趙欣然 楊爽 天津市南開中學

淺談基于NB-IoT的智慧校園

趙欣然 楊爽 天津市南開中學

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術的重要組成部分，物聯(lián)網(wǎng)時代也是“信息化”時代的重要發(fā)展階段。隨著網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，NB-IoT作為NB-LTE和NB-CIoT的融合體應運而生，并適應了當代物聯(lián)網(wǎng)的種種需求。校園中可以利用NB-IoT的技術特點組建嵌入式系統(tǒng)，將物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)和分散的學科與技術相融合，并集成到統(tǒng)一的實訓平臺上，應用于設備設施管理、校園環(huán)境管理和教育教學管理等方面。

物聯(lián)網(wǎng) NB-IoT智慧校園

在當今的教育領域中，如何將信息技術的優(yōu)勢與學生自主、合作、探究的學習方式相結(jié)合，是教育者始終面臨的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)促使教育領域產(chǎn)生了移動學習、泛在學習等教育教學理念。而IPV6、云計算、5G等技術的發(fā)展，則標志著物聯(lián)網(wǎng)與教育領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），融合了NB-CIoT和NB-LTE的優(yōu)點，既滿足了LTE網(wǎng)絡的低功耗低速率的需求，又解決了NB-CIoT網(wǎng)絡對室內(nèi)覆蓋性、大規(guī)模設備鏈接、降低設備復雜度、減小功耗和時延這五大問題。它實際上是具有高度集成性的網(wǎng)絡，它將傳感器、射頻識別、檢測功能、通信和網(wǎng)絡融合到了一起，使其通信成本大大降低，待其商用后，會更加適合教育領域的使用。

2 NB-IoT的技術特點1

2.1 更強的網(wǎng)絡覆蓋能力

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，建設成本低

NB-IoT可直接部署于2G/3G/4G/5G網(wǎng)絡。在接入能力上，對于小流量、時延不敏感的應用場景，NB-IoT單個扇區(qū)可以支持5~10萬個終端的接入，較現(xiàn)有蜂窩移動網(wǎng)絡高出50~100倍以上。因此，運營商只需要很低的建設成本，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)絡覆蓋能力強，終端以低于GPRS的功率即可接入網(wǎng)絡；（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，其在校園網(wǎng)中的應用主要有以下幾種情景：

3.1 設備和設施管理

學校的大型會議設備、運動設施、教學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的無線傳感技術進行信息采集，通過網(wǎng)絡系統(tǒng)對其進行管理和調(diào)度，從而有效的對各類設施的使用情況進行追蹤，當設備出現(xiàn)損壞或丟失情況，可通過NB-IoT網(wǎng)絡向系統(tǒng)發(fā)送信號，由系統(tǒng)通知相關管理員進行設備維護工作。

3.2 校園環(huán)境管理

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

3.3 物聯(lián)網(wǎng)與教學平臺的集成

教學平臺現(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)有教學平臺進行對接，提升教學和管理效率。教師可以根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)獲取學生的學習、行蹤、健康等數(shù)據(jù)，對學生的綜合素質(zhì)進行科學評價。由于物聯(lián)網(wǎng)和教學平臺的集成，教師還可以對學生的各項指標進行數(shù)據(jù)分析和實驗研究，從而形成一個科學、合理的分析評估模型，有利于教師對學生的進一步管理。

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)絡的安全問題也就成為了智慧校園所面臨的最關鍵挑戰(zhàn)。為了加強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證機制和密鑰機制，為校園網(wǎng)絡提供完整性的保護。或建立完善的入侵檢測防護系統(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，終端設備的數(shù)量將急速上升，而終端設備所帶來的數(shù)據(jù)量將是爆炸性的增長，如何有效地識別、處理和存儲海量數(shù)據(jù)將成為NB-IoT網(wǎng)絡存在的問題。

5 結(jié)束語

NB-IoT的技術特點非常適合于物聯(lián)網(wǎng)下的智慧校園建設。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，其價值將在未來幾年中逐漸顯露。未來智慧教育領域的物聯(lián)網(wǎng)應用模式很快就會成為下一代物聯(lián)網(wǎng)應用的焦點。當NB-IoT正式進入教育領域時，我們還需深入研究如何利用NB-IoT進行應用的革新，并使其達到真正意義上的基于NB-IoT的智慧校園。

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