摘 要:物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系龐雜、知識(shí)點(diǎn)零散、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備昂貴。文中以窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)課程為例,自主設(shè)計(jì)研發(fā)課程教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái),對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了梳理和凝練,結(jié)合國(guó)產(chǎn)軟硬件平臺(tái)進(jìn)行思政元素融入,突出科技自立自強(qiáng)。結(jié)果表明,自研的教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)能夠節(jié)約教學(xué)成本,通用性強(qiáng),學(xué)生參與度高,教學(xué)效果良好,為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的人才培養(yǎng)提供了有力支撐。
關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng);NB-IoT;華為云;IoTDA;ZigBee;人才培養(yǎng);教學(xué)改革
中圖分類號(hào):TP393;TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):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(wèn)世以來(lái),得到了國(guó)內(nèi)各廠商的支持。通信層面,國(guó)內(nèi)三大電信運(yùn)營(yíng)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(shù)服務(wù),國(guó)內(nèi)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(yuǎn)、中移、利爾達(dá)等。同時(shí),華為云、阿里云、騰訊云、電信天翼CTWing、移動(dòng)OneNET等都提供了NB-IoT的數(shù)據(jù)接入服務(wù)。NB-IoT技術(shù)使用800~900 MHz的授權(quán)頻段,采用移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的蜂窩網(wǎng)絡(luò),利用窄帶信道提供低速率的物聯(lián)網(wǎng)連接服務(wù),通過(guò)現(xiàn)有的基站實(shí)現(xiàn)信號(hào)的廣覆蓋,節(jié)約了部署成本,且技術(shù)自主可控,在遠(yuǎn)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(yīng)用,前景廣闊。
目前,國(guó)內(nèi)院校物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)都開(kāi)始嘗試開(kāi)設(shè)窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的課程并進(jìn)行教學(xué)改革研究[1-3],作為工科專業(yè),實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)是課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)[4-5],但面臨教學(xué)實(shí)訓(xùn)設(shè)備選擇面窄且價(jià)格昂貴、教學(xué)內(nèi)容龐雜零散等問(wèn)題,部分院校通過(guò)構(gòu)建虛擬仿真平臺(tái)的方式作為教學(xué)設(shè)備的補(bǔ)充[6-7],也取得了較好的效果。根據(jù)我院物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用專業(yè)的自身特點(diǎn),我院自主設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái),將NB-IoT、華為云平臺(tái)、傳感網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)嵌入其中,以課程思政為引領(lǐng),設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)訓(xùn)課程內(nèi)容,對(duì)窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)課程的教學(xué)改革進(jìn)行探索實(shí)踐。
1 教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)
為了讓學(xué)生有更好的全場(chǎng)景智慧化體驗(yàn),課程組自主設(shè)計(jì)了“智慧社區(qū)”實(shí)訓(xùn)沙盤,功能區(qū)域如圖1所示,分為居民區(qū)、停車場(chǎng)、景觀區(qū)、道路照明與交通信號(hào)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(shù)大部分的應(yīng)用場(chǎng)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(qiáng)度、空氣質(zhì)量、可燃?xì)怏w等常見(jiàn)的傳感器設(shè)備,并通過(guò)單片機(jī)模擬水、電、煤氣的使用量,通過(guò)NB-IoT技術(shù)定時(shí)上報(bào)華為云。通過(guò)NB-IoT的數(shù)據(jù)下行功能,實(shí)現(xiàn)家電遠(yuǎn)程控制。
