物聯網 (Internet of Things, IoT) 是近期非常重要也受到高度關注的議題, 主要訴求是"物
物聯網"或是"萬物聯網", 就是將全球物件以及各式各樣的感應器 (sensors) 等等也連上網路,
除了資料與數據收集分析外, 也可以回饋進行各種控制, 這對於未來生活的便利性將有極大的影
響. 物聯網的應用極為廣泛, 例如智慧生活 (穿戴式裝置, 智慧手環, 智慧手錶), 智慧城市
(綠能), 智慧交通 (大眾運輸, 車載通訊, 自動車), 智慧醫療 (居家照護), 智慧物流 (快
遞), 智慧農業 (溫室或農場之溫溼度環境), 智慧安全 (安全保全監控系統), 智慧電網 (智慧
電表與電力輸送), 智慧建築 (智能綠建築)等等. 最近熱烈討論的第五代行動通訊 (5G) 也標榜
以實現物聯網物物相連的目標, 包含無線傳輸要更快, 通訊時間延遲要更短, 基地台手機通訊密
度要更高, 聯網物件要更多等等.

物聯網的架構主要分為三層: 1. 感知層 (Sensors and Sensor networks), 2: 網路層
(3G/4G/5G 通訊網路), 3: 應用層 (各種應用的雲端服務). 感知層主要探討各式有線或是無線
感測器 (如溫度,濕度, 光度, 陀螺儀, 三軸加速器, 心跳, 血壓, 脈搏等等) 以及如何建構感
測網路 (sensor networks) 將感測器收集到的數據可以傳送出來. 感測器要做到低功耗 (電池
續航力要高), 低成本, 小體積, 無線傳輸距離長等等, 是極具挑戰的任務. 網路層主要探討如
何利用現有無線或是有線網路來有效的傳送收集到的數據, 例如利用現有的 3G/4G 無線傳輸技
術, 或是未來的 5G 無線傳輸技術等等. 應用層主要是探討各種應用領域如何使用大數據分析的
結果來回饋並控制感應器或是控制器的調節等等. 整體來說, 物聯網是一個活的生態體系,
sensors 收集數據, 透過手機或是其他設備網路回傳到雲端處理中心, 經過分析後再將控制訊息
回傳給控制器, 進行各種精細或是細膩的調控.

本課程將介紹

(1) 物聯網的基礎架構與創新應用. 包含物聯網基礎架構的介紹以及多種創新應用, 如智慧叉,
智慧球拍, 智慧杯, 智慧牙刷, 智慧襪, 智慧鏡, 智慧鎖等等

(2) 物聯網感知層/網路層/應用層技術. 包含感應器智能物件聯網聯盟 (IPv6 for Smart
Object, IPSO), 6LowPAN 低功耗無線網路協議的特色, 以及 3G/4G/5G 網路, 物聯網多種關
鍵應用等等

(3) IPv6 協議運作原理與 IPv6 最新發展趨勢. 包含 IPv6 協議的特色與物聯網的關係, 以
及包含 World Ipv6 Launch, Google, Akamai, APNIC 等等全球 IPv6 流量觀測網站的分
析.

(4) IPv4/IPv6 轉移機制. 包含 Dual-Stack, Tunneling, Translator 等等機制. 如
DSTM, 6over4, 6to4, ISATAP, Teredo, Tunnel broker, NATPT, Reverse Proxy,
NAT64, 464XLAT 等等技術.

(5) 物聯網感測器平台 (Sensor Node Platforms): 如 Arduino 感應器平台設計,
Raspberry PI 感應器平台, LinkIt ONE 感應器平台. 以及 ARM mbed 感應器平台與雲端數
據收集平台

(6) 物聯網感測器網路 (Sensors Networks) 的路由協議 (routing protocols), 包含
DSR (Dynamic Source Routing) 無線網路路由協議, AODV (Ad hoc On-Demand Distance
Vector) 隨意無線網路路由協議, RPL (IPv6 Routing Protocol for Low power and
Lossy Networks) 低功耗流失網路 IPv6 路由協議, CoAP (Constrained Applicaiton
Protocol) 限制性應用訊協議 (CoAP 提供標準高階 Restful API , 可以用來在資源有限的
無線感測網路環境下存取感測器上的數據, 如溫度濕度等等數據), 以及 MQTT (Message
Queueing Telemetry Transport) 訊息儲列遙測傳輸協議, 也是用來在資源有限的無線感測網
路環境下存取感測器上的數據協議.

