物联网通信技术课程教学大纲

物联网通信技术课程教学大纲一、课程基本信息课程名称：物联网通信技术学分/学时：3学分，总学时48（理论32+实践16）适用专业：物联网工程、通信工程、电子信息工程等相关专业先修课程：计算机网络基础、通信原理、物联网导论二、课程教学目标（一）知识目标学生需系统掌握物联网通信的核心技术体系：理解短距离无线通信（如ZigBee、蓝牙）、低功耗广域网络（LPWAN）、5G-IoT等技术的工作原理与协议规范；熟悉MQTT、CoAP等物联网通信协议的设计逻辑；掌握物联网通信架构（感知层、网络层、应用层）的信息交互机制；了解通信安全的加密算法与防护策略。（二）能力目标1.工程实践能力：能基于硬件平台（如STM32、ESP32）搭建短距离通信网络，完成传感器数据的无线传输与解析；2.方案设计能力：针对智慧农业、工业监测等场景，设计多技术融合的物联网通信方案；3.问题分析能力：能定位通信链路中的丢包、延迟等问题，通过协议抓包、信号分析等手段排查故障；4.工具应用能力：熟练使用Wireshark、PacketTracer等工具进行通信协议分析与网络仿真。（三）素质目标1.工程思维：培养从需求分析到技术选型、方案落地的系统化工程设计思维；2.协作创新：通过小组项目实践，提升团队协作与技术创新能力；3.行业认知：关注物联网通信的前沿动态（如6G、卫星物联网），建立技术迭代的职业敏感度。三、教学内容与学时规划（一）物联网通信技术概述（4学时）知识点：物联网通信的定义、发展历程（从M2M到万物互联）；通信架构分层（感知层接入、网络层传输、应用层交互）；典型应用场景（智能家居、车联网、工业物联网）。教学形式：案例导入（如“智能工厂设备间的通信协同”）+理论讲授，结合行业白皮书分析技术演进趋势。（二）短距离无线通信技术（8学时：理论4+实践4）知识点：ZigBee：协议栈结构（PHY、MAC、应用层）、组网方式（星型、树型、网状网）、功耗优化策略；蓝牙（Bluetooth）：BLE（低功耗蓝牙）的通信机制、Mesh组网在物联网中的应用；NFC与UWB：近场通信的场景化应用（支付、设备配对）、超宽带定位原理。实践项目：基于ZigBee模块搭建“温湿度监测网络”，实现多节点数据采集与网关上传。（三）低功耗广域网络（LPWAN）技术（8学时：理论4+实践4）知识点：LoRa：扩频通信原理、LoRaWAN协议的ClassA/B/C工作模式、网关部署与网络优化；NB-IoT：3GPP标准演进、部署模式（独立/保护带/带内部署）、PSM/eDRX省电机制；其他LPWAN技术：Sigfox的超窄带通信、Weightless的多频段适配策略。实践项目：使用NB-IoT开发板完成“城市路灯远程控制”系统，对比LoRa与NB-IoT的通信延迟与功耗。（四）移动通信与物联网融合（6学时）知识点：5G的三大应用场景（eMBB、mMTC、URLLC）对物联网的支撑；5G-IoT的网络切片技术；边缘计算在物联网通信中的数据分流逻辑；6G愿景（空天地一体化、通感一体化）对未来物联网的赋能。教学形式：结合运营商5GIoT部署案例（如“智慧矿山无线专网”），开展小组研讨“5G如何解决工业物联网的高可靠低时延需求”。（五）物联网通信协议与标准（6学时）知识点：应用层协议：MQTT的发布-订阅模型、QoS等级；CoAP的RESTful架构与受限网络适配；网络层协议：IPv6在物联网的扩展（6LoWPAN、IPv6overBLE）；行业标准：OneM2M的设备管理规范、工业物联网的OPCUA协议。实践项目：基于MQTT协议搭建“智能家居设备远程控制”平台，实现手机APP与ESP32的双向通信。（六）物联网通信安全（4学时）知识点：感知层安全（节点身份认证、数据加密）；传输层安全（TLS/DTLS协议在物联网的优化）；应用层安全（访问控制、安全审计）；典型攻击与防御（中间人攻击、重放攻击的检测与防范）。教学形式：通过“模拟物联网设备被入侵”的攻防实验，理解安全机制的必要性。（七）综合实践与项目设计（8学时）项目主题：“校园智慧能源管理系统”（或“社区老人健康监测网络”），要求融合至少两种通信技术（如ZigBee+LoRa+5G），完成需求分析、方案设计、硬件开发、软件调试、成果展示全流程。考核方式：小组答辩（方案创新性、技术实现度）+文档报告（需求规格、设计文档、测试报告）。四、教学方法与手段1.案例驱动教学：以“京东智能物流园区通信网络”“华为鸿蒙智联设备互联”等真实案例为线索，拆解技术选型逻辑；2.虚实结合实验：利用虚拟仿真平台（如华为IoTStudio）模拟大规模物联网组网，结合实体开发板（如Arduino+LoRa模块）完成硬件级实践；3.行业专家讲座：邀请运营商、物联网企业工程师分享“LPWAN网络部署经验”“5GIoT商业化挑战”等主题；4.翻转课堂：针对“6G通感一体化”等前沿话题，由学生分组调研并汇报，教师点评拓展。五、课程考核方式过程性考核（40%）：实验报告（20%）：实践项目的原理分析、代码注释、问题解决记录；课堂表现（10%）：案例讨论参与度、翻转课堂汇报质量；小组项目（10%）：团队协作贡献、方案可行性分析。终结性考核（60%）：综合考试（闭卷）：考查技术原理、协议分析、场景化方案设计；或项目答辩（替代考试）：针对自选物联网通信课题，阐述技术路线与创新点。六、教材与参考资料推荐教材：《物联网通信技术》（电子工业出版社，刘伟主编）、《LPWAN物联网通信技术》（机械工业出版社，陈积明等编著）；行业资料：3GPPRelease17技术文档、LoRaWAN官方白皮书、中国电信《物