章 喆,吳 謹
(武漢科技大學信息科學與工程學院,武漢 430081)
近年來,物聯網技術發(fā)展迅速,低功耗廣域網(Low-Power Wide-Area Network,LPWAN)中授權頻譜下的LTE CAT-NB1 將成為未來物聯網的主要技術之一,CAT-NB1 也稱為窄帶物聯網(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT),它適用于低帶寬、低功耗、遠距離、高安全性、大連接的物聯網應用場景[1]。自2015 年9月由3GPP啟動NB-IoT標準立項以來,幾年間得到全球大多數的運營商、通信設備、芯片、終端廠商的支持和響應。NB-IoT 擁有廣闊的應用前景[2]。目前高校的NB-IoT實驗室建設相對滯后,我校在建設NB-IoT實驗室過程中融入OBE(Outcome Based Education)教育理念,構建了多層次、遞進式實踐教學體系,設計了以“問題為導向”的基本技能、以“任務為驅動”的綜合實踐和以“課題為背景”的工程實踐與創(chuàng)新能力的三級課程教學體系[3]。適應“新工科”背景下,培養(yǎng)具有創(chuàng)新實踐能力、工程應用能力的人才需要。
NB-IoT網絡可以在現有蜂窩網絡上快速部署,可以整合現有LTE 網絡部署,實現低成本部署。該網絡支持低延時敏感度、低設備成本、低功耗的物聯網設備應用。該技術為物聯網的創(chuàng)新應用帶來了良好的技術支持。目前國內運營商已經開始全面建設NB-IoT 網絡,國內大部分地區(qū)已經達到NB-IoT商用要求。通信工程和電子信息工程類專業(yè)學生需要掌握NB-IoT 相關通信原理、網絡規(guī)劃、網絡優(yōu)化、項目應用開發(fā)等相關技術。但由于NB-IoT技術出現的時間短,目前很多高校沒有開設這方面課程,其課程主要特點有:①覆蓋和涉及課程多,內容涵蓋通信工程、電子信息、物聯網等專業(yè),是典型的ICT課程;②體系復雜,NB-IoT的應用涉及終端設備、基于LTE 的基站構建和后端應用平臺的建設;③課程設計靈活多樣,既可以成體系構建課程,也可以在某個環(huán)節(jié)構建,突出各個環(huán)節(jié)特定應用目標;④NB-IoT技術應用性強,適合OBE理念下的工程認證模式[4]。
物聯網通常具有3 層網絡結構模型,其結構從下至上依次為感知層、網絡層和綜合應用層[5]。NB-IoT物聯網實驗室可以在物聯網大框架模式下構建。
感知層屬于物聯網的前端觸角,將NB-IoT感知層納入物聯網大框架下的感知層建設中,依靠大量的感知設備去采集信息,并向網絡層傳送各類數據信息[6]。在物聯網實驗室的建設中,眾多的傳感器設備是感知層必不可少的組成部分。要盡量考慮感知設備的通用性和多樣性,前端感知設備能感知各種物理量,如溫度、濕度、距離、壓力、電壓、電流、角度、加速度等。能對實際的工業(yè)場景進行模擬仿真。前端設備及仿真平臺可以由ARM 核心控制板和多種接口模塊組成,如圖1 所示。
圖1 前端設備及仿真實驗平臺
主控板和各種模塊配置如下:①核心控制器主控板。MCU采用主流ARM處理器Cortex-M3,LCD顯示,蜂鳴器與繼電器控制輸出,USB、I2C、SPI、UART等多種接口;②配置模塊。NB-IoT通信模塊、溫濕度模塊、超聲波測距模塊、RFID 模塊;光電模塊、紅外傳感模塊、煙霧傳感模塊、陀螺儀、三軸加速度模塊等。
NB-IoT網絡層是感知層和應用層的聯系紐帶,由于NB-IoT網絡架構和LTE 系統(tǒng)網絡主體架構相同,NB-IoT基站可以依賴現有運營商基站進行部署,也可以在實驗室構建4G 的小型基站來承載NB-IoT 的應用[7]。在物聯網實驗室建設中獨立搭建4G的小型基站,這無疑會提升實驗室在物聯網和通信工程領域的教學與開發(fā)應用,NB-IoT 網絡體系架構如圖2 所示。NB-IoT無線接入網由一個或多個基站(eNB)組成、eNB負責接入網部分也稱為E-UTRAN,用E-NodeB替代原有的RNC-NodeB結構,各網絡節(jié)點之間的接口使用IP傳輸,原UTRAN 的CS 域業(yè)務均可由LTE 網絡的PS 域承載,EPC(Evolved Packet Core)負責核心網部分,EPC 由MME(Mobility Management Entity)、SGW(Serving Gateway)以及P-GW(PDN Gateway)構成[8]。核心網和LTE系統(tǒng)相比,NB-IoT網絡體系架構主要增加業(yè)務能力開放單元SCEF,來支持控制面?zhèn)鬏斈J胶蚇on-IP 數據的傳輸。非常適合非頻發(fā)的小數據包的傳輸[9]。
圖2 NB-IoT的網絡體系架構
應用層提供大量可靠、快捷、智能的服務應用,應用層可以構建出多種功能的NB-IoT物聯網綜合平臺,實現諸如智慧交通、智慧農業(yè)、環(huán)境監(jiān)控等應用系統(tǒng)。綜合開放平臺構建獨立的應用數據庫,并對外提供開放的API接口,用戶可以通過HTTP/HTTPS 協(xié)議實現設備接入管理、數據查詢、設備指令交互等操作。使物聯網開發(fā)人員可以更加專注于自身應用的開發(fā),而不用將工作重心放在設備接入層的復雜工作上,縮短物聯網系統(tǒng)的開發(fā)周期,降低研發(fā)、運營和運維成本。
