窄帶物聯網技術課程教學實訓平臺設計

摘 要：物聯網技術體系龐雜、知識點零散、實驗實訓設備昂貴。文中以窄帶物聯網技術課程為例，自主設計研發課程教學實訓平臺，對教學內容進行了梳理和凝練，結合國產軟硬件平臺進行思政元素融入，突出科技自立自強。結果表明，自研的教學實訓平臺能夠節約教學成本，通用性強，學生參與度高，教學效果良好，為物聯網應用技術專業的人才培養提供了有力支撐。

關鍵詞：物聯網；NB-IoT；華為云；IoTDA；ZigBee；人才培養；教學改革

中圖分類號：TP393；TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）08-0-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.08.040

0 引 言

自從窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things， NB-IoT）問世以來，得到了國內各廠商的支持。通信層面，國內三大電信運營商皆已完成NB-IoT的接入，華為、中興、大唐等企業提供了全方位的基站技術服務，國內目前有多家企業從事NB-IoT芯片研發，如華為海思的Boudica系列、紫光展銳RDA系列、聯發科的MT2625等，模組廠家有上海移遠、中移、利爾達等。同時，華為云、阿里云、騰訊云、電信天翼CTWing、移動OneNET等都提供了NB-IoT的數據接入服務。NB-IoT技術使用800～900 MHz的授權頻段，采用移動運營商的蜂窩網絡，利用窄帶信道提供低速率的物聯網連接服務，通過現有的基站實現信號的廣覆蓋，節約了部署成本，且技術自主可控，在遠程抄表、智能家居、安防、車聯網、智慧城市等方面得到了廣泛應用，前景廣闊。

目前，國內院校物聯網相關專業都開始嘗試開設窄帶物聯網技術的課程并進行教學改革研究[1-3]，作為工科專業，實驗實訓是課程教學的重要環節[4-5]，但面臨教學實訓設備選擇面窄且價格昂貴、教學內容龐雜零散等問題，部分院校通過構建虛擬仿真平臺的方式作為教學設備的補充[6-7]，也取得了較好的效果。根據我院物聯網技術應用專業的自身特點，我院自主設計和實現了窄帶物聯網技術教學實訓平臺，將NB-IoT、華為云平臺、傳感網絡等技術嵌入其中，以課程思政為引領，設計了相應的實訓課程內容，對窄帶物聯網技術課程的教學改革進行探索實踐。

1 教學實訓平臺的系統架構

為了讓學生有更好的全場景智慧化體驗，課程組自主設計了“智慧社區”實訓沙盤，功能區域如圖1所示，分為居民區、停車場、景觀區、道路照明與交通信號燈、智能小車等功能區域，涵蓋了目前窄帶物聯網技術大部分的應用場景。

在沙盤的居民區模型中，安放了溫濕度、人體紅外、光照強度、空氣質量、可燃氣體等常見的傳感器設備，并通過單片機模擬水、電、煤氣的使用量，通過NB-IoT技術定時上報華為云。通過NB-IoT的數據下行功能，實現家電遠程控制。

停車場區域劃分了若干停車位，通過紅外開關檢測車位狀態，每隔固定時間統計車位的占用情況，上報華為云平臺。

中央景觀燈帶、路燈、交通信號燈控制邏輯基本相同，應用層通過華為云下發控制命令。分為兩種應用場景：通過應用層軟件實現遠程手動控制；下發開啟和關閉時間點給控制器，控制器按接收策略定時自動開啟或關閉燈具。

智能小車用于模擬車聯網的場景，由前導課程完成小車的行走機構控制，智能小車可根據鋪設的標識線實現自動巡線功能，通過機器視覺識別交通信號燈的狀態，自主決策運行。車身安裝了北斗衛星定位模塊、三軸加速度傳感器，通過NB-IoT技術將車輛當前的位置信息、運行速度、行駛距離等數據實時上報至華為云平臺。

2 教學實訓平臺的設計思路

如圖2所示，在“智慧社區”教學實訓平臺中，將涉及的技術點分為感知層、傳輸層、云服務層、應用層等4個層次。感知層使用CC2530單片機，節點采集各傳感數據后，通過ZigBee協議將數據傳輸至協調器，協調器統一匯總后通過NB-IoT技術上報華為物聯網云平臺IoTDA，應用層通過訪問華為云平臺IoTDA提供的API接口，實現傳感數據的獲取及控制命令的下發。

