5G物联网工程教学平台开发_王建花.pdf
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1、ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 42 卷 第 2 期Vol42 No22023 年 2 月Feb 2023DOI:10 19927/j cnki syyt 2023 02 0505G 物联网工程教学平台开发王建花1,朱凡2,孙亚星1(1 南京理工大学 工程训练中心,南京 210094;2 浙江海洋大学 船舶与海运学院,浙江 舟山 316000)摘要:为了满足社会对 5G 物联网技术人才的需求,让更多学生在学习阶段能接触到 5G 物联网技术,开发了基于 5G 网络的物联网工程教学平台。平台基于树莓派开发板,
2、使用 Open5 GS、UEANSIM 等开源软件实现 5G 网络各网元和终端以集中部署方式建设一张紧凑型 5G 网络,实现物联网终端和应用侧互联。参与实验的学生应用所学专业基础知识即可在平台上实践物联网应用和创新开发。平台可扩展性好、实践难度可选,硬件可选范围广、成本低。关键词:物联网;5G 网络;教学平台;树莓派中图分类号:G 642 0文献标志码:A文章编号:1006 7167(2023)02 0246 03esearch on Engineering Teaching Platform for 5G Internet of ThingsWANG Jianhua1,ZHU Fan2,SU
3、N Yaxing1(1 Engineering Training Center,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China;2 School of Naval Architecture and Maritime,Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316000,Zhejiang,China)Abstract:An Internet of Things(IoT)engineering teaching platform based on 5G network is devel
4、oped,in order toenable students to access 5G Internet of Things technology in the learning stage and nurture technical talents in 5G IoTfor society To realize the interconnection between IoT terminal and application side,this platform uses the aspberry Pidevelopment boards,and builds a compact 5G ne
5、twork with open-source software Open5 GS and UEANSIM Studentscan practice IoT applications and innovative developments on this platform by applying the professional knowledge theyhave learned The platform has several advantages just like good scalability,adjustable practical difficulty,plenty ofopti
6、onal hardware and low costKey words:internet of things;5G network;teaching platform;aspberry Pi收稿日期:2022-04-27作者简介:王建花(1979 ),女,江苏泰州人,博士,工程师,主要研究方向为电子科学与技术、嵌入式系统。Tel:15951943302;E-mail:24797495 qq com0引言在工业 4.0 及中国制造 2025 等战略指引下,各行各业加速数字化转型。物联网(IoT)作为数字化转型的重要载体,应用于各大行业,如农业物联网、工业生产物联网1-2 等。随着物联网在各行业中
