物联网通信技术课程建设研究.docx

          物联网通信技术课程建设研究                    石 柯，秦磊华(华中科技大学 计算机科学与技术学院，湖北 武汉 430074)摘 要：针对物联网工程专业通信与计算机网络教学领域存在的问题，分析建设物联网通信技术课程的必要性和课程特色，阐述课程知识体系，介绍课堂教学环节和实践环节的规划关键词：物联网工程；物联网通信技术；课程建设基金项目：湖北省高等学校省级教学研究项目（01-22-210030）第一作者简介：石柯，男，教授，研究方向为自组织与传感器网络及其应用，Keshi@1 背 景物联网是由具有自我标识、感知和智能的物理实体，基于通信技术相互连接形成的网络，这些物理设备可以在无须人工干预的条件下实现协同和互动，为人们提供智慧和集约服务物联网的架构分为三层：感知层、传输层和应用层传输层承上启下，是实现物物互联、协同和互动的关键；通信技术是传输层的核心技术，物联网工程专业人才必须掌握其相关知识和技能[1]物联网本身是融合多种异质通信技术和网络的平台，所涉及的通信技术和标准众多，包括属于WPAN的蓝牙和IEEE 802.15.4/Zigbee、属于WLAN的Wifi、属于蜂窝通信的GSM、GPRS和CDMA等技术，以及如何在这些技术的基础上构造统一开放的网络架构并与现有的Internet无缝集成[2]。

目前，国内高校刚刚开始设立物联网相关专业，从现有的资料来看，大多数学校针对物联网工程专业开设了无线传感器网络、短距离无线通信技术（IEEE 802.15.4/Zigbee）等课程，并保留了无线通信和计算机网络等课程作为物联网工程专业通信技术的主干课程[2-3]因此，物联网涉及的通信技术散布在多门课程中，不利于学生完整地掌握相关知识和技能，也无法引导学生进行对比分析并培养学生根据应用环境选择通信技术的能力；课程结构和学时分配也不够优化物联网技术发展很快，无线通信、计算机网络等课程无法覆盖相关的技术，如在嵌入式低功耗设备上实现IPv6协议的6Lowpan技术和标准、面向工业应用的ISA100.11a等此外,物联网通信技术是一门实践性很强的课程，学生不仅仅需要理解基础的理论知识，还要有解决实际问题的能力因此，有必要开展物联网通信技术课程建设的研究，依据物联网工程专业的特点和人才培养的需要设置课堂教学和实验教学内容，将现有无线通信、计算机网络等课程的内容同物联网传输层的前沿技术进行融合，探索基于项目的教学方法在教学中的应用，确保学生知识结构的完善和实践能力的培养2 课程特色（1）该课程以服务于国家战略性新兴产业——物联网人才培训为需求，以物联网的核心技术——物物互联技术为主线，以物联网传输层为统一平台，融合现有无线通信、移动网络等课程的相关内容和最新的前沿技术，而不是把多种技术分散在不同课程中讲述，使学生能够全面理解和掌握相关的知识和技能并进行对比分析，有利于学生对所学知识的理解和应用以及学生能力的培养，同时这种融合也有利于物联网工程专业课程结构和学时分配的优化。

（2）以知识结构完善和能力培养为主线来合理安排教学内容和实验内容，采用基于项目的教学方法，有针对性地培养和提高学生动手和解决实际通信问题的能力，有利于调动学生学习的主动性3）课程内容紧扣物联网通信发展技术的前沿和物联网企业的最新需求，注重介绍国际最新通信技术、标准及协议的最新进展及实际应用3 课程规划3.1 课程内容规划物联网通信技术课程包括的知识点及其组织结构如图1所示，涵盖了基础知识、实用技术和技术集成3个层面，并紧扣技术进展这一线索基础知识部分主要讲述无线通信基础知识和无线网络基础知识，其中无线通信基础的主要知识点包括无线传输基础理论（信号、信道、信道容量、传输媒体和复用）、天线和传播（无线信号在空气传输的损耗模型、多径效应、接收）、 编码和调制（调幅、调频、调相）、 扩频和链路预算（如何根据通信需求选择合适的频段、调制和编码方法等）；无线网络基础的主要知识点包括无线网络的类型、多址接入（MAC）技术及无线网络设计需要关注的问题实用技术部分主要讲述物联网中常用的通信技术、标准与协议，主要包括无线个域网、无线局域网和无线广域网无线个域网技术主要讲述以IEEE 802.15.4/Zigbee为代表的短距离无线通信技术，主要知识点包括IEEE 802.15.4协议的物理层、 MAC层（信道接入方式、有时隙和无时隙的CSMA/CA机制、GTS机制、MAC层数据帧的格式及数据传输过程）、Zigbee协议的网络层（树形路由结构、AODV路由协议、网络层数据包的格式）。

