基于智能小车平台的计算机网络课程实验内容创新与实践

杨海清

（浙江工业大学信息工程学院 浙江·杭州 310023）

计算机网络是现代信息学科的一门基础课程，在不少本科专业中作为一门专业课或专业基础课。计算机网络也为工程设计提供了重要方法论。譬如，计算机网络课程开门见山就提出了层次化规划方法，无论是 ISO/OSI协议体系还是TCP/IP协议体系都是层次化体系结构的典范。然而，计算机网络课程教学上往往侧重于从理论上讲解层次化体系结构的特点和内容，缺少从工程实践上引导学生深入运用层次化规划理念和设计方法的条件，导致了不少学生认知模糊，找不准学习重点。为了改变这种现状，有必要深入开展计算机网络的教学改革，通过引入能促进学生手脑联动的实践项目，激发学生把理论用起来，让知识活起来，为深入开展创新创业活动提供教学支撑。

1 计算机网络课程教学的特点与存在的问题

概括起来讲，计算机网络是关于网络结构与功能的课程。计算机网络层次化架构既精致又复杂。精致在于其分层结构，复杂在于其分层功能。而功能又离不开结构。在网络结构的教学上，存在两种教学方式。以TCP/IP五层结构为例。一种是自底向上教学法，沿着物理层、链路层、网络层、传输层、应用层先后顺序，这种方式适合通信专业教学，因为通信专业有通信原理这门前导课。通信原理是物理层信号传输的理论基础。从物理层入门，比较适合通信专业前后课程衔接。另一种是自顶向下教学法，顾名思义就是从应用层入门，沿着传输层、网络层、链路层、物理层的顺序进行教学。这种方式更适合一般专业教学安排，因为大学计算机教育就是从学习应用软件开始的，从应用层入门，能由生入熟，从易到难，符合教学认知规律。我校电气类专业的计算机网络课程就采用这种自顶向下的教学法，较好地解决了计算机网络结构体系如何教学的问题。

课程教学难点主要集中在网络功能教学上。网络功能既体现在整体层次结构上，也体现在分层上。每一层的功能是什么，如何实现其功能是教学的重点，如何让学生学懂悟透则是教学的难点。譬如，学生常常困惑于IP地址与MAC地址的区别。实际上，网络的每一层都有寻址问题，但不同层的寻址概念却各不相同。教学的作用在于帮助学生建立知识联系途径，将感与悟结合起来，做到水到渠成。理论与实践不是对立的关系，而应该是相辅相成的关系。课程学习既需要从理论到实践的前向路径，也需要从实践回到理论的逆向路径。如果在计算机网络课程教学中建构起从实践到理论的逆向路径，与传统课堂教学组成互补关系，不失为有益的教改探索。

2 引入智能小车对计算机网络课程教学的促进作用

无人车作为未来交通科技发展的趋势，得到业界广泛关注。无人车的发展对学科发展具有重要的驱动作用。作为无人车的实验替代品，智能小车因其体积小巧、功能配置灵活、适合学生参与等诸多优点而得到教育界的青睐。目前，智能小车又是全国大学生热门竞赛之一，有不少大学课程将智能小车作为本科生教学的实验对象。

计算机网络课程中引入智能小车可以发挥两方面的促进作用。一是加强了课程教学与工程应用之间的联系。计算机网络课程教学中引入智能小车，切入点在于智能小车与无线网络的结合。而无线网络正是计算机网络课程教学的重点内容之一。

二是加强网络层次化规划设计方法的实践性运用。为了降低应用TCP/IP协议技术门槛，工业界采取将传输层和网络层协议集成到操作系统，将链路层和物理层协议做到网络接口芯片中的办法。应用层通过一种称为socket套接字接口技术来实现网络数据收发，就像拿起话筒打电话一样方便。从应用角度来看，socket技术无疑有利于互联网普及；但从计算机网络课程教学来看，socket接口屏蔽了协议细节，弱化了网络层次化理念。虽然智能小车的功能开发只是应用层上的事，但是层次化规划设计方法可以在智能小车平台上得以运用。譬如，智能小车的车向与车速控制、障碍测距与图像感知、信息加工与处理、无线通信等功能开发，需要在层次化框架支撑下才能集成在一起，发挥整体功效。