停車場(chǎng)區(qū)域劃分了若干停車位,通過(guò)紅外開(kāi)關(guān)檢測(cè)車位狀態(tài),每隔固定時(shí)間統(tǒng)計(jì)車位的占用情況,上報(bào)華為云平臺(tái)。
中央景觀燈帶、路燈、交通信號(hào)燈控制邏輯基本相同,應(yīng)用層通過(guò)華為云下發(fā)控制命令。分為兩種應(yīng)用場(chǎng)景:通過(guò)應(yīng)用層軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手動(dòng)控制;下發(fā)開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間點(diǎn)給控制器,控制器按接收策略定時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉燈具。
智能小車用于模擬車聯(lián)網(wǎng)的場(chǎng)景,由前導(dǎo)課程完成小車的行走機(jī)構(gòu)控制,智能小車可根據(jù)鋪設(shè)的標(biāo)識(shí)線實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡線功能,通過(guò)機(jī)器視覺(jué)識(shí)別交通信號(hào)燈的狀態(tài),自主決策運(yùn)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(guò)NB-IoT技術(shù)將車輛當(dāng)前的位置信息、運(yùn)行速度、行駛距離等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上報(bào)至華為云平臺(tái)。
2 教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路
如圖2所示,在“智慧社區(qū)”教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)中,將涉及的技術(shù)點(diǎn)分為感知層、傳輸層、云服務(wù)層、應(yīng)用層等4個(gè)層次。感知層使用CC2530單片機(jī),節(jié)點(diǎn)采集各傳感數(shù)據(jù)后,通過(guò)ZigBee協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至協(xié)調(diào)器,協(xié)調(diào)器統(tǒng)一匯總后通過(guò)NB-IoT技術(shù)上報(bào)華為物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)IoTDA,應(yīng)用層通過(guò)訪問(wèn)華為云平臺(tái)IoTDA提供的API接口,實(shí)現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)的獲取及控制命令的下發(fā)。
2.1 教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)
如圖3所示,感知層使用ZigBee協(xié)議通信,節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器均采用CC2530芯片進(jìn)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(fù)用為I2C通信的SDA和SCL,采集的溫濕度數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee協(xié)議無(wú)線傳輸至協(xié)調(diào)器。CC2530提供2路UART,協(xié)調(diào)器將P0_2和P0_3復(fù)用為UART0的RXD和TXD,用于PC端調(diào)試。同理,將P1_6和P1_7復(fù)用為UART1,用于協(xié)調(diào)器與NB-IoT模組的通信。NB-IoT模組選用上海移遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)了自主可控,其提供完備的AT指令集,通過(guò)串口與CC2530通信,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透?jìng)鞴δ堋?/p>
2.2 數(shù)據(jù)通信程序設(shè)計(jì)
以ZigBee協(xié)調(diào)器作為NB-IoT模組的主控芯片,開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)通信程序,將傳感數(shù)據(jù)上報(bào)華為云并控制命令的下發(fā)[8],流程如圖4所示。程序的關(guān)鍵是NB-IoT模組的初始化,使其正確入網(wǎng)并對(duì)接華為云平臺(tái),主控芯片從串口發(fā)送指定的AT指令至NB-IoT模組并對(duì)NB-IoT的響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)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(luò);
(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(shè)置華為云IoTDA接入IP和端口,文中使用CoAP協(xié)議與華為云對(duì)接,接入地址和端口由云平臺(tái)提供;
(5)發(fā)送AT+NNMI,開(kāi)啟模塊接收功能。
NB-IoT模組初始化后,主控芯片通過(guò)定時(shí)器1實(shí)現(xiàn)循環(huán)數(shù)據(jù)上報(bào),在每個(gè)定時(shí)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(bào)至華為云平臺(tái)。當(dāng)華為云平臺(tái)有控制命令下發(fā)時(shí),NB-IoT模組將接收的數(shù)據(jù)通過(guò)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(zhuǎn)發(fā)至對(duì)應(yīng)的ZigBee節(jié)點(diǎn),通過(guò)其連接的繼電器實(shí)現(xiàn)各路執(zhí)行器的遠(yuǎn)程控制。
