趙欣然 楊爽 天津市南開中學(xué)

淺談基于NB-IoT的智慧校園

趙欣然 楊爽 天津市南開中學(xué)

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代也是“信息化”時(shí)代的重要發(fā)展階段。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，NB-IoT作為NB-LTE和NB-CIoT的融合體應(yīng)運(yùn)而生，并適應(yīng)了當(dāng)代物聯(lián)網(wǎng)的種種需求。校園中可以利用NB-IoT的技術(shù)特點(diǎn)組建嵌入式系統(tǒng)，將物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)和分散的學(xué)科與技術(shù)相融合，并集成到統(tǒng)一的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)上，應(yīng)用于設(shè)備設(shè)施管理、校園環(huán)境管理和教育教學(xué)管理等方面。

物聯(lián)網(wǎng) NB-IoT智慧校園

在當(dāng)今的教育領(lǐng)域中，如何將信息技術(shù)的優(yōu)勢與學(xué)生自主、合作、探究的學(xué)習(xí)方式相結(jié)合，是教育者始終面臨的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)促使教育領(lǐng)域產(chǎn)生了移動(dòng)學(xué)習(xí)、泛在學(xué)習(xí)等教育教學(xué)理念。而IPV6、云計(jì)算、5G等技術(shù)的發(fā)展，則標(biāo)志著物聯(lián)網(wǎng)與教育領(lǐng)域的深度融合已迫在眉睫。

1 NB-IoT

NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)），融合了NB-CIoT和NB-LTE的優(yōu)點(diǎn)，既滿足了LTE網(wǎng)絡(luò)的低功耗低速率的需求，又解決了NB-CIoT網(wǎng)絡(luò)對室內(nèi)覆蓋性、大規(guī)模設(shè)備鏈接、降低設(shè)備復(fù)雜度、減小功耗和時(shí)延這五大問題。它實(shí)際上是具有高度集成性的網(wǎng)絡(luò)，它將傳感器、射頻識(shí)別、檢測功能、通信和網(wǎng)絡(luò)融合到了一起，使其通信成本大大降低，待其商用后，會(huì)更加適合教育領(lǐng)域的使用。

2 NB-IoT的技術(shù)特點(diǎn)1

2.1 更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力

NB-IoT上行傳輸采用3．75kHz子載波，具備更高的功率譜密度。另外，通過編碼可以帶來3~4dB的增益。通過最大16倍的重傳機(jī)制可以帶來3~12dB的增益。和GPRS相比，NB-IoT的覆蓋可以提高20dB以上。覆蓋更廣、更深，有能力覆蓋到地下停車場、地下管網(wǎng)。

2.2 接入容量大，建設(shè)成本低

NB-IoT可直接部署于2G/3G/4G/5G網(wǎng)絡(luò)。在接入能力上，對于小流量、時(shí)延不敏感的應(yīng)用場景，NB-IoT單個(gè)扇區(qū)可以支持5~10萬個(gè)終端的接入，較現(xiàn)有蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)高出50~100倍以上。因此，運(yùn)營商只需要很低的建設(shè)成本，就可以快速形成NBIoT的承載能力。

2.3 終端低功耗

NB-IoT終端的功耗具有如下特征：（1）網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力強(qiáng)，終端以低于GPRS的功率即可接入網(wǎng)絡(luò)；（2）維持接入的開銷減少，包括空中接口的信令簡化，終端發(fā)送位置信息頻次減少，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽的頻次減少；（3）終端工作方式上的低功耗，包括采用節(jié)能模式，使得99%的時(shí)間里處于深度睡眠的終端功耗只需15μW；（4）芯片與模塊工藝上的低電流、低功耗。因此，NB-IoT終端的功耗低，采用電池供電即可。

3 基于NB-IoT的智慧校園

校園中可以利用NB-IoT組建嵌入式系統(tǒng)，針對于NB-IoT的特點(diǎn)，其在校園網(wǎng)中的應(yīng)用主要有以下幾種情景：

3.1 設(shè)備和設(shè)施管理

學(xué)校的大型會(huì)議設(shè)備、運(yùn)動(dòng)設(shè)施、教學(xué)儀器等都存在著離散分布、管理不方便、保養(yǎng)難等情況。我們可以利用NB-IoT的無線傳感技術(shù)進(jìn)行信息采集，通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對其進(jìn)行管理和調(diào)度，從而有效的對各類設(shè)施的使用情況進(jìn)行追蹤，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)損壞或丟失情況，可通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)向系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)，由系統(tǒng)通知相關(guān)管理員進(jìn)行設(shè)備維護(hù)工作。

3.2 校園環(huán)境管理

在教室內(nèi)安裝傳感器，對教室的溫度進(jìn)行檢測，當(dāng)溫度超過舒適范圍時(shí)，可通過NB-IoT根據(jù)情況開啟空調(diào)或暖氣設(shè)施進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，如果溫度過高，系統(tǒng)將發(fā)送報(bào)警信息至保衛(wèi)部門，減少火災(zāi)隱患。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)與教學(xué)平臺(tái)的集成

教學(xué)平臺(tái)現(xiàn)在已廣泛被教育工作者使用。教育工作者可通過將物聯(lián)網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)和現(xiàn)有教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行對接，提升教學(xué)和管理效率。教師可以根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)獲取學(xué)生的學(xué)習(xí)、行蹤、健康等數(shù)據(jù)，對學(xué)生的綜合素質(zhì)進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)。由于物聯(lián)網(wǎng)和教學(xué)平臺(tái)的集成，教師還可以對學(xué)生的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)研究，從而形成一個(gè)科學(xué)、合理的分析評(píng)估模型，有利于教師對學(xué)生的進(jìn)一步管理。

4 智慧校園面臨的挑戰(zhàn)

4.1 成本：雖然NB-IoT即將商用，它的低成本被大家普遍看好，但是除了硬件成本外，還需要考慮技術(shù)成本。

4.2 安全性：由于NB-IoT的感知層和傳輸層的數(shù)據(jù)傳輸完全借助于無線信道，無線網(wǎng)絡(luò)的安全問題也就成為了智慧校園所面臨的最關(guān)鍵挑戰(zhàn)。為了加強(qiáng)NB-IoT的可用性和可靠性，目前比較成熟的辦法是引入高效的身份認(rèn)證機(jī)制和密鑰機(jī)制，為校園網(wǎng)絡(luò)提供完整性的保護(hù)?；蚪⑼晟频娜肭謾z測防護(hù)系統(tǒng)，攔截惡意攻擊數(shù)據(jù)。

4.3 數(shù)據(jù)量冗余：伴隨著NB-IoT的普及，終端設(shè)備的數(shù)量將急速上升，而終端設(shè)備所帶來的數(shù)據(jù)量將是爆炸性的增長，如何有效地識(shí)別、處理和存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)將成為NB-IoT網(wǎng)絡(luò)存在的問題。

5 結(jié)束語

NB-IoT的技術(shù)特點(diǎn)非常適合于物聯(lián)網(wǎng)下的智慧校園建設(shè)。雖然基于NB-IoT的智慧校園目前很少被人提及，但隨著NBIoT的商用和規(guī)模部署，其價(jià)值將在未來幾年中逐漸顯露。未來智慧教育領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模式很快就會(huì)成為下一代物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的焦點(diǎn)。當(dāng)NB-IoT正式進(jìn)入教育領(lǐng)域時(shí)，我們還需深入研究如何利用NB-IoT進(jìn)行應(yīng)用的革新，并使其達(dá)到真正意義上的基于NB-IoT的智慧校園。

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