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) 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, linkit7697 感應器平台. 以及 ARM mbed 感應器平台與雲
端數
據收集平台
(4) 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.
(5) 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, LPWAN (Low Power WAN) 低功耗長距離物聯網通訊技術,
如 LoRaWAN, NB-IoT, Sigfox 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: 物聯網感測器平台 (Sensor Node Platforms)
第 4週: 物聯網感測器網路路由協議 (Routing protocols for sensor networks)
第 5週: LPWAN 物聯網無線傳輸技術 (wireless Communication technologies for IoT)
第 6週: LPWAN 物聯網無線傳輸技術 (wireless Communication technologies for IoT)
第 7週: 智慧校園創新應用 (smart campus applications)
第 8週: 智慧校園創新應用 (smart campus applications)
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 LoRa 感測網路實驗 (使用 LoRa 感測網路資料傳輸實驗)
Lab. 10 分組期末物聯網應用專題簡報 (3-4 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+物聯網雲端實習. 包含基
礎介紹
以及實際使用 Ardunio 與 linkit7697 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) (8%)
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.