章 喆,吳 謹(jǐn)
(武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,武漢 430081)
近年來,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速,低功耗廣域網(wǎng)(Low-Power Wide-Area Network,LPWAN)中授權(quán)頻譜下的LTE CAT-NB1 將成為未來物聯(lián)網(wǎng)的主要技術(shù)之一,CAT-NB1 也稱為窄帶物聯(lián)網(wǎng)(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(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景[1]。自2015 年9月由3GPP啟動NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)立項以來,幾年間得到全球大多數(shù)的運營商、通信設(shè)備、芯片、終端廠商的支持和響應(yīng)。NB-IoT 擁有廣闊的應(yīng)用前景[2]。目前高校的NB-IoT實驗室建設(shè)相對滯后,我校在建設(shè)NB-IoT實驗室過程中融入OBE(Outcome Based Education)教育理念,構(gòu)建了多層次、遞進式實踐教學(xué)體系,設(shè)計了以“問題為導(dǎo)向”的基本技能、以“任務(wù)為驅(qū)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(xué)體系[3]。適應(yīng)“新工科”背景下,培養(yǎng)具有創(chuàng)新實踐能力、工程應(yīng)用能力的人才需要。
NB-IoT網(wǎng)絡(luò)可以在現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)上快速部署,可以整合現(xiàn)有LTE 網(wǎng)絡(luò)部署,實現(xiàn)低成本部署。該網(wǎng)絡(luò)支持低延時敏感度、低設(shè)備成本、低功耗的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備應(yīng)用。該技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新應(yīng)用帶來了良好的技術(shù)支持。目前國內(nèi)運營商已經(jīng)開始全面建設(shè)NB-IoT 網(wǎng)絡(luò),國內(nèi)大部分地區(qū)已經(jīng)達到NB-IoT商用要求。通信工程和電子信息工程類專業(yè)學(xué)生需要掌握NB-IoT 相關(guān)通信原理、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、項目應(yīng)用開發(fā)等相關(guān)技術(shù)。但由于NB-IoT技術(shù)出現(xiàn)的時間短,目前很多高校沒有開設(shè)這方面課程,其課程主要特點有:①覆蓋和涉及課程多,內(nèi)容涵蓋通信工程、電子信息、物聯(lián)網(wǎng)等專業(yè),是典型的ICT課程;②體系復(fù)雜,NB-IoT的應(yīng)用涉及終端設(shè)備、基于LTE 的基站構(gòu)建和后端應(yīng)用平臺的建設(shè);③課程設(shè)計靈活多樣,既可以成體系構(gòu)建課程,也可以在某個環(huán)節(jié)構(gòu)建,突出各個環(huán)節(jié)特定應(yīng)用目標(biāo);④NB-IoT技術(shù)應(yīng)用性強,適合OBE理念下的工程認(rèn)證模式[4]。
物聯(lián)網(wǎng)通常具有3 層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型,其結(jié)構(gòu)從下至上依次為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和綜合應(yīng)用層[5]。NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)實驗室可以在物聯(lián)網(wǎng)大框架模式下構(gòu)建。
感知層屬于物聯(lián)網(wǎng)的前端觸角,將NB-IoT感知層納入物聯(lián)網(wǎng)大框架下的感知層建設(shè)中,依靠大量的感知設(shè)備去采集信息,并向網(wǎng)絡(luò)層傳送各類數(shù)據(jù)信息[6]。在物聯(lián)網(wǎng)實驗室的建設(shè)中,眾多的傳感器設(shè)備是感知層必不可少的組成部分。要盡量考慮感知設(shè)備的通用性和多樣性,前端感知設(shè)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(shè)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(shè)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(wǎng)絡(luò)層是感知層和應(yīng)用層的聯(lián)系紐帶,由于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和LTE 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主體架構(gòu)相同,NB-IoT基站可以依賴現(xiàn)有運營商基站進行部署,也可以在實驗室構(gòu)建4G 的小型基站來承載NB-IoT 的應(yīng)用[7]。在物聯(lián)網(wǎng)實驗室建設(shè)中獨立搭建4G的小型基站,這無疑會提升實驗室在物聯(lián)網(wǎng)和通信工程領(lǐng)域的教學(xué)與開發(fā)應(yīng)用,NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)如圖2 所示。NB-IoT無線接入網(wǎng)由一個或多個基站(eNB)組成、eNB負(fù)責(zé)接入網(wǎng)部分也稱為E-UTRAN,用E-NodeB替代原有的RNC-NodeB結(jié)構(gòu),各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的接口使用IP傳輸,原UTRAN 的CS 域業(yè)務(wù)均可由LTE 網(wǎng)絡(luò)的PS 域承載,EPC(Evolved Packet Core)負(fù)責(zé)核心網(wǎng)部分,EPC 由MME(Mobility Management Entity)、SGW(Serving Gateway)以及P-GW(PDN Gateway)構(gòu)成[8]。核心網(wǎng)和LTE系統(tǒng)相比,NB-IoT網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)主要增加業(yè)務(wù)能力開放單元SCEF,來支持控制面?zhèn)鬏斈J胶蚇on-IP 數(shù)據(jù)的傳輸。非常適合非頻發(fā)的小數(shù)據(jù)包的傳輸[9]。
圖2 NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)
