以Contiki-NG實現進階物聯網理論驗證與實作教學

現今國際工程教育重視學生的實作、創新思維以及問題解決能力之人才培育。本研究旨在利用Contiki-NG實現進階物聯網理論驗證與實作教學，了解實作課程對學生實作能力培養的影響，並進一步瞭解學生實作的歷程與遭遇到的困難。因此以”物聯網設計與應用”課程為例，運用六項課堂實作實驗，深入了解學生對於物聯網實作課程之學習成效與課程獲益處，以及實作歷程中遭遇的學習困難。分析學生在學習相關物聯網進階實作技術後，學生如何將物聯網的專業知識融會貫通以完成個人的期末專題，透過個人專題製作的過程，也能讓學生結合並應用創意與專業知識，強化自己的未來專業之競爭優勢與持續發展。因此本教學實踐計畫將帶領學生以實作教學為主軸，以”進階物聯網設計與應用”課程為例，利用Contiki-NG 開源作業系統，在MAC Layer，讓學生基於IEEE 802.15.4e TSCH協定實作多通道跳頻的運行方式進行傳輸，以降低同頻干擾之影響。在Network Layer，使用IETF 6LoWPAN加強物聯網與網際網路的雙向互通性。為後結合IETF 6TiSCH協定，驗證並在高度背景干擾的環境下如何改善傳輸時的穩定性與傳輸效率，以符合工業物聯網的相關應用。透過課堂實作經驗的累積，使學生了解下一代物聯網的優勢，另一方面培養具工業物聯網實務能力之人才。

本計畫的目的在於以實驗主題導向教學，引導學生從做中學，培養學生將所學知識轉化為實務技能之能力，提升學生實務應用的專業技能， 以減少學用落差。因此本計畫透過所設計之一系列之課程內容與由淺入深的八項實驗，逐一實踐IEET 802.15.4與IETF 6TiSCH協定，並引導學生加強對於下世代物聯網的關鍵技術LPWAN的認知，同時培養學生具備將跨層式(Cross-Layer)設計之技能，並能逐一解決各協定間相容性的問題。透過課堂實作經驗的累積，深入了解學生對於探究式教學對於學生之學習成效與課程獲益處，以及實作歷程中遭遇的學習困難。

在模擬實驗平台部分，採用Contiki-NG的Cooja模擬器來建構軟體模擬平台，硬體實驗平台方面，則使用德州儀器推出的CC1310 LaunchPad無線嵌入式微處理套件，具有豐富的周邊裝置功能組合，包括超低功率節能模式，可在系統其他部位處於睡眠模式時自主收集類比和數位數據。透過課堂實作，引導學生了解IEEE 802.15.4e 的MAC操作模式。本研究將可透過多頻段的無線感測網路下，收集各個無線網路節點之間的通訊封包，如6TiSCH ASF、6LoWPAN和RPL的封包，並進行封包分析，得出此無線網路下節點之間的同步速度和資訊傳輸效率，以及節點傳送封包的決定路徑正確率進行分析。

本教學研究計畫所採用之研究方法與研究流程如下：

1. 線上資源：配合e-learning http://elearning.ntcu.edu.tw/  (國立臺中教育大學 e化教學系統)，提供學生課堂講義與線上繳交實習成果
2. 投影片講述：以投影片資料或是口頭形式，讓學生閱讀投影片資料並聆聽教師講解的教學。
3. 實作示範教學：以實際執行Contiki-NG與嵌入式開發系統的演練，使學生了解物聯網上的無線傳輸與TSCH跳頻原理，包含理論基礎、系統架構、操作步驟，並且以實驗設備和適當的配合輔助教學。
4. 要求學生完成課堂實作後上傳，作為實作評分之項目。

• 在課程最後安排了期末專題報告，學生們運用一個學期所學的技術實作個人專題，內容圍繞在物聯網上，有的同學使用Linkit 7697，有的使用BC20加上Linkit 7697。
• 學生們所做的專題有：走失追蹤器、圖書館溫度顯示器、電梯模擬器、防疫社交距離維持感測器等。

面對物聯網技術這種具備技術整合性、跨領域、影響層面多元的特性，物聯網技術如何在課程中教授的確是一個難題。藉由執行計畫得到以下對於未來高教實作教學的想法 

1. 實作教學必須有效提升學生的學習動機。
2. 透過實驗與教師親自引導，可增加學生實作能力。
3. 實作教學法結合做中學，可強化學生實作能力。
4. 以專題導向學習，可引導學生學習整合應用的能力。