3 基于智能小车平台的网络层次化规划设计

基于智能小车平台的网络层次化规划设计可以分成两种模式。一种是在智能小车与包括主控机在内的环境之间建立无线局域网，简称车—境模式；另一种是在多智能小车之间建立短距无线通信网络，简称车—车模式。

3.1 车—境模式

车—境模式是指将智能小车安置在一个特定的软硬件环境中，通过建立合适的基础网络架构，支持智能小车与环境之间进行信息交流。车—境模式的特点是只有小车在运动，环境设施不动。为了简化实验复杂度，将智能小车运动范围限制在一个无线路由器的无线覆盖范围内，以实验室空间为限。图1展示了无线局域网支撑下的智能小车与主控机之间的层次化功能模型。

图1：车—境模式下的层次化功能模型

主控机和智能小车应用层分别通过socket套接字接口与无线路由器建立 TCP/IP协议联系。主控机和智能小车通过静态或动态IP地址建立socket通信。实际上，这种车—境模式实现的就是计算机网络课程TCP/IP五层协议结构。但是，由于使用了socket套接字接口方式，TCP/IP协议被透明化，弱化了网络层次化概念。因此，在实验设计中，有意识地将主控机和智能小车应用层内的功能开发进行层次化安排，如图2所示。

图2：应用层功能开发的层次化安排

图2左边显示主控机应用层的功能子层划分，从低到高依次为通信子层、处理子层和输入输出子层。通信子层包含WIFI收发功能，负责将上层发来的数据以socket套接字方式传递给下方的TCP/IP协议；处理子层负责数据加工处理；输入输出子层负责人机接口，将来自处理子层的数据以适当方式展示给用户，一般采用图形化表达方式。

图2右边是智能小车应用层功能子层划分，分别对应主控机应用层的三个子层。通信子层包含WIFI收发功能，通过socket套接字接口将下方TCP/IP协议接收到的数据发送给上方的处理子层；处理子层负责数据处理；输入输出子层负责对外接口处理，主要负责信息感知与运动控制两项任务。信息感知功能负责超声波测距、视频图像采集等任务；运动控制功能负责驱动小车左侧轮和右侧轮，车向和车速根据主控机发来的指令进行PWM控制。

将应用层划分成三个子层，并与下方的TCP/IP协议一起组合成七层模型，较好地重现了计算机网络层次化结构。实验设计中体现层次化规划方法，有助于课程教学目标的达成。

3.2 车—车模式

车—车模式是指将智能小车安置在一个开放的软硬件环境中，通过建立短距无线网络，支持智能小车群体之间的信息交流。车—车模式的特点是小车节点在相互运动，网络拓扑不确定。笔者选择nRF24L01无线模块用于智能小车的无线数据通信。nRF24L01特点是1路信道发送，6路信道接收。为了简化实验设计，对nRF24L01无线通信仅用了1路发送和1路接收方式，而将多路接收功能开发作为学生兴趣课题。小车运动范围以实验室空间为限。图3展示了多小车协同运动系统的层次化功能模型。

图3：车—车模式下的层次化功能模型

nRF24L01短距无线模块提供链路层和物理层两层通信协议（图3）。在不需要网络路由功能的场景下，两层协议适合构建小规模车联局域网。如果车联规模较大，当小车距离超出短距无线覆盖范围时，就需要增设网络层，采用类似多跳转发的路由机制。开发网络层路由协议的难度较大，超出了本科计算机网络课程教学要求。因此，对于车—车模式下的网络模式只采用单跳方式。与车—境模式类似，智能小车应用层也分成三个子层。所不同的是，将车—境模式中的WiFi收发功能替换成短距无线收发。综合起来看，车—车模式建立了五层网络化功能架构，也能较好地重现计算机网络层次化结构。