无线局域网的主要知识点包括IEEE 802.11 WLAN协议、IEEE 802.11协议的功耗管理和极低功耗WIFI等无线广域网/蜂窝移动通信的主要知识点包括无线广域网的基本概念、蜂窝移动通信的基本原理、GSM/GPRS、 CDMA标准技术集成部分主要讲述如何将使用不同通信技术和协议的异质网络进行集成，接入进Internet，最终实现随时随地的通信，主要知识点包括基于多协议转换网关实现异质通信技术的集成、基于IP的物联网通信架构（6LowPAN和ROLL协议）等内容的划分和设置可以让学生了解物联网采用了多种通信技术并将其集成在一起，而不是让学生仅仅关注某一具体的技术基础知识部分保证学生掌握足够的理论知识理解具体实用技术的设计、实现和优化实用技术部分使学生理解不同的技术如何使用不同的方法在不同的约束条件下满足不同的需求技术集成部分使学生了解如何综合使用不同的技术构造网络架构同时，为了使学生了解物联网通信技术的最新进展，各个层次的内容还包含了一系列的新技术，如认知无线电技术、自组织网络技术、容迟/扰网络技术等3.2 教学环节在教学环节的课堂讲授中，课程紧扣物联网通信技术的发展、覆盖物—物互联以及与Internet集成涉及到的各项通信技术，体现物联网异质、包容的特点，以如何基于多种不同的通信技术实现统一开放的通信架构为重点，加深学生对物联网中“网”的理解和掌握。

教师在讲授中注重引导学生进行思考和对比，通过对不同通信技术的对比分析培养学生选择通信方案、解决实际问题的能力例如在讲述无线网络的多址接入时，对比确定性接入方法（TDMA、FDMA、CDMA）、随机接入方法（CSMA）和顺序接入方法（令牌环）的不同在随后的无线个域网、无线局域网和无线广域网的教学中，提醒同学为何蜂窝通信系统采用确定性的接入方法，IEEE 802.11g和IEEE 802.15.4采用随机接入方法，同时进一步讨论IEEE 802.11g和IEEE 802.15.4为何在随机接入之外都定义或提供了某种确定性接入方式通过这样的对比分析能够使学生更加深刻地理解接入方式的不同和适用环境，并能够和具体的技术对应为了使学生具有解决实际问题的能力，教师在课程教学环节引入基于项目的教学方法，合理设置有真实应用背景的项目，在课程上讲授实现项目所需的基础知识和技能，由学生使用这些知识和技能设计合理的方案，必要时在实践教学环节中实现例如以水质[来自wWw.lw5u.coM]监测项目为背景，分析和验证IEEE 802.15.4 MAC层采用非时隙 CSMA-CA能够达到的数据传输率，深入理解退避、信道检测、必要的时间间隔对数据传输性能的影响，计算不同传输模式下点对点传输能够达到的最大数据传输率并进行验证。

