PBL跨層次實作平台
一、總體說明
◎PBL平台發展目標
專題研習，又稱為專題式學習、研究性學習、或疑難為本學習(Project/Problem Based Learning，PBL)，是一種以學生為主的學習模式。在教師的輔助下，由學生策劃、執行及自我評估的學習方法。還有老師會讓學生就自己的興趣和能力去選定一個研習題目，然後搜集資料，對題目作出探索和討論。學生才是專題研習過程的「主人」。 它是一種跨學科的學習技巧(維基百科，2023)。基於PBL的學習框架，提供學生學習次世代通訊技術並發想創新前瞻應用的平台，建置可供智慧節能前瞻創新應用最佳的發展舞台是此項目的目標。
本團隊主持人黃能富教授過去已完成了「物聯網智慧校園數據分析服務平台」、「智慧農業物聯網平台」等多個平台，利用NB-IoT與LoRa兩種LPWAN長距離低功耗物聯網技術、MQTT訊息佇列遙測傳輸技術、AWS雲端服務等，達成物聯網數據蒐集、儲存、搜尋、分析、處理應用，提供學生一個功能完整的平台開發各式創新應用。有鑑於此，本平台結合次世代B5G、6G、Wifi 6/Wifi 7通訊技術、AI人工智慧、智慧物聯網技術等前瞻技術，建立「智慧節能數據管理與分析平台」，如圖4。
◎跨層次技術重點與授課教材規劃
實作平台P1「智慧節能數據管理與分析平台」在通訊層可搭配支援平台通訊協定的任意硬體傳感器，使用LPWAN如NB-IoT、LoRa、5G/B5G/6G、WiFi等通訊協定通過電信運營商之底層通訊網路系統向本平台傳輸各式感測器數據；在網路層則使用AWS雲端服務作為巨量物聯網數據儲存資料庫與平台系統伺服器，達到快速部屬與動態負載平衡；在應用面介接部分，提供具安全性與可靠性的HTTPS API介面供各式應用存取。
結合上述智慧節能數據管理與分析平台的開發，計劃期間內預計將以完成與NB-IoT相關之實務教材模組，包含NB-IoT Arduino通訊實驗模組、NB-IoT雙向控制綠能智慧小型溫室實驗模組與智慧節能數據管理與分析平台使用手冊。這些教材與課程內容將納入PBL元素，用於引導學生如何開發完整的智慧節能與物聯網的示範應用，使學生能夠學習智慧節能數據管理與分析平台基礎使用與操作；另一方面，這些教材也能夠作為行動通訊實務競賽之實驗器材使用，參賽學生可利用這些教材提供之多樣化通訊功能，使用NB-IoT、5G、Wifi 6/Wifi 7等通訊協定，透過電信運營商之通訊網路，也可以自行架設LoRa室內/室外基地台上傳各式物聯網數據或接收控制指令，令節能應用專題可有更多的應用擴展空間。
◎產學合作推廣規劃
產學合作方面，有鑑於近年來智慧物聯網、智慧節能應用的逐漸普及與擴張，許多企業亟需具有實務經驗之人才進入產業界，開發、維護相關產品與系統。本平台作為培育次世代通訊技術人才之實作平台，將可提供學生學習與培養通訊技術、實作能力、創新應用能力、問題思考與解決能力，使學生能夠在完成課程後立刻與產業接軌，形成即戰力。本計畫預計發展之PBL課程教材也將在計劃期間內進行試教，並在試教期間規劃產學合作之媒合機會。除提供學生解決問題之實作平台外，也有機會將具創新創意的解決方案提供給業界，讓優秀學生取得實習機會甚至更大的發展舞台。另外，此平台之完整性與可靠性也可提供產業界公司企業在此平台之上研發智慧物聯網、智慧節能、智慧農業、智慧工業等不同應用。在計劃期間也將積極尋找合適之企業共同研發、使用此實作平台。本平台之應用範圍寬廣，作為智慧節能應用所需的可靠且高效能的基礎建設與應用平台，可應用於各個方面。