《物联网通信技术及应用（第2版）微课视频版》教学大纲

第第1页总共8页《物联网通信技术及应用（第2版）微课视频版》教学大纲课程编号:课程性质:专业必修课课程名称:物联网通信技术学时/学分：40/3.0英文名称:Internetofthingscommunicationtechnology考核方式：考试选用教材:范立南，兰丽辉，尹浩.物联网通信技术及应用.北京：清华大学出版社，2023大纲执笔人：先修课程:通信原理；模拟电路；C语言程序设计大纲审核人：适用专业:物联网工程专业一、教学目标通过本课程的理论教学和实验训练，使学生具备下列能力：1.理解并掌握各种物联网通信技术的基本概念和原理，以及相关应用系统基本设计方法和开发实现技术。并具备运行相关知识对应用系统各单元进行分析的能力。2.掌握与物联网通信技术相关应用系统的开发流程、软硬件的选型和配置方法，具有针种解决方案。3.理解物联网通信技术的内涵、系统构成的复杂性和多样性；熟悉与物联网问题相关的Zigbee、蓝牙、WiFi、NB-IoT、移动通信技术典型应用领域，具备评价物联网工程问题的解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响的能力，并理解应承担的责任。二、课程目标与毕业要求的对应关系毕业要求指标点课程目标1.工程知识2.3能够针对物联网工程领域的智慧标识、气象感知、泛在计算等复杂工程问题的多种可选方案，根据约束条件进行分析评价，通过文献研究等方法给出具体指标和有效结论。（H）课程目标13.设计/开发解决方案3.1能够针对物联网工程领域的智慧标识、气象感知、泛在计算等复杂工程问题，根据设计目标，确定合适的技术路线；（H）课程目标26.工程与社会6.2能够评价物联网工程专业实践和解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并理解应承课程目标3担的责任。（M）三、考核与评价标准课程目标考核与评价标准0<=X<6060<=X<7070<=X<8080<=X<9090<=X<=100课程目标1未能掌握物联网各种通信技术的基本概念和原理，不理解不同通信技术应用系统组成及各单元的功能。基本掌握物联网各种通信技术的基本概念和原理，能够理解不同通信技术应用系统组成及各单元的功能，只能对其进行简单分析。熟练掌握物联网各种通信技术的基本概念、原理和系统设计方法，对不同通信技术应用系统组成及各单元进行初步分析，分析结果完整性、准确性略有不足。熟练掌握物联网各种通信技术基本概念、原理和系统设计方法，对不同通信技术应用系统组成及各单元进行分析，分析结果完整性准确，但系统性有不足。熟练掌握物联网各种通信技术的基本概念、原理和系统设计方法，对不同通信技术应用系统组成及各单元进行系统、准确地分析。课程目标2针对具体的应用场景需求，不能选择合适的通信技术，给出的系统设计方案的不完整，思路不清晰，功能设计存在较大错误。能够结合实际应用场景的需求，选择通信技术、元器件及开发平台进行应用系统的方案设计，符合基本的功能需求。能够结合实际应用场景的需求，合理选择通信技术、元器件及软硬件开发平台进行应用系统的方案设计，技术可行，功能正确。能够结合实际应用场景的需求，合理选择通信技术、元器件及软硬件开发平台进行应用系统的方案设计，功能正确，并能根据仿真效果对系统进行优化。能够结合实际应用场景的需求，给出合理的应用系统方案设计，能够熟练运用相关的原理及技术对方案进行优化，具有一定的创新性。课程目标3对物联网通信技术的内涵，应用系统构成的复杂性和多样性没有较好的认识；不了解不同通信技术典型应用场景。理解物联网通信技术的内涵；对系统构成的复杂性和多样性有较好的认识；对不同通信技术的典型应用场景有一定的了解，能够对具体应用案例熟悉不同通信技术的典型应用场景，能对具体应用场景下的案例进行解析；能够简单评估不同通信技术应用系统设计方案对社会、文化等的影掌握不同通信技术的典型应用场景；能对具体应用场景下的案例进行解析；能够合理评估不同通信技术系统设计方案对社理解并掌握不同通信技术的典型应用场景，能够举一反三合理扩展其应用场景，对应用案例进行详细、清晰解析；并且合进行解析。