窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術課程教學實訓平臺設計

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)技術體系龐雜、知識點零散、實驗實訓設備昂貴。文中以窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術課程為例，自主設計研發(fā)課程教學實訓平臺，對教學內容進行了梳理和凝練，結合國產(chǎn)軟硬件平臺進行思政元素融入，突出科技自立自強。結果表明，自研的教學實訓平臺能夠節(jié)約教學成本，通用性強，學生參與度高，教學效果良好，為物聯(lián)網(wǎng)應用技術專業(yè)的人才培養(yǎng)提供了有力支撐。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；NB-IoT；華為云；IoTDA；ZigBee；人才培養(yǎng)；教學改革

中圖分類號：TP393；TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）08-0-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.08.040

0 引 言

自從窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things， NB-IoT）問世以來，得到了國內各廠商的支持。通信層面，國內三大電信運營商皆已完成NB-IoT的接入，華為、中興、大唐等企業(yè)提供了全方位的基站技術服務，國內目前有多家企業(yè)從事NB-IoT芯片研發(fā)，如華為海思的Boudica系列、紫光展銳RDA系列、聯(lián)發(fā)科的MT2625等，模組廠家有上海移遠、中移、利爾達等。同時，華為云、阿里云、騰訊云、電信天翼CTWing、移動OneNET等都提供了NB-IoT的數(shù)據(jù)接入服務。NB-IoT技術使用800～900 MHz的授權頻段，采用移動運營商的蜂窩網(wǎng)絡，利用窄帶信道提供低速率的物聯(lián)網(wǎng)連接服務，通過現(xiàn)有的基站實現(xiàn)信號的廣覆蓋，節(jié)約了部署成本，且技術自主可控，在遠程抄表、智能家居、安防、車聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等方面得到了廣泛應用，前景廣闊。

目前，國內院校物聯(lián)網(wǎng)相關專業(yè)都開始嘗試開設窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術的課程并進行教學改革研究[1-3]，作為工科專業(yè)，實驗實訓是課程教學的重要環(huán)節(jié)[4-5]，但面臨教學實訓設備選擇面窄且價格昂貴、教學內容龐雜零散等問題，部分院校通過構建虛擬仿真平臺的方式作為教學設備的補充[6-7]，也取得了較好的效果。根據(jù)我院物聯(lián)網(wǎng)技術應用專業(yè)的自身特點，我院自主設計和實現(xiàn)了窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術教學實訓平臺，將NB-IoT、華為云平臺、傳感網(wǎng)絡等技術嵌入其中，以課程思政為引領，設計了相應的實訓課程內容，對窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術課程的教學改革進行探索實踐。

1 教學實訓平臺的系統(tǒng)架構

為了讓學生有更好的全場景智慧化體驗，課程組自主設計了“智慧社區(qū)”實訓沙盤，功能區(qū)域如圖1所示，分為居民區(qū)、停車場、景觀區(qū)、道路照明與交通信號燈、智能小車等功能區(qū)域，涵蓋了目前窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術大部分的應用場景。

在沙盤的居民區(qū)模型中，安放了溫濕度、人體紅外、光照強度、空氣質量、可燃氣體等常見的傳感器設備，并通過單片機模擬水、電、煤氣的使用量，通過NB-IoT技術定時上報華為云。通過NB-IoT的數(shù)據(jù)下行功能，實現(xiàn)家電遠程控制。

停車場區(qū)域劃分了若干停車位，通過紅外開關檢測車位狀態(tài)，每隔固定時間統(tǒng)計車位的占用情況，上報華為云平臺。

中央景觀燈帶、路燈、交通信號燈控制邏輯基本相同，應用層通過華為云下發(fā)控制命令。分為兩種應用場景：通過應用層軟件實現(xiàn)遠程手動控制；下發(fā)開啟和關閉時間點給控制器，控制器按接收策略定時自動開啟或關閉燈具。

智能小車用于模擬車聯(lián)網(wǎng)的場景，由前導課程完成小車的行走機構控制，智能小車可根據(jù)鋪設的標識線實現(xiàn)自動巡線功能，通過機器視覺識別交通信號燈的狀態(tài)，自主決策運行。車身安裝了北斗衛(wèi)星定位模塊、三軸加速度傳感器，通過NB-IoT技術將車輛當前的位置信息、運行速度、行駛距離等數(shù)據(jù)實時上報至華為云平臺。

2 教學實訓平臺的設計思路

如圖2所示，在“智慧社區(qū)”教學實訓平臺中，將涉及的技術點分為感知層、傳輸層、云服務層、應用層等4個層次。感知層使用CC2530單片機，節(jié)點采集各傳感數(shù)據(jù)后，通過ZigBee協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至協(xié)調器，協(xié)調器統(tǒng)一匯總后通過NB-IoT技術上報華為物聯(lián)網(wǎng)云平臺IoTDA，應用層通過訪問華為云平臺IoTDA提供的API接口，實現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)的獲取及控制命令的下發(fā)。