2.1 教學實訓平臺硬件設計

如圖3所示，感知層使用ZigBee協議通信，節點和協調器均采用CC2530芯片進行控制與通信。以環境溫濕度為例，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引腳復用為I2C通信的SDA和SCL，采集的溫濕度數據通過ZigBee協議無線傳輸至協調器。CC2530提供2路UART，協調器將P0_2和P0_3復用為UART0的RXD和TXD，用于PC端調試。同理，將P1_6和P1_7復用為UART1，用于協調器與NB-IoT模組的通信。NB-IoT模組選用上海移遠出品的BC35系列，該模組采用華為海思Boudica通信芯片，硬件層面實現了自主可控，其提供完備的AT指令集，通過串口與CC2530通信，實現數據透傳功能。

2.2 數據通信程序設計

以ZigBee協調器作為NB-IoT模組的主控芯片，開發數據通信程序，將傳感數據上報華為云并控制命令的下發[8]，流程如圖4所示。程序的關鍵是NB-IoT模組的初始化，使其正確入網并對接華為云平臺，主控芯片從串口發送指定的AT指令至NB-IoT模組并對NB-IoT的響應數據進行判斷，分以下步驟完成：

（1）發送AT+CGATT=？，判斷是否附著網絡；

（2）發送AT+CGSN=1，判斷IMEI碼；

（3）發送AT+CGPADDR=？，判斷是否分配到公網IP；

（4）發送AT+NCDP=119.3.250.80， 5683，設置華為云IoTDA接入IP和端口，文中使用CoAP協議與華為云對接，接入地址和端口由云平臺提供；

（5）發送AT+NNMI，開啟模塊接收功能。

NB-IoT模組初始化后，主控芯片通過定時器1實現循環數據上報，在每個定時器間隔將接收的傳感數據匯總，向NB-IoT模組發送AT+NMGS命令上報至華為云平臺。當華為云平臺有控制命令下發時，NB-IoT模組將接收的數據通過串口發送至主控芯片，主控芯片發生串口外部中斷，在中斷函數中接收和解析下行控制命令，經ZigBee協議轉發至對應的ZigBee節點，通過其連接的繼電器實現各路執行器的遠程控制。

2.3 華為云平臺模型設計

華為云平臺提供了云計算、云存儲、IoT物聯網、大數據分析等系列服務，性能穩定可靠，界面友好，文檔完備，在云服務器層面實現了自主可控。華為積極參與窄帶物聯網技術的研發及標準制定，其IoT物聯網板塊提供的IoTDA服務與NB-IoT可實現無縫對接，實名認證后可免費申請IoTDA服務，目前免費的基礎版最多支持5萬個NB設備同時在線，上下行消息TPS峰值為100，無消息數上限，能滿足課程所需。

華為云IoTDA為NB-IoT設備提供數據承載，主控芯片通過串口發送AT+NMGS=lt;parm1gt;， lt;parm2gt;格式的AT指令，parm1為報文字節長度，parm2為十六進制報文。NB-IoT模組將報文透傳至華為云IoTDA，華為云通過NB-IoT模組的IMEI碼與對應產品和設備進行匹配，此時需要對parm2進行數據的編解碼。華為云提供了產品的數據模型和編解碼插件功能，通過messageid區分可變長報文，可實現部分或全部屬性的數據承載與解析。文中涉及的部分數據模型見表1。

為便于處理，上報的溫濕度等數據均保留小數點后兩位后乘100取整。以溫度數據單獨上報為例，設當前溫度為20.23 ℃，處理后的數據為2023（0x07E7），messageid為0x01，拼接后的上報數據為0x0107E7，報文長度為3 B，故上報數據的AT指令為AT+NMGS=3， 0107E7。

華為云平臺部分命令模型定義見表2所列，為實現設備的遠程控制，在華為云端定義了所涉及的設備命令字段。以路燈控制為例，如應用層下發控制命令0x01000201，其中起始的01為messageid，0002為mid，代表自增的序列號，末尾的01代表開命令。主控芯片如正確接收該命令，可針對該命令回發一條響應命令至云平臺，如

AT+NMGS=5， 0200020100，報文長度5 B，其中起始的

02為messageid，0002為下發命令對應的mid，01為命令執行狀態字段errcode，代表下發命令是否正確執行，末尾的00為執行結果。云平臺和應用層可通過接收響應命令判斷控制命令下發的執行情況。