响。会、文化等的影响，并且理解应承担的责任。理充分评估不同通信技术设计方案对社会、文化等的影响，并且理解应承担的责任。四、教学基本内容1.通信原理的基础知识(支撑课程目标1)（1）通信的基本概念（2）通信系统的组成（3）信息及其度量（4）通信系统的主要性能指标要求学生：了解通信的基本概念（消息、信息和通信），掌握基本概念间的本质联系；掌握通信系统的组成、模拟通信系统的一般模型，理解数字通信系统的模型、数字通信的优点，了解通信系统划分为不同的通信类别；理解信息的定义，每个二进制码的信息量表示、度量，掌握信息熵的定义，计算方法，掌握消息的信息熵、信息量计算；掌握数字通信系统的有效性指标（码元传输速率、信息传输速率）和数字通信系统的可靠性指标（误码率、比特率）的计算。2.ZigBee通信技术(支撑课程目标1、2、3)（1）ZigBee技术概述与协议栈（2）ZigBee网络的拓扑结构（3）ZigBee网络的路由协议（4）ZigBee网络的组建要求学生：了解ZigBee技术的形成、发展，理解ZigBee技术的特点、应用，理解ZigBee技术的应用领域；理解ZigBee体系结构，ZigBee原语，掌握ZigBee协议栈的4个层次；理解设备类型，节点类型，拓扑结构类型；理解物理层地址分配机制，掌握ZigBee网络路由的数据结构，掌握ZigBee网络的路由算法，掌握ZigBee网络的路由机制；理解ZigBee网络的初始化，理解设备节点加入ZigBee网络，了解智能家居系统的组建。3.蓝牙通信技术(支撑课程目标1、2、3)（1）蓝牙技术的概论与协议体系结构（2）蓝牙网络连接（3）蓝牙通信和应用领域要求学生：了解蓝牙技术发展概况、特点、版本；理解传统网络协议OSI参考模型，掌握蓝牙协议的分层结构。理解蓝牙底层模块中链路管理层、基带层、无线电链路层的作用、特点和关键技术；理解主机控制接口（HCI）的作用和特点；理解蓝牙中间层逻辑链路控制与适配协议、服务发现协议、线缆替代协议和二进制电话控制协议的作用和特点；了解蓝牙应用层协议；掌握微微网和散射网的构成原理，掌握蓝牙网络的状态及其转换；理解蓝牙通信的实际过程，了解相关的蓝牙应用产品。4.RFID通信技术(支撑课程目标1、2、3)（1）RFID概述与基本原理（2）RFID天线与射频前端（3）RFID编码、调制、防碰撞技术（4）RFID技术的典型应用要求学生：掌握RFID系统的基本工作原理，理解电感耦合和电磁反向散射耦合的工作方式；了解RFID系统的分类方式和分类情况；解RFID不同频率的工作特点；；掌握曼彻斯特码、密勒码、修正密勒码的编码规则；了解频移键控（FSK）和相移键控（PSK）的工作原理，理解频移键控的调制方法和解调原理，理解相移键控的调制原理；掌握奇偶校验码和CRC码的规则和工作原理；掌握Aloha算法、时隙Aloha算法、二进制树型搜索算法的基本原理；5.WiFi通信技术(支撑课程目标1、2、3)（1）WiFi技术简介（2）WLAN的物理层（3）WLAN的媒体访问控制层（4）WiFi组网及应用要求学生：了解WiFi的基本概念，无线局域网简介，理解WiFi主要协议的特点和区别；了解WLAN架构；了解WLAN物理层的概况，理解物理层所采用的数字调制技术；了解MAC层的主要功能，MAC帧主体框架结构，MAC管理信息帧结构，掌握MAC控制信息帧结构和数据帧结构；理解CSMA/CA原理，掌握分布式协调功能DCF和点协调功能的信道接入模式。了解无线局域网的组成，家庭WiFi组网实例，掌握无线局域网的拓扑结构6.NB-IoT和LoRa通信技术(支撑课程目标1、2、3)（1）NB-IoT和LoRa技术概述（2）NB-IOT的关键技术（3）NB-IOT的网络体系与应用架构（4）LoRa的扩频技术与网络架构（5）LoRa的应用场景要求学生：了解NB-Iot的发展历程，应用领域，技术特点，理解与NB-IoT相关特点相关的关键技术，掌握与低功耗相关的两种PSM和dDRX工作模式；了解NB-IoT系统架构相关的NB-IoT终端、基站、核心网、IoT平台，理解NB-IoT的无线接口协议；理解NB-IoT的注册过程、注销注册过程、数据传输模式，了解NB-Iot的应用系统组建；了解LoRa的发展历程，技术特点，掌握LoRa的扩频原理，理解参数的意义以及如何调参；理解LoRaWAN的网络架构相关的MAC层、LoRaWAN架构、CLAA网络；了解LoRa的不同应用场景。