)量監(jiān)測和學(xué)生安全監(jiān)控的新的方法與技術(shù)。

1" 方法研究

在工程類實習(xí)工作現(xiàn)場必須佩戴安全帽，所以對安全帽姿態(tài)的直接監(jiān)測可實現(xiàn)對實習(xí)學(xué)生的行為監(jiān)控。姿態(tài)監(jiān)測一般采用三軸加速度傳感器和九軸姿態(tài)傳感器。基于三軸加速度數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)傾斜姿態(tài)的靜態(tài)與動態(tài)判定，從而實現(xiàn)學(xué)生的一般行為判定。九軸姿態(tài)傳感器除可以采集三軸加速度數(shù)據(jù)外，還可采集三軸磁力數(shù)據(jù)和三軸角速度數(shù)據(jù)，根據(jù)這2組數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)精確的方向與動態(tài)角度數(shù)據(jù)，進(jìn)而實現(xiàn)更為精確的學(xué)生行為監(jiān)測。限于篇幅，本文主要基于三軸加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，三軸加速度傳感器安裝方向如圖1所示。

現(xiàn)場實踐學(xué)習(xí)過程中，工作時間的一般行為包括行走、設(shè)備操作、聽取講解和交談等；異常行為包括摘除安全帽、躺臥、打瞌睡和奔跑等。文中圖2至圖5給出了部分行為的三軸加速度數(shù)據(jù)。

一般行為的狀態(tài)中行走和設(shè)備操作較其他行為的動作幅度較大，聽取講解、交談的動作幅度較小，但一般行為狀態(tài)多具有一個共同特征，即安全帽基本保持在水平平面區(qū)域，體現(xiàn)在數(shù)據(jù)上為Z軸的數(shù)據(jù)最大。對比圖2和圖3可知，行走與奔跑動作的數(shù)據(jù)特征的共同點主要體現(xiàn)在3個軸數(shù)據(jù)幅度同步周期性變化，Z軸變化幅度最大，X軸和Y軸數(shù)據(jù)變化較小，可以單獨依靠Z軸進(jìn)行判定；2種動作的數(shù)據(jù)主要區(qū)別在于，奔跑狀態(tài)的Z軸數(shù)據(jù)變化幅度較大，變化頻率也高，易于判別，可作為判定依據(jù)。參考圖4，設(shè)備操作狀態(tài)下3個軸數(shù)據(jù)變化幅度較小，沒有明顯的周期性。參考圖5，打瞌睡狀態(tài)下動作特征為頻繁反復(fù)地點頭，主要體現(xiàn)在Z軸和X軸數(shù)據(jù)的同步周期性低頻率變化，可作為判定依據(jù)。對比圖6和圖7，異常行為中的摘除安全帽、躺臥的數(shù)據(jù)特征較為明顯，3個軸數(shù)據(jù)基本保持水平，當(dāng)躺臥狀態(tài)時X軸的數(shù)據(jù)最大，可作為判定依據(jù)。總之，通過對三軸加速度數(shù)據(jù)中各軸的值、各軸關(guān)系和變化規(guī)律進(jìn)行判別，完全可以實現(xiàn)以上所列的行為分類判別，分類方法可包括基于樣板采集的深度學(xué)習(xí)等方法，限于篇幅，本文不繼續(xù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。通過以上分析可知，基于三軸加速度數(shù)據(jù)的行為特征處理分析和分類，完全可實現(xiàn)實習(xí)學(xué)生的異常行為的判別，進(jìn)一步利用行為分類數(shù)據(jù)可進(jìn)行詳細(xì)的行為統(tǒng)計，實現(xiàn)實踐教學(xué)課程質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測和學(xué)生安全狀態(tài)監(jiān)控。

2" 系統(tǒng)設(shè)計

2.1" 總體設(shè)計

大學(xué)生實踐教學(xué)課程質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)督系統(tǒng)總體組成如圖8所示，系統(tǒng)主要包括安全帽監(jiān)控終端、無線通信基站、交換機(jī)、現(xiàn)場監(jiān)控終端、移動網(wǎng)絡(luò)基站和學(xué)校監(jiān)控終端等。

安全帽監(jiān)控終端：用于采集現(xiàn)場實踐學(xué)習(xí)學(xué)生的運動特征數(shù)據(jù)，并分析處理數(shù)據(jù)獲取行為分類判定結(jié)果，作為行為數(shù)據(jù)，并定時通過現(xiàn)場無線通信網(wǎng)絡(luò)或公共移動通信網(wǎng)絡(luò)向現(xiàn)場監(jiān)控終端和學(xué)校監(jiān)控終端發(fā)送行為數(shù)據(jù)。