2.3 華為云平臺(tái)模型設(shè)計(jì)
華為云平臺(tái)提供了云計(jì)算、云存儲(chǔ)、IoT物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等系列服務(wù),性能穩(wěn)定可靠,界面友好,文檔完備,在云服務(wù)器層面實(shí)現(xiàn)了自主可控。華為積極參與窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研發(fā)及標(biāo)準(zhǔn)制定,其IoT物聯(lián)網(wǎng)板塊提供的IoTDA服務(wù)與NB-IoT可實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接,實(shí)名認(rèn)證后可免費(fèi)申請(qǐng)IoTDA服務(wù),目前免費(fèi)的基礎(chǔ)版最多支持5萬(wàn)個(gè)NB設(shè)備同時(shí)在線,上下行消息TPS峰值為100,無(wú)消息數(shù)上限,能滿足課程所需。
華為云IoTDA為NB-IoT設(shè)備提供數(shù)據(jù)承載,主控芯片通過(guò)串口發(fā)送AT+NMGS=lt;parm1gt;, lt;parm2gt;格式的AT指令,parm1為報(bào)文字節(jié)長(zhǎng)度,parm2為十六進(jìn)制報(bào)文。NB-IoT模組將報(bào)文透?jìng)髦寥A為云IoTDA,華為云通過(guò)NB-IoT模組的IMEI碼與對(duì)應(yīng)產(chǎn)品和設(shè)備進(jìn)行匹配,此時(shí)需要對(duì)parm2進(jìn)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(guò)messageid區(qū)分可變長(zhǎng)報(bào)文,可實(shí)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?jǐn)?shù)據(jù)模型見(jiàn)表1。
為便于處理,上報(bào)的溫濕度等數(shù)據(jù)均保留小數(shù)點(diǎn)后兩位后乘100取整。以溫度數(shù)據(jù)單獨(dú)上報(bào)為例,設(shè)當(dāng)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(bào)數(shù)據(jù)為0x0107E7,報(bào)文長(zhǎng)度為3 B,故上報(bào)數(shù)據(jù)的AT指令為AT+NMGS=3, 0107E7。
華為云平臺(tái)部分命令模型定義見(jiàn)表2所列,為實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制,在華為云端定義了所涉及的設(shè)備命令字段。以路燈控制為例,如應(yīng)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(hào),末尾的01代表開(kāi)命令。主控芯片如正確接收該命令,可針對(duì)該命令回發(fā)一條響應(yīng)命令至云平臺(tái),如
AT+NMGS=5, 0200020100,報(bào)文長(zhǎng)度5 B,其中起始的
02為messageid,0002為下發(fā)命令對(duì)應(yīng)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(jié)果。云平臺(tái)和應(yīng)用層可通過(guò)接收響應(yīng)命令判斷控制命令下發(fā)的執(zhí)行情況。
2.4 應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)
應(yīng)用層通過(guò)HTTP協(xié)議訪問(wèn)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(zhì)還是訪問(wèn)API接口。因此應(yīng)用層程序開(kāi)發(fā)較為靈活,本課程結(jié)合前導(dǎo)課程內(nèi)容,分別實(shí)現(xiàn)了Android、鴻蒙、微信小程序等三個(gè)移動(dòng)端程序。
程序設(shè)計(jì)主要完成以下功能點(diǎn):IAM用戶登錄鑒權(quán),獲得數(shù)據(jù)訪問(wèn)的Token;設(shè)備消息查詢;下發(fā)設(shè)備命令;數(shù)據(jù)展示與本地存儲(chǔ)。所有功能點(diǎn)都基于華為云平臺(tái)提供的API接口,通過(guò)Post、Get請(qǐng)求訪問(wèn)對(duì)應(yīng)URI即可實(shí)現(xiàn),具體不在此贅述。
3 課程建設(shè)與思政融入
窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)圍繞自主設(shè)計(jì)的“智慧社區(qū)”實(shí)訓(xùn)沙盤,將課程內(nèi)容劃分為5大功能模塊,見(jiàn)表3所列。
每個(gè)模塊由若干子任務(wù)構(gòu)成,使用翻轉(zhuǎn)課堂式教學(xué)模式,以學(xué)生為主導(dǎo),自主規(guī)劃設(shè)計(jì)[10]。依托泛雅教學(xué)平臺(tái),以“項(xiàng)目導(dǎo)入、任務(wù)驅(qū)動(dòng)”的理念拆分知識(shí)點(diǎn),按照學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和任務(wù)導(dǎo)向建設(shè)課程資源。教學(xué)資源建設(shè)以項(xiàng)目任務(wù)作為基本單元,包含以下幾個(gè)方面:(1)基礎(chǔ)性文字材料。包括任務(wù)的描述、任務(wù)的實(shí)施過(guò)程、涉及的知識(shí)內(nèi)容等。(2)微課視頻??紤]到學(xué)生認(rèn)知能力和學(xué)習(xí)興趣的持久度,將涉及的知識(shí)點(diǎn)拆分成若干部分,每個(gè)微課視頻控制在10分鐘左右,分層遞進(jìn)。(3)課外習(xí)題、實(shí)訓(xùn)作業(yè)的設(shè)計(jì)。每個(gè)單元任務(wù)都配有相應(yīng)的習(xí)題或?qū)嵱?xùn),課外習(xí)題以選擇等主觀題為主,考察學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的掌握情況,實(shí)訓(xùn)作業(yè)以項(xiàng)目小組為單位,組長(zhǎng)負(fù)責(zé)組員的考核。(4)討論區(qū)的建設(shè)。每個(gè)單元都會(huì)針對(duì)所學(xué)的知識(shí)發(fā)布討論,由同學(xué)們自由發(fā)表觀點(diǎn)。