4 基于智能小车平台的计算机网络课程实验内容创新设计

基于前述车—境模式和车—车模式提供的层次化架构，我们设计了四个基本实验。

实验一：车—境模式下智能小车遥测遥控实验。

该实验的教学目的是掌握网络层次化设计方法在车—境模式功能开发中的应用。实验任务是：（1）完成车—境模式主控机和智能小车网络层次化架构设计；（2）完成主控机和智能小车应用层功能设计，实现主控机和智能小车简单数据交换；（3）功能要求：智能小车定时超声波测距并将数据发送给主控机，主控机接收小车测距数据并在屏幕上显示，同时根据测距数值向智能小车发送车向车速指令。

实验二：车—境模式下智能小车运动图像实时传输实验。

该实验的教学目的是掌握网络层次化设计方法在车—境模式功能开发中的应用。实验任务是：（1）完成车—境模式主控机和智能小车网络层次化架构设计；（2）完成主控机和智能小车应用层功能设计，实现智能小车向主控机传输视频数据；（3）功能要求：智能小车定时采集视频图像，并发送给主控机；主控机接收视频图像并在屏幕上显示。

实验三：车—境模式下智能小车感知信息实时传输实验。

该实验的教学目的是掌握网络层次化设计方法在车—境模式功能开发中的应用。实验任务是：（1）完成车—境模式主控机和智能小车网络层次化架构设计；（2）完成主控机和智能小车应用层功能设计，实现智能小车向主控机传输视频图像和超声波测距数据；（3）功能要求：智能小车定时采集视频图像和超声波测距数据，并发送给主控机；主控机接收视频图像和超声波测距数据并在屏幕上显示。

实验四：车—车模式下两车协同运动实验。

该实验的教学目的是掌握网络层次化设计方法在车—车模式功能开发中的应用。实验任务是：（1）完成车—车模式智能小车网络层次化架构设计；（2）完成智能小车应用层功能设计，实现前后两车之间信息传输并保持两车运动间距基本不变；（3）功能要求：前车定时超声测距，在避障控制下自行保持匀速运动，同时接收后车发来的测距数据，在车载数码管上实时显示前后方测距结果；后车定时测量与前车间距并向前车发送测距数据，跟随前车运动并保持设定间距。

5 基于智能小车平台的计算机网络课程实验实施过程

我校电气类专业计算机网络课程是专业基础选修课，课堂教学40学时，实验教学8学时，其中6学时用于TCP/IP协议分析，2学时用于socket编程实现双机数据收发，实验内容比较简单。本项目教改目标着眼于提高学生运用层次化功能设计理念提升解决网络系统复杂工程问题的能力。本项目创新之处在于将智能小车引入计算机网络课程实验设计之中，并将教学目标定位在提升工程应用层次化设计能力上。

电子信息工程专业2017级39人参与了试点实施。实施过程分成两个阶段：第一阶段为规定任务，要求学生独立完成前述四个实验中的两个，教师根据完成情况给予成绩；第二阶段为创新设计，学生分组实验，每组4人左右，各组自拟课题，要求内容有创新。第二阶段实践成绩由10位学生评委集体打分。总评成绩由第一阶段的教师给分和第二阶段的学生评分按比例折算合计。

实施情况如下：第一阶段选择实验一的有39人；选择实验二的有32人，选择实验三的有5人，选择实验四的有2人。可以看出，由于实验一测控数据少，比较容易实现，选择人数也最多；实验四由于需要用到短距无线模块，编程上有一定的复杂性，选择人数最少，当然教师打分时也向难度大的实验略有倾斜。总的来说，第一阶段完成情况都不错。第二阶段则是分组竞赛了，共组建了10个小组。各组均在第一阶段任务的基础上，通过增加新功能来提高车—境系统或车—车系统的复杂度。新功能有自主避障、图像循迹、目标追踪、目标识别、可视化表达等，充分展示了学生运用网络知识进行工程综合设计的能力。

6 结束语

本项目经过一年多时间的精心设计，在我校电信专业2017级开展了试点实施。结果表明，相比原来的实验内容，经过本项目实践后，不仅加强了课程教学与工程实践之间的联系，而且在提升学生的层次化设计能力方面具有更强的针对性。下一步，计划在实验内容和考核方式上继续改进，以求建立目标导向明确、实施方案先进的新型计算机网络实验体系。