如：ESG (Environmental Social Governance)企業社會責任相關之議題，以及聯合國所制定的SDGs (Sustainable Development Goals)中的環境永續發展與節能相關議題，將是本平台可能之未來應用與產學合作方向。產學合作方向舉例如下：與太陽能光電業者合作，利用平台即時監測太陽能板電力輸出等多項數據，以達到追蹤太陽能板破損、髒污、老化等降低發電效率的情況，提高綠能發電效率；與魚電共生業者合作，結合5G與物聯網技術監測魚群健康狀況與太陽能發電情況等，兼顧綠能與環境永續；與智慧家庭、智慧辦公室設備供應廠商合作，利用本平台提供高效能與智慧化的生活辦公環境能源使用監測、節能管理、碳足跡監測與管理等應用。
◎第二期實作平台發展銜接與第一期平台精進規劃
本計畫第二期預計開發之實作平台P2「高效率節能人工智慧模型服務平台」預計結合人工智慧技術，基於雲端技術實作出一個高效率節能人工智慧模型服務平台，連接實作平台P1「智慧節能數據管理與分析平台」收集之感測器數據，學生可通過本平台利用人工智慧及統計等方法模型來進行數據分類分析或預測數據走向，並根據分析/預測結果實作出具有智慧節能目的的應用，如能耗分析、智慧控制等，以實現對能源的精確節約和控制。
透過第一期平台研發與建立之5G次世代高速低延遲網路通訊基礎，高效率節能人工智慧模型服務平台得以使用低延遲之大量物聯網數據，例如各式攝影機與智慧眼鏡所實時傳輸的高解析度影像與串流影片，並可以允許密集分布的遙測感知傳感器低延遲地持續上傳數據。這些應用皆是NB-IoT或LoRa等低頻寬、延遲長且容易造成網路封包碰撞(Packet Collision)的LPWAN技術較難達成的。透過深度學習、人工智慧影像處理與巨量資料探勘等技術，我們可以在平台上快速且有效率地分析5G網路所傳送回來的大量數據，並在短時間內取得結果。
這將使智慧眼鏡、AR與VR等對延遲時間長短極為敏感的技術，能夠運用高效率節能人工智慧模型服務平台所提供的人工智慧影像處理技術在低延遲的情況下提供如物件辨識(Object Detection)、AR輔助操作與分析環境物件內容等服務與應用。例如，我們可以應用兩個平台與智慧眼鏡，在農場提供果實成熟度即時辨識系統，在智慧眼鏡上呈現已經成熟，可以摘採的果實，協助沒有經驗的農民或是雇傭工人進行收成作業，提高良率，降低損耗，並達成節能減碳之作用。以上應用將是平台建立完成之後可能的眾多應用場景之一，並且在工業廠房、政府單位、學校教學等場景也都能找到類似的應用，如協助工人組裝產品、檢查不良次品；協助政府單位管理老舊設施、設備；協助教育單位管理學生、作為創新科技教材等。
二、PBL跨層次系統整合平台與教材彙總表
| 實作平台及實驗教材內容簡介 |
| 本平台使用統一化的通訊協定使感測器可以使用NB-IoT、LoRa、5G/B5G/6G、WiFi 6、WiFi7等技術將數據傳輸到平台中，並提供安全可靠的API介面供各式應用存取。另外提供NB-IoT實務教材模組，可以用於教學和行動通訊實務競賽，有助於引導學生開發智慧節能與物聯網的示範應用。 |
| 跨層次內涵簡述 |
| 本平台在通訊層可提供硬體傳感器向本平台傳輸各式感測器數據；在網路層則使用AWS雲端服務達到快速部屬與動態負載平衡；在應用層介接部分，提供方便安全的HTTPS API介面以供存取。 |
三、PBL跨層次系統整合平台與教材詳細執行規劃
1.發展時程與團隊簡介
| 跨層次平台與教材發展 主持人姓名與職稱 |
黃能富教授 | 服務單位(學校系所) | 國立清華大學資訊工程學系 |
| 電子信箱 | nfhuang@cs.nthu.edu.tw | 電話 | 03-5731063 |
2.實作平台及實驗教材發展規劃說明