文中研究的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)課程教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的硬件、軟件、云服務(wù)器各環(huán)節(jié)大量采用國(guó)產(chǎn)技術(shù),自主可控,體現(xiàn)了科技自立自強(qiáng)的國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略。在教學(xué)過(guò)程中,不斷強(qiáng)調(diào)國(guó)產(chǎn)自主可控的重要性和緊迫感,通過(guò)課程的實(shí)施,讓學(xué)生對(duì)國(guó)產(chǎn)軟硬件平臺(tái)產(chǎn)生信任感、自豪感。
4 實(shí)施效果
“智慧社區(qū)”實(shí)訓(xùn)沙盤從2020級(jí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用專業(yè)開(kāi)始啟用,進(jìn)行教學(xué)改革探索,學(xué)生全程參與沙盤的搭建與開(kāi)發(fā),經(jīng)過(guò)對(duì)2020級(jí)、2021級(jí)兩個(gè)年級(jí)的課程教學(xué),取得了較好的成效,大部分同學(xué)都能積極主動(dòng)進(jìn)行課前準(zhǔn)備,能帶著問(wèn)題進(jìn)入課堂,部分優(yōu)秀同學(xué)可以在課堂上講解其對(duì)課堂教學(xué)內(nèi)容的個(gè)人見(jiàn)解,同學(xué)們?cè)趧?dòng)手實(shí)踐環(huán)節(jié)的參與度明顯提高,學(xué)習(xí)興趣濃厚。
以賽促學(xué)、以賽促教。近年來(lái),師生共同參與各項(xiàng)比賽,在“2022一帶一路暨金磚國(guó)家技能發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新大賽”的“視頻感知技術(shù)”賽項(xiàng)國(guó)內(nèi)總決賽中榮獲二等獎(jiǎng),2023年江蘇省職業(yè)院校技能大賽物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用賽項(xiàng)中獲教師組三等獎(jiǎng),2023年第14屆藍(lán)橋杯全國(guó)軟件和信息技術(shù)專業(yè)人才大賽中獲江蘇賽區(qū)一等獎(jiǎng)。
5 結(jié) 語(yǔ)
在“高水平科技自立自強(qiáng)”背景下,科技自主可控是主基調(diào),窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)各環(huán)節(jié)已基本實(shí)現(xiàn)自主可控。但由于相關(guān)技術(shù)面世不久,技術(shù)相對(duì)較新,同類院校可借鑒的經(jīng)驗(yàn)不多,我院在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用專業(yè)開(kāi)設(shè)窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)課程,積極開(kāi)展人才培養(yǎng)和教學(xué)改革探索。通過(guò)自研的“智慧社區(qū)”實(shí)訓(xùn)沙盤,將相關(guān)知識(shí)點(diǎn)合理拆分、梳理,有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,鍛煉了學(xué)生的實(shí)際操作能力,培養(yǎng)了學(xué)生的工匠精神,后續(xù)將整理課程教學(xué)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(xiàng)目:2022年江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院教改課題:科技自立自強(qiáng)背景下物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程體系迭代進(jìn)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(xué)數(shù)字化轉(zhuǎn)型研究”專項(xiàng)課題:“虛實(shí)互補(bǔ)、創(chuàng)客教育”的高職計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)專業(yè)在線實(shí)踐教學(xué)改革研究(2022ZHSZ41);2023年度江蘇省高校優(yōu)秀科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目:基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧電驅(qū)系統(tǒng)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化(蘇科教[2023]3號(hào))
作者簡(jiǎn)介:倪 峰(1981—),男,碩士,講師,研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。