2.1 教學實訓平臺硬件設計

如圖3所示，感知層使用ZigBee協(xié)議通信，節(jié)點和協(xié)調器均采用CC2530芯片進行控制與通信。以環(huán)境溫濕度為例，傳感器選用SHT11模塊，該模塊使用I2C接口通信，將CC2530芯片的P1_5、P1_6 GPIO引腳復用為I2C通信的SDA和SCL，采集的溫濕度數(shù)據(jù)通過ZigBee協(xié)議無線傳輸至協(xié)調器。CC2530提供2路UART，協(xié)調器將P0_2和P0_3復用為UART0的RXD和TXD，用于PC端調試。同理，將P1_6和P1_7復用為UART1，用于協(xié)調器與NB-IoT模組的通信。NB-IoT模組選用上海移遠出品的BC35系列，該模組采用華為海思Boudica通信芯片，硬件層面實現(xiàn)了自主可控，其提供完備的AT指令集，通過串口與CC2530通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)透傳功能。

2.2 數(shù)據(jù)通信程序設計

以ZigBee協(xié)調器作為NB-IoT模組的主控芯片，開發(fā)數(shù)據(jù)通信程序，將傳感數(shù)據(jù)上報華為云并控制命令的下發(fā)[8]，流程如圖4所示。程序的關鍵是NB-IoT模組的初始化，使其正確入網(wǎng)并對接華為云平臺，主控芯片從串口發(fā)送指定的AT指令至NB-IoT模組并對NB-IoT的響應數(shù)據(jù)進行判斷，分以下步驟完成：

（1）發(fā)送AT+CGATT=？，判斷是否附著網(wǎng)絡；

（2）發(fā)送AT+CGSN=1，判斷IMEI碼；

（3）發(fā)送AT+CGPADDR=？，判斷是否分配到公網(wǎng)IP；

（4）發(fā)送AT+NCDP=119.3.250.80， 5683，設置華為云IoTDA接入IP和端口，文中使用CoAP協(xié)議與華為云對接，接入地址和端口由云平臺提供；

（5）發(fā)送AT+NNMI，開啟模塊接收功能。

NB-IoT模組初始化后，主控芯片通過定時器1實現(xiàn)循環(huán)數(shù)據(jù)上報，在每個定時器間隔將接收的傳感數(shù)據(jù)匯總，向NB-IoT模組發(fā)送AT+NMGS命令上報至華為云平臺。當華為云平臺有控制命令下發(fā)時，NB-IoT模組將接收的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至主控芯片，主控芯片發(fā)生串口外部中斷，在中斷函數(shù)中接收和解析下行控制命令，經(jīng)ZigBee協(xié)議轉發(fā)至對應的ZigBee節(jié)點，通過其連接的繼電器實現(xiàn)各路執(zhí)行器的遠程控制。

2.3 華為云平臺模型設計

華為云平臺提供了云計算、云存儲、IoT物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等系列服務，性能穩(wěn)定可靠，界面友好，文檔完備，在云服務器層面實現(xiàn)了自主可控。華為積極參與窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術的研發(fā)及標準制定，其IoT物聯(lián)網(wǎng)板塊提供的IoTDA服務與NB-IoT可實現(xiàn)無縫對接，實名認證后可免費申請IoTDA服務，目前免費的基礎版最多支持5萬個NB設備同時在線，上下行消息TPS峰值為100，無消息數(shù)上限，能滿足課程所需。

華為云IoTDA為NB-IoT設備提供數(shù)據(jù)承載，主控芯片通過串口發(fā)送AT+NMGS=lt;parm1gt;， lt;parm2gt;格式的AT指令，parm1為報文字節(jié)長度，parm2為十六進制報文。NB-IoT模組將報文透傳至華為云IoTDA，華為云通過NB-IoT模組的IMEI碼與對應產(chǎn)品和設備進行匹配，此時需要對parm2進行數(shù)據(jù)的編解碼。華為云提供了產(chǎn)品的數(shù)據(jù)模型和編解碼插件功能，通過messageid區(qū)分可變長報文，可實現(xiàn)部分或全部屬性的數(shù)據(jù)承載與解析。文中涉及的部分數(shù)據(jù)模型見表1。

為便于處理，上報的溫濕度等數(shù)據(jù)均保留小數(shù)點后兩位后乘100取整。以溫度數(shù)據(jù)單獨上報為例，設當前溫度為20.23 ℃，處理后的數(shù)據(jù)為2023（0x07E7），messageid為0x01，拼接后的上報數(shù)據(jù)為0x0107E7，報文長度為3 B，故上報數(shù)據(jù)的AT指令為AT+NMGS=3， 0107E7。

華為云平臺部分命令模型定義見表2所列，為實現(xiàn)設備的遠程控制，在華為云端定義了所涉及的設備命令字段。以路燈控制為例，如應用層下發(fā)控制命令0x01000201，其中起始的01為messageid，0002為mid，代表自增的序列號，末尾的01代表開命令。主控芯片如正確接收該命令，可針對該命令回發(fā)一條響應命令至云平臺，如