(7) 物聯網無線傳輸技術, 包含物聯網之物與物通訊的主流無線網路技術,如 IEEE 802.15.4
Zigbee 無線傳輸技術, 物聯網專用長距離低功耗 IEEE 802.11ah 無線傳輸技術, 以及
Bluetooth 4.0 藍芽無線傳輸技術 等等

(8) 物聯網框架標準 (IoT framework), 包含物聯網的重要國際標準框架以及標準化的協議,
如 Thread, Allseen, IEEE IoT, ETSI OneM2M 等等.

授課大綱 (Syllabus)


第 1週: 物聯網基礎架構與應用簡介 (IoT architecture and applications)
第 2週: 感知層/網路層/應用層技術 (Sensor/Network/Application technologies)
第 3週: IPv6 協議運作原理與發展趨勢 (IPv6 protocol and deployment trends)
第 4週: IPv4/IPv6 轉移機制與技術介紹 (IPv4/IPv6 Transition mechanisms)
第 5週: 物聯網感測器平台 (Sensor Node Platforms)
第 6週: 物聯網感測器網路路由協議 (Routing protocols for sensor networks)
第 7週: 物聯網無線傳輸技術 (wireless Communication technologies for IoT)
第 8週: 物聯網框架與國際標準協議 (IoT Framework and standards)


本課程提供老師精心設計的講義共八單元.

除了線上課程授課外, 還有課堂裡 (或是電腦教室) 物聯網感應器 (Sensors), 感應器網路
(Sensor network) 以及 雲端數據分析管理 (Cloud data analysis) 實習包含:

題目 內容與練習
Lab. 1 基礎硬體概念簡介 (介紹GPIO, Timer, PWM, SPI, I2C)
Lab. 2 開發環境連接與建置 (Arduino 開發環境架設+LED 控制實驗)
Lab. 3 GPIO與Timer操作 (Arduino GPIO與Timer 操作)
Lab. 4 基本感測器操作 (Arduino 擷取顏色與紅外線與雷射模組,製作簡單倒車雷達)
Lab. 5 雲端簡介與微軟雲端Azure操作 (各物連網平台與功能介紹與Azure物連網平台連接)
Lab. 6 開發環境連接與建置 (Linkit ONE 開發環境架設與 WIFI 無線網路實驗)
Lab. 7 溫濕度感應器 (Arduino WIFI 模組實驗與溫溼度感應器實驗)
Lab. 8 PM2.5 空氣品質感應器 (Arduino Xbee 與 PM2.5 及大氣壓力感測模組)
Lab. 9 Xbee 感測網路實驗 (使用Xbee的Zigbee平台,完成 Mesh 感測網路資料傳輸實驗)
Lab. 10 分組期末專題簡報 (2-3 人一組)
Lab. 11 期末專題軟硬體開發協助
Lab. 12 期末專題軟硬體開發協助


授課形式 (Teaching Method)

1. 本課程為三學分課程, 總時數為 54-57 小時, 其中 24 小時為線上課程方式,
33 小時 (11次) 為教室時間, 包含一次開課說明, 兩次期中考, 10 次物聯網感應器實習.
2. 線上課程 (24 小時) 部分以 MOOCs 磨課師的方式上課, 每週有課程進度.
除了課程內容的videos 外, 也有線上練習題, 影片觀看採用 VOD 方式
(隨選視訊), 可以依照自己方便的時間調整學習的節奏. 每個影片都剪輯成
15-18 分鐘左右, 幾段影片後會有線上練習題來檢驗一下學習成果, 練習題包含
單選題, 複選題, 以及簡單的填充題. 練習題都會提供正確答案做為參考.
本課程也有議題論壇可以讓同儕討論課程相關議題. 有任何學習上的疑問都可以
po 上來, 會由老師, 助教群, 或是同儕來回應討論.
3. 實習課程 (30 小時), 將進行 10 次物聯網感應器與感應器網路+雲端實習. 包含基礎介紹
以及實際使用 Ardunio 與 Linkit ONE 物聯網感應器平台, 還有 8 種感應器的實際數據收集
(需要寫簡單的程式去收集數據或是控制感應器). 期末專題維分組進行, 各組設計並實作出一種
感應器數據的收集與分析.


成績評量方式 (Evaluation)

本課程共有兩次教室期中考及物聯網感應器系列實習.
成績評量如下:

1. 第一次期中考範圍為 1-4 周內容 (25%)
2. 第二次期中考範圍為 5-8 周內容 (25%)
3. 物聯網感應器系列實習 (30%)
4. 物聯網期末專題 (20%)
4. 線上討論區互動表現(加分) (5%)

總成績達 60 分的同學可獲清華大學 3 學分.

可連結之網頁位址 (參考用)
http://www.sharecourse.net/sharecourse/course/view/courseInfo/734
正式網頁近日會公告.