基于窄帶物聯網NB-IoT的物聯網專業教學改革研究與實踐

李建波 張真真 潘必超

摘要：分析了物聯網人才需求與現狀，指出物聯網專業教學存在知識體系龐雜、設備貴而多、專業教材跟不上時代快速發展需求等問題，進而提出了物聯網專業教學改革思路，引入窄帶物聯網NB-IoT技術、確定教學改革目標和需要完成的指標，把物聯網專業課程中傳感層、傳輸層、應用層做成一個個應用場景，加深學生專業認知，對接企業需求。

關鍵詞：NB-IoT;物聯網;教學改革

1 物聯網人才需求與現狀

中國產業信息網2020年5月份報道，2020年2月NB-IoT中國連接數突破 1億，2020年全球NB-IoT市場規模約為1071億美元，其中中國NB-IoT市場規模約為525億美元[1]。

隨著物聯網技術的不斷發展，社會對物聯網專業人才的需求也在不斷地提高。我國一些具備一定教學基礎的學校開設了物聯網應用技術專業，并在物聯網教育方面投入了大量的師資力量以及硬件資源，已經取得了很大的成效。但是就我國實際情況來說，在物聯網專業建設方面依然處于發展的階段，在人才培養上存在一定的問題。

1.1 知識體系龐雜

物聯網專業課程包含有基礎課：大學英語、高等數學、毛概、體育等;專業基礎課：物聯網導論、數字電路、模擬電路、Java程序設計、C語言程序與設計、傳感器技術概論、單片機應用技術;專業核心課：嵌入式系統技術、云平臺開發、無線傳感網絡、TCP/IP網絡與協議、RFID技術、標準與中間件技術等。

1.2 設備貴而多

物聯網專業多學科交叉，涉及計算機軟件專業、電子專業、通信專業等多方面專業知識，常用設備有條形碼、RFID射頻、傳感器、服務器等，對專業教師知識能力要求高，同時要求實驗老師較強的管理能力。

1.3 物聯網專業教材跟不上時代快速發展需求

物聯網專業教材已經很多，諸如物聯網技術概論、物聯業導論、傳感器原理及其應用、射頻識別（RFID）原理與應用、物聯網綜合應用實訓、Android物聯網應用程序開發等，已經取得很大效果。但是與飛速發展的經濟需求相比，還存在重理論輕實踐的問題，而且存在最新技術介紹不足的缺口，而且缺口日益增大。

總的來說，多學科交叉、軟硬件強耦合的特點，給專業學生的學習帶來了較大的壓力，學生反映教學是知識點堆砌，找不到完整知識體系，從而導致教學效果并不理想。通過調查可以看出，物聯網專業在我國建立的時間還是相對較短，專業老師大多是由計算機、電子以及通信等方面組建起來的，在教學中往往因為設備、教材等原因并沒有安排學生進行有效的實驗項目，使得物聯網教學注重理論知識的講述，在實踐教學上不足。

西北民族大學數學與計算機科學學院郭曉然提出綜合性創新性實驗教學改革的思路[2];河北經貿大學劉曉爽提出基于MOOC的混合式教學模式研究[3];青島理工大學琴島學院王青芝提出基于物聯網的跨專業融合教學系統[4];武漢軟件工程職業學院韋凡提出以實用性為目的開展項目化教學，讓學生實際工作中需要的技能和知識[5]。

針對問題、總結前人經驗，我們確定教學改革關鍵點第一做好知識點的整合與優化工作，做好教材規劃;第二選擇合適的平臺和項目，能夠突出物聯網專業的特色，能夠綜合表現物聯網專業整體概念;第三做好師資隊伍的建設，提高物聯網專業師資力量。學生通過實際的情景實踐對物聯網專業建立綜合的整體的認識。

2 物聯網專業教學改革

2.1 選取合適知識點

物聯網通信技術有很多種，從傳輸距離上區分，可以簡化分為兩類：一類是短距離無線通信技術，代表技術有ZigBee、Wi-Fi、Bluetooth、Z-wave等，目前非常成熟并有各自應用的領域;另一類是長距離無線通信技術，寬帶廣域網例如電信CDMA、移動、聯通的3G/4G無線蜂窩通信和低功耗廣域網即LPWAN。

NB-IoT窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things），是一種全新的蜂窩物聯網技術，是3GPP組織定義的可在全球范圍內廣泛部署的低功耗廣域網，基于授權頻譜的運營，可以支持大量的低吞吐率、超低成本設備連接，并且具有低功耗、優化的網絡架構等獨特優勢。

在2018年3月召開的3GPPRAN第79次全會上，3GPP正式明確了“5GNR與eMTC/NB-IoT將應用于不同的物聯網場景”，繪制了物聯網發展藍圖，eMTC/NB-IoT已經被認可為5G的一部分，并將與5GNR長時間共存，意味著NB-IoT將在5G時代扮演更加重要的角色。

2.2 選擇合適的平臺和項目

NB-IoT聚焦于低功耗廣覆蓋（LPWA）物聯網市場，具備覆蓋廣、連接多、成本低、功耗低、架構優等特點，主要應用場景有智能抄表、智能路燈控制、智能井蓋、智能環境監測、智慧農業。將NB-IoT引入教學，以NB-IoT為紐帶，將傳感器、單片機、Android應用程序等課程緊密聯系起來，選題農業大棚監控，進行遠程采集溫度、濕度、壓力，形成項目化教學案例，為物聯網專業建設提供引導，制定課程標準、設計教學方案和合理安排實踐環節。

圍繞中國電信窄帶物聯網NB-IoT，融合到物聯網專業課程中，調整專業人才培養方案，完成窄帶物聯網NB-IoT相關教學資料，諸如窄帶物聯網NB-IoT應用技術課程標準、制定教學方案、制作電子課件、制定實驗指導書、制定實訓指導書等。具體指標：

解析窄帶物聯網NB-IoT通信協議，赴電信研究院，討論NB-IoT實訓云平臺事宜，諸如實訓云的功能架構、運行模式、教學功能元素完善、部署及運行環境等問題;

窄帶物聯網NB-IoT開發板研制，開發板上NB-IoT模塊放置，傳感器選型與布局、按鍵模塊、指示燈模塊、液晶顯示模塊等;

窄帶物聯網NB-IoT演示場景設計，對上的協議，諸如服務器接口、消息傳遞;對下的協議：完成空氣溫度、濕度、氣壓、土壤濕度等傳感器接口。首先應用到農業大棚，采集溫濕度、土壤濕度，通過NB-IoT模塊上傳，然后在云端進行處理，并網頁顯示。