7.移动通信技术(支撑课程目标1)（1）移动通信技术概述（2）2G、3G、4G移动通信技术（3）第五代移动通信技术要求学生：了解移动通信的发展，掌握移动通信组成，组网覆盖，理解移动通信的多址方式和双工方式;了解2G网络通信技术发展历史，GSM系统网络结构及接口，理解GSM系统的号码;了解3G、4G和5G网络技术概况，关键技术。8.物联网通信技术的综合应用(支撑课程目标1、2、3)（1）智慧农业（2）智能家居（3）智能电网（4）智能交通（5）物联网技术的共享单车锁（6）应用蓝牙转接技术的共享单车锁要求学生：了解物联网通信技术在智慧农业、智能家居、智能电网、智能交通、共享单车技术方面的应用实例，理解物联网的体系结构，软件硬件协同工作的过程。9.课程实验(支撑课程目标实验1ZigBee组网实验(1)IAREmbeddedWorkbenchIDE开发环境(2)ZigBee协议栈的源文件(3)ZigBee网络组建要求学生：了解zigbee节点的组网方式，硬件线路连接方式，协议栈程序的烧录；掌握IEEE地址修改方法；掌握搭建zigbee网络的基本方法，并且能够排除简单组网故障，掌握ZigBee协议栈的串口通信，掌握利用上位机软件获取传感器数据。实验2 蓝牙原理实验(1)蓝牙组网的模式(2)蓝牙模块线路连接(3)蓝牙模块AT指令要求学生：了解蓝牙协议栈的架构，微微网的工作原理，AT指令的语法和工作原理；掌握蓝牙通信原理。实验3WiFi模块实验(1)WiFi技术的组网模式(2)WiFi模块线路连接(3)WiFi模块AT指令要求学生：了解WiFi协议栈的架构，WiFi组网的原理，AT指令的语法和工作原理；掌握WiFi模块在组网中的不同模式以及不同模式下WiFi模块的通信过程。实验4智能家居系统实验(1)智能家居相关的ZigBee协议栈源文件(2)硬件连接电路图(3)运行在平板上的Zigbee上位机终端要求学生：掌握Z-Stack协议栈的串口通信；掌握Z-Stack协议栈的组网点播通信；掌握Z-Stack协议栈程序的移植，进一步理解Z-Stack协议栈的架构。了解电视遥控，门磁，灯光，智能插座硬件电路连接方法，控制信号发送对应的电路指示；掌握搭建智能家居zigbee网络的基本方法，掌握利用上位机软件获取传感器数据，并且控制相应的执行器。五、建议教学进度1.通信原理的基础知识 学时数62.ZigBee通信技术 学时数63.蓝牙通信技术 学时数2WiFi通信技术 学时数2RFID通信技术 学时数46.NB-IoT与LoRa通信技术 学时数47.移动通信技术 学时数48.物联网通信技术的综合应用 学时数49.课程实验 学时数8六、教学方法1.“学做用”一体化教学：课程遵循“教中学—学中做—做中用”一体化的设计思路，突出学生的主动性和能动性。通过基础知识、原理和技术的讲解，使学生在“学”的过程中掌握物联网通信技术和相关应用系统的必备知识；通过实验操作讲解，使学生掌握不同通信技术应用系统构建的实践技能，指导学生如何“做”，在“做”的过程中，激发学生的求知欲和创造欲；通过综合应用案例讲解，使学生掌握如何去“用”基本原理、技术解决实际应用场景中的问题，促进学习者更加积极地去“做”，形成“学”和“用”的协同。2.翻转课堂：根据课程组织需求，引导学生进行课前探究，给学生布置预习作业，鼓励学生通过线上和线下资源进行自学，进行独立思考，增强学生自主学习的意识；课中组建学习小组，依据学生自学情况及课堂小组问题回答、翻转课堂内容讲述等环节的具体分析，开展精准化教学，使学生成为课堂的中心；课后学生进行查漏补缺，巩固知识，在课堂讨论过程中布置问题供学生个性拓展学习。七、考核方式课堂表现/作业，实验，期末考试。八、成绩评定方