3.3 实践环节实践环节分为课程实验和课程设计两部分在课程实验部分，以验证性开发为主线设置实验教学内容，涵盖多种通信、组网技术及其应用，融合物联网传输层涉及的多种技术，包括物联网节点、网关通信协议及应用的设计和开发；同时注意对比性实验的设置，验证课程教学内容，加深学生对课程知识的掌握和理解目前设置的课程实验包括：（1）IEEE 802.15.4协议通信实验实现基于802.15.4协议的物联网点到点通信，使学生理解IEEE 802.15.4协议的运行格式和协议中各层数据包格式，能够利用物联网节点开发基于该协议的应用，学生要能理解IEEE802.15.4协议的基本原理，掌握IEEE 802.15.4通信协议中参数的设置，掌握发送和接收程序的开发和测试方法2）短距离无线网络的构建和路由实验利用多个IEEE 802.15.4无线通信节点构造具有特定结构的无线网络，设计和实现静态路由和动态路由协议，实现无线多跳连接通信，并对基于泛洪的路由协议、表驱动的路由协议和反应式的路由协议进行比较 （3）物联网网关实验在了解网关设计的理论和技术的基础上，使用IE[来自wW]EE802.15.4节点和ARM嵌入式系统将IEEE 802.15.4节点采集到的数据通过无线局域网或GPRS网络传输到PC机上，熟悉IEEE 802.15.4节点通过USB接口与PC机或嵌入式系统的连接，掌握网关程序的开发和测试方法。

4）802.15.4和802.11通信协议的对比实验开发相应的通信程序传输同样的数据，测量所需的时间、达到的数据传输率、消耗的能耗等指标，进行对比课程设计以真实项目为背景，涵盖项目实现涉及的关键技术，让学生融合先前基于实验掌握的关键通信技术及组网技术解决实际问题目前的课程设计题目包括：1）短距离无线数据采集与传输基于TinyOS系统设计和开发相应的通信组件，包括节点端组件和基站端组件节点端组件采集传感器数据传输至基站组件，基站组件收集上述数据通过串口通信传输给嵌入式网关增加路由组件采用多跳通信可加分，也可基于Zigbee（TI ZStack）开发和设计相应的通信程序实现上述功能2）无线远程控制基于ATOS（TinyOS）操作系统设计和开发相应的通信组件，包括节点端组件和基站端组件基站组件通过串口通信接受嵌入式网关传来的命令，将其传送给需要控制的节点，节点端组件接受基站组件的命令，修改自身的参数（LED灯的点亮、定时器参数的设置等）增加路由组件采用多跳通信可加分，也可基于Zigbee（TI ZStack）开发和设计相应的通信程序实现上述功能3）基于6LowPAN的远程通信 基于Contiki操作系统设计和开发相应的节点端通信程序，实现节点间基于UDP的通信。

3.4 考核环节该课程的考核分为3部分，即作业、试卷和闭卷考试，其中作业占15%，实验占25%，闭卷考试占60%实验考核采用现场验收并对实验内容进行提问的方式，根据设计方案、实验结果、附加功能、操作熟练程度、现场检查和回答情况及实验报告质量等内容综合评定成绩课程设计单独考核，学生必须在规定的时间内完成其设计内容，并以报告和实际系统参加本课程的考核根据课程设计报告（含系统设计文档和总结报告、源程序等）及实际系统运行情况，按完成质量以及创新性表现综合评分 4 课程建设建议通过两年的课程建设和实践，结合具体的教学效果和学生的反馈，建议在课程建设中要注重以下几点：（1）物联网通信技术课程的内容设置和规划要同物联网工程核心专业课程体系建设紧密结合，深入讲解和剖析物联网导论中提出的相关通信技术，为物联网系统设计提供必要的知识贮备和技术支持，同计算机网络等课程划定课程边界2）目前的物联网教学平台大多基于TI公司的Z Stack协议栈或是TinyOS系统，必须让学生了解必要的嵌入式软件开发知识和技能，因此必须同嵌入式系统相关的课程紧密结合3）要大力加强实践教学环节，增强学生的动手能力，尽量减少验证性实验的数量，增加设计性实验的比重。

5 结 语物联网通信技术课程的建设将来要更加紧贴技术前沿和企业需求，在夯实理论基础的前提下不断更新课程的内容，反映技术的最新进展而且，实践环节教学更是重中之重，特别是支。