實作平台P1「智慧節能數據管理與分析平台」是一個可以幫助使用者與學生快速建立物聯網應用的次世代通訊技術跨層次系統整合平台。透過平台提供的硬體傳感器和各種通訊協定（如NB-IoT、LoRa、5G、WiFi等），使用者可以輕鬆地將感測器數據傳輸到平台上，更可以方便地透過Arduino、樹梅派等實驗設備擴充更多元的傳感器。在數據傳輸方面，平台可以利用電信運營商提供的底層通訊網路系統進行傳輸，同時使用AWS雲端服務作為巨量物聯網數據儲存資料庫和平台系統伺服器，實現快速部署和動態負載平衡的功能。
(1) 實作平台規劃說明及建置架構
• 實作平台與實驗教材的名稱及內容、所涵蓋的跨層次技術重點、運用於教學上的特色及重要性
智慧節能數據管理與分析平台將致力於達成以下特點：
1. 引導學生了解物聯網與智慧節能應用：物聯網已經成為現代科技領域中非常熱門的一個領域，而智慧節能數據管理與分析平台可以幫助學生更深入地了解物聯網技術，如各種通訊協定、數據儲存等方面的知識。
2. 提供實作機會：學生可以利用各種教材和課程內容來進行實作，例如使用NB-IoT透過電信運營商之通訊網路或者自行架設LoRa基地台等，進行物聯網感測器數據傳輸和控制等方面的實驗，讓學生能夠更深入地了解物聯網的各種應用場景和技術實踐。
3. 引入PBL元素：PBL(Project-Based Learning)元素是一種以專案為核心的教學方式，可以讓學生進行自主學習和探索，激發他們的學習熱情和創造力。智慧節能數據管理與分析平台的教材和課程內容將納入PBL元素，幫助學生更深入地了解如何使用本平台進行智慧節能相關應用之開發，引導學生創新發想，並具有能力實踐具有實際應用價值的解決方案。
• 實驗教材規劃
本次實作平台會配合各項實驗教材進行使用，以NB-IoT為主，包含
1. 實作教材P1-1「NB-IoT通訊模組」：介紹NB-IoT相關的特性和使用場景，以及利用NB-IoT通訊模組傳輸資料到雲端伺服器的使用方式；
2. 實作教材P1-2「NB-IoT雙向控制綠能智慧小型溫室實驗模組」：其內容主要是搭配實作之智慧節能數據管理與分析平台作使用；
3. 實作教材P1-3「智慧節能數據管理與分析平台使用手冊」：介紹本次實作的智慧節能數據管理與分析平台的介面操作流程，以及平台提供的透過API的資料上傳格式及資料獲取方式等教學；
以上為搭配實作平台P1「智慧節能數據管理與分析平台」之實驗教材，後續計畫第二期會加入5G相關的模組或5G低延遲影像傳輸相關的模組來搭配實作平台P2「高效率節能人工智慧模型服務平台」的人工智慧技術作為數據的分析使用。
實作平台P1「智慧節能數據管理與分析平台」預期能夠在計畫期間逐步進行5G/B5G/6G相關協同通訊軟體與模組之開發，作為一跨層次之PBL實作平台，除現有各項可作為影像蒐集之硬體外(如Web Cam、Speed Dome、深度攝影機等)，穿戴式應用裝置與相關之擴增實境AR (Augmented Reality)、虛擬實境VR (Virtual Reality)或混合實境MR (Mixed Reality)應用也是5G通訊的重要應用之一。智慧眼鏡是一種頭戴式裝置，集成了顯示屏、攝像頭、音頻輸出、感測器等技術，可以結合現實世界和虛擬世界，提供實時信息和交互體驗。本計畫預期在第一期導入5G智慧眼鏡作為穿戴式應用裝置，並預期在第二期計畫期間開發相關可應用於PBL之教材。
• 實作平台的整體建置架構
為達成以上教學重點，本平台將包含六大主要模組，分別為：1. 智慧節能數據蒐集模組、2. 數據傳輸核心網路模組、3. 巨量數據儲存模組、4. 數據控制與分析模組、5. 高效能HTTPS API模組、6. 系統圖像化GUI模組，如下圖。