在OBE理念下將NB-IoT 課程實驗按基本技能、綜合實踐、工程實踐與創(chuàng)新3 個層次設計[10]。針對NB-IoT技術特點,構建以終端應用和網絡云端應用為主,基站網絡及后端開發(fā)平臺為輔的實驗課程體系,完善各個板塊基本技能和綜合實踐課程的模塊化設計,在此基礎上進行工程實踐和創(chuàng)新,讓學生充分理解NB-IoT技術如何應用于實際行業(yè),以達到對大學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[11]。NB-IoT實驗課程總體系參考表1。
表1 NB-IoT實驗課程總體系
NB-IoT前端設備實驗課程主要涉及傳感采集與設備控制設計及實現。包含傳感數據采集基礎、原理和應用、控制系統(tǒng)設計和應用開發(fā)流程。熟悉開發(fā)環(huán)境、開發(fā)工具、開發(fā)步驟。熟悉各種模塊接口的開發(fā)方法,熟悉各種通信協(xié)議的應用開發(fā)。按OBE模式的模塊化設計實驗課程,可開設的課程參考表2[12]。
構建4G通信基站,一方面可以進行4G通信實驗教學,也可以開展在4G基站部署NB-IoT 通信網絡實驗。掌握無線組網方法,熟悉無線組網性能指標、數據接入的方法和步驟,完成從設備接入到數據在數據庫中的存儲。為后端平臺應用提供支撐。實驗包括網絡的設計及實現、網關配置、鑒權設計、數據存儲等,包含NB-IoT網絡模式配置、數據無縫接入、遠程使用等開發(fā)流程[13]??砷_設的課程參考表3。
表2 NB-IoT前端設備實驗課程
表3 4G與NB-IoT通信網絡實驗課程參考
可靠、功能強大、規(guī)范的NB-IoT 的物聯網開放平臺是做好綜合創(chuàng)新應用實驗的基礎,該平臺可以在規(guī)劃好規(guī)范的情況下分步建設,首先在廠家提供的基本框架上構建平臺基礎應用模塊,后期逐步完善平臺功能,逐步做好物聯網開放平臺和市場上典型第三方軟件(如地理信息系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)等)接口,采用軟件服務模式框架構建平臺內外各個應用程序關系,開發(fā)平臺提供統(tǒng)一規(guī)范的API 接口,方便學生根據按個性化需求快速搭建應用系統(tǒng)[14]。訓練學生熟悉物聯網應用場景描述、需求分析、概要設計、詳細設計、系統(tǒng)集成測試等開發(fā)流程[15]。軟件應用開發(fā)實驗課程可以參考計算機應用相關專業(yè)(如軟件工程)的實驗課程設計,基于現有實驗室設備和平臺逐步開展NB-IoT綜合應用開發(fā)與創(chuàng)新,后期將開發(fā)得比較好的應用系統(tǒng)以軟件服務模式導入開發(fā)平臺,便于后面的相關應用能在此基礎上二次開發(fā)[16]。NB-IoT 綜合應用實驗與開發(fā)可以面向產業(yè)應用設計具體課程參考表4。
表4 NB-IoT綜合應用實驗與開發(fā)實驗課程
我校在新一輪工科改革建設背景下,利用“教育部—中興通訊產教融合創(chuàng)新基地”項目,建設物聯網NB-IoT教學實驗和創(chuàng)新開發(fā)系統(tǒng)平臺,配套建設4G小型基站(見圖3),可以在電子信息、通信工程等專業(yè),可開展包括移動通信原理、4G全網仿真教學、LTE 4G移動通信工程規(guī)劃設計、綜合布線、通信網絡與測試等一系列的基本實驗內容。平臺還包含4G LTE 移動通信系統(tǒng)創(chuàng)新實驗開發(fā)平臺、4G智能終端創(chuàng)新實驗開發(fā)平臺、4G移動互聯網創(chuàng)新實驗開發(fā)平臺(見圖3、圖4),物聯網NB-IoT綜合應用實驗與開發(fā)平臺(見圖1、圖5 和圖6)。該試驗平臺能提升大學生在物聯網領域的工程應用能力,同時構建了基于OBE模式的模塊化實驗體系。構建了能力與知識考核并重的多元化實驗考核評價體系,能全面考核學生對知識的掌握和運用層次,符合新工科工程認證的實驗課程體系建設。
圖3 4G基站設備及配套服務器
圖4 移動通信平臺實驗室
圖5 物聯網智能家居系統(tǒng)和智慧城市模擬沙盤
圖6 物聯網綜合應用實驗室
NB-IoT具有廣闊的應用前景,結合我校ICT 實驗室建設,設計并建設了基于物聯網大框架下的NB-IoT實驗室,配套設計了模塊化的實驗課程體系,在OBE理念下,培養(yǎng)新工科背景下大學生對新技術的理解與應用,以及解決復雜工程問題的能力。通過近1 年的教學與科研實踐,該NB-IoT物聯網實驗室能滿足本科生、研究生等不同層次學生的教學與科研要求。培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新力、提升了學生在通信和物聯網領域的綜合應用能力。