7、垂直应用的深入发展,对网络连接的功能和性能要求逐渐提高,而3GPP 16 标准让 5G 网络很好地满足了物联网对网络连接的要求。截至 2021 年底,我国共计部署超过100 万台 5G 基站,工信部同时加快引导 5G 网络在各个行业应用,在智慧城市、智慧电力、车联网及智慧矿山等诸多领域,5G 物联网的成功案例如雨后春笋般涌现3-5。随着 5G 物联网的普及,相关行业对掌握 5G 物联网工程技术的人才需求与日俱增。如何培养符合行业需求的高素质工程技术人才成为高校电子类专业教学的重要研究课题。社会对人才的需求是兼备理论知识和实践经验,要求学生具备较高的学习能力、实践能力和创新能力。电子类技术发展更
8、新较快,要求学生在掌握基础知识之外,还需同步跟上前沿技术的发展。在物联网领域,学生不仅要了解 Cat1、ZigBee、WiFi、FID、NB-IoT 等物联网的应用6-8,更应紧跟网络技术第 2 期王建花,等:5G 物联网工程教学平台开发的发展,深入学习 5G 物联网知识。本文采用当前主流嵌入式系统树莓派,配合软件开发,搭建了 5G 物联网工程教学平台。学生通过实践加深对 5G 物联网技术的了解,提升学生的动手能力和工作适应能力,可为企业培养高素质应用型工程技术人才。15G 物联网工程教学平台建设方案商业 5G 物联网技术非常复杂,5G 网络建设耗资巨大,高校学生极少能接触实际 5G 物联网。
9、当前学生对物联网的实践多侧重于具体嵌入式软硬件应用开发,很少实践网络部分的设计和配置,无法全面了解物联网技术知识点。本平台在物联网教学中引入 5G 网络层,使学生了解 5G 物联网知识并进行实际 5G 物联网应用操作,为后续深入学习或创新打下基础。1.1物联网物联网实现物物、物人之间的互联和互动,由感知层(物联网终端)、网络层(网络连接)和应用层(物联网数据应用)组成。感知层包含各种物联网终端,完成对物理状态的感知。物联网终端通常由传感器、通信模块和其他生产部件构成,完成对“物”本身或环境参数的采集、数字化和通信。网络层的网络连接实现物联网终端和人之间、物联网终端之间的互联。按照网络技术可以将
10、网络连接分为有线网络和无线网络。有线网络包括各种工业总线,无线网络包括 Cat1、NB-IoT、5G、WiFi 等。应用层是对物联网应用数据的处理,对物联网终端产生的数据进行存储、清洗和处理,让人能更好地掌控物联网终端运行情况。随着智能技术引入,各应用对数据使用人工智能(AI)算法,实现物之间的智能协同,达到万物智联的效果。1.25G 网络4G 改变生活,5G 改变社会。随着移动通信技术的发展,人类社会已经有万物互联的强烈需求。5G 技术具有三大典型特征:增强移动宽带(eMBB)、超高可靠低时延通信(uLLC)及海量机器类通信(mMTC)。图 1 所示为 IMT-2020 推进组给出的满足上述
11、 3 个特征所需的关键能力9。物联网使用 5G 技术作为网络连接能更好地满足各行各业对网络连接的要求。图 15G 网络关键能力5G 网络架构由终端(UE)、无线接入网(AN)和5G 核心网(5GC)3 部分组成,其中 5GC 又由多个不同功能网元组成,如接入管理功能(AMF)、会话管理功能(SMF)以及用户面功能(UPF)等,如图 2 所示10。每个网元由复杂软硬件实现特定功能,再将各网元按网络规划进行配置,构建成完整的 5G 网络。图 25G 网络架构1.35G 物联网工程教学平台方案5G 物联网工程教学平台是基于当前主流开发板和操作系统实现的开放式实践平台。教学平台的系统框架如图 3 所示
12、。图 35G 物联网工程教学平台的系统框架各部分描述如下:(1)物联网感知层。由树莓派和各类传感器件组成物联网感知层。(2)5G 网络。在两个树莓派开发板上分别实现5G 网络的无线部分(UE、5G AN)和核心网部分,为物联网感知层和应用层提供 5G 网络连接。(3)物联网应用层。数据应用可以是运行在树莓派或通用服务器上的 Linux 程序,也可以是专门的数据处理应用,以配合终端完成物联网数据的处理、呈现,或者对物联网终端的通信进行响应、控制等11-13。平台选用的树莓派开发板具有较好的通用性和扩展性,学生在树莓派上使用 Ubuntu 操作系统开发物联网应用有较大的自由度。对于电子类学生以 C
13、 语言为专业基础课,而 Python 是一种流行且简单易学的编程语言,所以本平台实践操作过程中选择 C 语言或Python 作为开发语言,以便学生能快速进入项目。学生应用所学计算机、操作系统、编程语言等知识,在平台上完成 5G 网络配置、数据采集、处理等操作。25G 物联网工程教学平台实现5G 物联网工程教学平台主要由 4 个树莓派主板742第 42 卷及其配件、各类传感器、交换机、调试机等组成。2.1教学平台软、硬件组成如图 4 所示的教学平台核心部分为 4 个树莓派Pi1 Pi4,Pi1 实 现 物 联 网 的 感 知 部 分,Pi2 使 用UEANSIM 软件实现 5G 网络的 UE 和
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