應(yīng)用層提供大量可靠、快捷、智能的服務(wù)應(yīng)用,應(yīng)用層可以構(gòu)建出多種功能的NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)綜合平臺,實現(xiàn)諸如智慧交通、智慧農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)控等應(yīng)用系統(tǒng)。綜合開放平臺構(gòu)建獨立的應(yīng)用數(shù)據(jù)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(xiàn)設(shè)備接入管理、數(shù)據(jù)查詢、設(shè)備指令交互等操作。使物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員可以更加專注于自身應(yīng)用的開發(fā),而不用將工作重心放在設(shè)備接入層的復(fù)雜工作上,縮短物聯(lián)網(wǎng)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(shè)計[10]。針對NB-IoT技術(shù)特點,構(gòu)建以終端應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)云端應(yīng)用為主,基站網(wǎng)絡(luò)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(shè)計,在此基礎(chǔ)上進行工程實踐和創(chuàng)新,讓學(xué)生充分理解NB-IoT技術(shù)如何應(yīng)用于實際行業(yè),以達到對大學(xué)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(shè)備實驗課程主要涉及傳感采集與設(shè)備控制設(shè)計及實現(xiàn)。包含傳感數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)、原理和應(yīng)用、控制系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)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(yīng)用開發(fā)。按OBE模式的模塊化設(shè)計實驗課程,可開設(shè)的課程參考表2[12]。
構(gòu)建4G通信基站,一方面可以進行4G通信實驗教學(xué),也可以開展在4G基站部署NB-IoT 通信網(wǎng)絡(luò)實驗。掌握無線組網(wǎng)方法,熟悉無線組網(wǎng)性能指標(biāo)、數(shù)據(jù)接入的方法和步驟,完成從設(shè)備接入到數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中的存儲。為后端平臺應(yīng)用提供支撐。實驗包括網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計及實現(xiàn)、網(wǎng)關(guān)配置、鑒權(quán)設(shè)計、數(shù)據(jù)存儲等,包含NB-IoT網(wǎng)絡(luò)模式配置、數(shù)據(jù)無縫接入、遠程使用等開發(fā)流程[13]。可開設(shè)的課程參考表3。
表2 NB-IoT前端設(shè)備實驗課程
表3 4G與NB-IoT通信網(wǎng)絡(luò)實驗課程參考
可靠、功能強大、規(guī)范的NB-IoT 的物聯(lián)網(wǎng)開放平臺是做好綜合創(chuàng)新應(yīng)用實驗的基礎(chǔ),該平臺可以在規(guī)劃好規(guī)范的情況下分步建設(shè),首先在廠家提供的基本框架上構(gòu)建平臺基礎(chǔ)應(yīng)用模塊,后期逐步完善平臺功能,逐步做好物聯(lián)網(wǎng)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(wù)模式框架構(gòu)建平臺內(nèi)外各個應(yīng)用程序關(guān)系,開發(fā)平臺提供統(tǒng)一規(guī)范的API 接口,方便學(xué)生根據(jù)按個性化需求快速搭建應(yīng)用系統(tǒng)[14]。訓(xùn)練學(xué)生熟悉物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景描述、需求分析、概要設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、系統(tǒng)集成測試等開發(fā)流程[15]。軟件應(yīng)用開發(fā)實驗課程可以參考計算機應(yīng)用相關(guān)專業(yè)(如軟件工程)的實驗課程設(shè)計,基于現(xiàn)有實驗室設(shè)備和平臺逐步開展NB-IoT綜合應(yīng)用開發(fā)與創(chuàng)新,后期將開發(fā)得比較好的應(yīng)用系統(tǒng)以軟件服務(wù)模式導(dǎo)入開發(fā)平臺,便于后面的相關(guān)應(yīng)用能在此基礎(chǔ)上二次開發(fā)[16]。NB-IoT 綜合應(yīng)用實驗與開發(fā)可以面向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用設(shè)計具體課程參考表4。
表4 NB-IoT綜合應(yīng)用實驗與開發(fā)實驗課程
我校在新一輪工科改革建設(shè)背景下,利用“教育部—中興通訊產(chǎn)教融合創(chuàng)新基地”項目,建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT教學(xué)實驗和創(chuàng)新開發(fā)系統(tǒng)平臺,配套建設(shè)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(wǎng)仿真教學(xué)、LTE 4G移動通信工程規(guī)劃設(shè)計、綜合布線、通信網(wǎng)絡(luò)與測試等一系列的基本實驗內(nèi)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(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實驗開發(fā)平臺(見圖3、圖4),物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT綜合應(yīng)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(xué)生在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的工程應(yīng)用能力,同時構(gòu)建了基于OBE模式的模塊化實驗體系。構(gòu)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(xué)生對知識的掌握和運用層次,符合新工科工程認(rèn)證的實驗課程體系建設(shè)。
圖3 4G基站設(shè)備及配套服務(wù)器
圖4 移動通信平臺實驗室
圖5 物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)和智慧城市模擬沙盤
圖6 物聯(lián)網(wǎng)綜合應(yīng)用實驗室
NB-IoT具有廣闊的應(yīng)用前景,結(jié)合我校ICT 實驗室建設(shè),設(shè)計并建設(shè)了基于物聯(lián)網(wǎng)大框架下的NB-IoT實驗室,配套設(shè)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(xué)生對新技術(shù)的理解與應(yīng)用,以及解決復(fù)雜工程問題的能力。通過近1 年的教學(xué)與科研實踐,該NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)實驗室能滿足本科生、研究生等不同層次學(xué)生的教學(xué)與科研要求。培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新力、提升了學(xué)生在通信和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的綜合應(yīng)用能力。