2.4 應用層程序設計

應用層通過HTTP協議訪問華為云IoTDA提供的API接口[9]，也可使用華為云提供的SDK，其本質還是訪問API接口。因此應用層程序開發較為靈活，本課程結合前導課程內容，分別實現了Android、鴻蒙、微信小程序等三個移動端程序。

程序設計主要完成以下功能點：IAM用戶登錄鑒權，獲得數據訪問的Token；設備消息查詢；下發設備命令；數據展示與本地存儲。所有功能點都基于華為云平臺提供的API接口，通過Post、Get請求訪問對應URI即可實現，具體不在此贅述。

3 課程建設與思政融入

窄帶物聯網技術圍繞自主設計的“智慧社區”實訓沙盤，將課程內容劃分為5大功能模塊，見表3所列。

每個模塊由若干子任務構成，使用翻轉課堂式教學模式，以學生為主導，自主規劃設計[10]。依托泛雅教學平臺，以“項目導入、任務驅動”的理念拆分知識點，按照學生的學習能力和任務導向建設課程資源。教學資源建設以項目任務作為基本單元，包含以下幾個方面：（1）基礎性文字材料。包括任務的描述、任務的實施過程、涉及的知識內容等。（2）微課視頻?？紤]到學生認知能力和學習興趣的持久度，將涉及的知識點拆分成若干部分，每個微課視頻控制在10分鐘左右，分層遞進。（3）課外習題、實訓作業的設計。每個單元任務都配有相應的習題或實訓，課外習題以選擇等主觀題為主，考察學生對基礎理論知識的掌握情況，實訓作業以項目小組為單位，組長負責組員的考核。（4）討論區的建設。每個單元都會針對所學的知識發布討論，由同學們自由發表觀點。

文中研究的窄帶物聯網技術課程教學實訓平臺的硬件、軟件、云服務器各環節大量采用國產技術，自主可控，體現了科技自立自強的國家發展戰略。在教學過程中，不斷強調國產自主可控的重要性和緊迫感，通過課程的實施，讓學生對國產軟硬件平臺產生信任感、自豪感。

4 實施效果

“智慧社區”實訓沙盤從2020級物聯網技術應用專業開始啟用，進行教學改革探索，學生全程參與沙盤的搭建與開發，經過對2020級、2021級兩個年級的課程教學，取得了較好的成效，大部分同學都能積極主動進行課前準備，能帶著問題進入課堂，部分優秀同學可以在課堂上講解其對課堂教學內容的個人見解，同學們在動手實踐環節的參與度明顯提高，學習興趣濃厚。

以賽促學、以賽促教。近年來，師生共同參與各項比賽，在“2022一帶一路暨金磚國家技能發展與技術創新大賽”的“視頻感知技術”賽項國內總決賽中榮獲二等獎，2023年江蘇省職業院校技能大賽物聯網技術應用賽項中獲教師組三等獎，2023年第14屆藍橋杯全國軟件和信息技術專業人才大賽中獲江蘇賽區一等獎。

5 結 語

在“高水平科技自立自強”背景下，科技自主可控是主基調，窄帶物聯網技術各環節已基本實現自主可控。但由于相關技術面世不久，技術相對較新，同類院校可借鑒的經驗不多，我院在物聯網技術應用專業開設窄帶物聯網技術課程，積極開展人才培養和教學改革探索。通過自研的“智慧社區”實訓沙盤，將相關知識點合理拆分、梳理，有效激發了學生的學習熱情，鍛煉了學生的實際操作能力，培養了學生的工匠精神，后續將整理課程教學資源編寫配套

教材。

參考文獻

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收稿日期：2023-07-28 修回日期：2023-08-31

基金項目：2022年江陰職業技術學院教改課題：科技自立自強背景下物聯網專業課程體系迭代進化及思政融入研究（2022-JG-JS-01）；2022年江蘇省高?！爸腔劢逃c教學數字化轉型研究”專項課題：“虛實互補、創客教育”的高職計算機網絡專業在線實踐教學改革研究（2022ZHSZ41）；2023年度江蘇省高校優秀科技創新團隊項目：基于物聯網的智慧電驅系統研發與產業化（蘇科教[2023]3號）

作者簡介：倪 峰（1981—），男，碩士，講師，研究方向為物聯網技術與應用、嵌入式系統開發。