AT+NMGS=5， 0200020100，報文長度5 B，其中起始的

02為messageid，0002為下發(fā)命令對應的mid，01為命令執(zhí)行狀態(tài)字段errcode，代表下發(fā)命令是否正確執(zhí)行，末尾的00為執(zhí)行結果。云平臺和應用層可通過接收響應命令判斷控制命令下發(fā)的執(zhí)行情況。

2.4 應用層程序設計

應用層通過HTTP協(xié)議訪問華為云IoTDA提供的API接口[9]，也可使用華為云提供的SDK，其本質還是訪問API接口。因此應用層程序開發(fā)較為靈活，本課程結合前導課程內容，分別實現(xiàn)了Android、鴻蒙、微信小程序等三個移動端程序。

程序設計主要完成以下功能點：IAM用戶登錄鑒權，獲得數(shù)據(jù)訪問的Token；設備消息查詢；下發(fā)設備命令；數(shù)據(jù)展示與本地存儲。所有功能點都基于華為云平臺提供的API接口，通過Post、Get請求訪問對應URI即可實現(xiàn)，具體不在此贅述。

3 課程建設與思政融入

窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術圍繞自主設計的“智慧社區(qū)”實訓沙盤，將課程內容劃分為5大功能模塊，見表3所列。

每個模塊由若干子任務構成，使用翻轉課堂式教學模式，以學生為主導，自主規(guī)劃設計[10]。依托泛雅教學平臺，以“項目導入、任務驅動”的理念拆分知識點，按照學生的學習能力和任務導向建設課程資源。教學資源建設以項目任務作為基本單元，包含以下幾個方面：（1）基礎性文字材料。包括任務的描述、任務的實施過程、涉及的知識內容等。（2）微課視頻。考慮到學生認知能力和學習興趣的持久度，將涉及的知識點拆分成若干部分，每個微課視頻控制在10分鐘左右，分層遞進。（3）課外習題、實訓作業(yè)的設計。每個單元任務都配有相應的習題或實訓，課外習題以選擇等主觀題為主，考察學生對基礎理論知識的掌握情況，實訓作業(yè)以項目小組為單位，組長負責組員的考核。（4）討論區(qū)的建設。每個單元都會針對所學的知識發(fā)布討論，由同學們自由發(fā)表觀點。

文中研究的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術課程教學實訓平臺的硬件、軟件、云服務器各環(huán)節(jié)大量采用國產(chǎn)技術，自主可控，體現(xiàn)了科技自立自強的國家發(fā)展戰(zhàn)略。在教學過程中，不斷強調國產(chǎn)自主可控的重要性和緊迫感，通過課程的實施，讓學生對國產(chǎn)軟硬件平臺產(chǎn)生信任感、自豪感。

4 實施效果

“智慧社區(qū)”實訓沙盤從2020級物聯(lián)網(wǎng)技術應用專業(yè)開始啟用，進行教學改革探索，學生全程參與沙盤的搭建與開發(fā)，經(jīng)過對2020級、2021級兩個年級的課程教學，取得了較好的成效，大部分同學都能積極主動進行課前準備，能帶著問題進入課堂，部分優(yōu)秀同學可以在課堂上講解其對課堂教學內容的個人見解，同學們在動手實踐環(huán)節(jié)的參與度明顯提高，學習興趣濃厚。

以賽促學、以賽促教。近年來，師生共同參與各項比賽，在“2022一帶一路暨金磚國家技能發(fā)展與技術創(chuàng)新大賽”的“視頻感知技術”賽項國內總決賽中榮獲二等獎，2023年江蘇省職業(yè)院校技能大賽物聯(lián)網(wǎng)技術應用賽項中獲教師組三等獎，2023年第14屆藍橋杯全國軟件和信息技術專業(yè)人才大賽中獲江蘇賽區(qū)一等獎。

5 結 語

在“高水平科技自立自強”背景下，科技自主可控是主基調，窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術各環(huán)節(jié)已基本實現(xiàn)自主可控。但由于相關技術面世不久，技術相對較新，同類院?？山梃b的經(jīng)驗不多，我院在物聯(lián)網(wǎng)技術應用專業(yè)開設窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術課程，積極開展人才培養(yǎng)和教學改革探索。通過自研的“智慧社區(qū)”實訓沙盤，將相關知識點合理拆分、梳理，有效激發(fā)了學生的學習熱情，鍛煉了學生的實際操作能力，培養(yǎng)了學生的工匠精神，后續(xù)將整理課程教學資源編寫配套

教材。

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收稿日期：2023-07-28 修回日期：2023-08-31

基金項目：2022年江陰職業(yè)技術學院教改課題：科技自立自強背景下物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程體系迭代進化及思政融入研究（2022-JG-JS-01）；2022年江蘇省高?！爸腔劢逃c教學數(shù)字化轉型研究”專項課題：“虛實互補、創(chuàng)客教育”的高職計算機網(wǎng)絡專業(yè)在線實踐教學改革研究（2022ZHSZ41）；2023年度江蘇省高校優(yōu)秀科技創(chuàng)新團隊項目：基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧電驅系統(tǒng)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化（蘇科教[2023]3號）

作者簡介：倪 峰（1981—），男，碩士，講師，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術與應用、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。