無線通信基站：用于現(xiàn)場無線通信網(wǎng)絡(luò)的接入與中繼，通過有線通信線纜連接交換機(jī)，接入現(xiàn)場專用以太網(wǎng)與現(xiàn)場監(jiān)控終端進(jìn)行通信。無線通信基站主要用于煤礦井下等沒有覆蓋公共移動通信網(wǎng)絡(luò)的實踐學(xué)習(xí)工作現(xiàn)場使用，可采用Wifi、ZigBee或其他WSN（無線傳感網(wǎng)）通信網(wǎng)絡(luò)。

交換機(jī)：現(xiàn)場專用以太網(wǎng)的核心設(shè)備，用于接入現(xiàn)場專用以太網(wǎng)的設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。

現(xiàn)場監(jiān)控終端：負(fù)責(zé)實踐學(xué)習(xí)工作現(xiàn)場的學(xué)生行為監(jiān)測，供實踐學(xué)習(xí)管理教師使用，進(jìn)行實踐教學(xué)課程質(zhì)量監(jiān)測和學(xué)生安全狀態(tài)監(jiān)控。

移動網(wǎng)絡(luò)基站：即公共移動網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)基站，為手機(jī)等公共移動網(wǎng)絡(luò)用戶提供設(shè)備接入，用戶可通過移動網(wǎng)絡(luò)基站接入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信。

學(xué)校監(jiān)控終端：為學(xué)校端用戶提供實踐學(xué)習(xí)工作現(xiàn)場的學(xué)生行為遠(yuǎn)程監(jiān)測服務(wù)，供實踐學(xué)習(xí)總體管理教師使用，進(jìn)行實踐教學(xué)課程質(zhì)量監(jiān)測和學(xué)生安全狀態(tài)監(jiān)控。

2.2" 安全帽監(jiān)測裝置設(shè)計

安全帽監(jiān)測裝置組成示意圖如圖9所示，主要包括數(shù)據(jù)處理、傳感器、無線通信、聲光預(yù)警和電源等部分。

數(shù)據(jù)處理單元：負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)采集傳感器數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到學(xué)生行為數(shù)據(jù)，通過無線通信單元將行為數(shù)據(jù)發(fā)送至現(xiàn)場和學(xué)校的監(jiān)控終端。可采用MSP430F147單片機(jī)或其他類似功能MCU（微控制單元）。

傳感器單元：可采用ADXL345三軸加速度傳感器模塊，也可采用MPU-9255九軸傳感器模塊，選擇使用九軸傳感器模塊時，處理器除可采集到加速度數(shù)據(jù)外，還可采集到磁力和陀螺儀數(shù)據(jù)，根據(jù)這2組數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)精確的方向與動態(tài)角度判定，進(jìn)而實現(xiàn)更為精確的學(xué)生行為監(jiān)測。

無線通信單元：可采用Wifi、ZigBee或其他WSN通信模塊與無線通信基站；還內(nèi)置移動通信模塊，用于與移動網(wǎng)絡(luò)基站通信。

聲光預(yù)警單元：采用LED發(fā)送光信號，采用蜂鳴器發(fā)送聲音信號，也可加振動馬達(dá)用于發(fā)送振動報警信號，用于對學(xué)生異常行為提醒或預(yù)警。

電源：包括電池、電壓轉(zhuǎn)換電路和電池充電等周邊電路。

3" 結(jié)束語

本文研究了基于互聯(lián)網(wǎng)的大學(xué)生實踐教學(xué)課程質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)督方法與系統(tǒng)，借助實習(xí)現(xiàn)場必須佩戴的安全帽，運用傳感器和無線通信、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，對現(xiàn)場學(xué)生疲勞度進(jìn)行監(jiān)測，實現(xiàn)大學(xué)生實踐教學(xué)課程質(zhì)量現(xiàn)場與遠(yuǎn)程的監(jiān)督，保障實習(xí)學(xué)生的安全。該系統(tǒng)與方法可用于所有需要佩戴安全帽的金工實習(xí)、生產(chǎn)實習(xí)和畢業(yè)實習(xí)等實踐學(xué)習(xí)環(huán)境中，進(jìn)一步為基于互聯(lián)網(wǎng)的實踐教學(xué)的進(jìn)步與推廣提供支撐。

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