江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)構(gòu)建思路

文 /趙讓 丁盛

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)需要結(jié)合校園的自身特點(diǎn)，根據(jù)業(yè)務(wù)場(chǎng)景需要，合理選取數(shù)據(jù)傳輸方式，兼顧性能和運(yùn)行成本。

近年來(lái)，在人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的影響下，國(guó)內(nèi)各高校“智慧校園”建設(shè)正如火如荼地進(jìn)行。智慧校園建設(shè)是學(xué)校工作效率及工作質(zhì)量的保障，是提高校園現(xiàn)代化管理以及綜合性提高的關(guān)鍵因素[1]。物聯(lián)網(wǎng)自身具備強(qiáng)大的低功耗、廣覆蓋、低成本、大容量等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在智慧校園建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。

在校園內(nèi)開(kāi)發(fā)部署一套智慧校園物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，可以融合學(xué)校各種軟件、硬件，整合各類校務(wù)服務(wù)，優(yōu)化各類資源，深入挖掘各類業(yè)務(wù)，拓展校園應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)有機(jī)聯(lián)系，打造以智能物聯(lián)平臺(tái)為基座的智慧校園，為全校師生的學(xué)習(xí)、生活、工作提供便捷服務(wù)，全面提升學(xué)校管理化水平[2]。

設(shè)計(jì)理念

1.設(shè)備的泛在接入

由于行業(yè)內(nèi)缺乏統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入標(biāo)準(zhǔn)，目前市場(chǎng)上各類智能設(shè)備的通訊協(xié)議各不相同，難以快速接入并進(jìn)行統(tǒng)一管理。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)需要解決感知層設(shè)備協(xié)議不一、轉(zhuǎn)換困難、成本較高的問(wèn)題。

2.數(shù)據(jù)低成本可靠傳輸

隨著高校規(guī)模的不斷擴(kuò)張，校園內(nèi)智能設(shè)備的數(shù)量逐漸龐大。由于不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景對(duì)設(shè)備通訊的實(shí)時(shí)性、可靠性要求各不相同，所以物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)需要結(jié)合校園的自身特點(diǎn)，根據(jù)業(yè)務(wù)場(chǎng)景需要，合理選取數(shù)據(jù)傳輸方式，從而兼顧性能和運(yùn)行成本。

3.消除“設(shè)備孤島”問(wèn)題

目前，高校有很多正在使用的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，如空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)、泵房監(jiān)控系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)大多采用傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)控制方式，難以聯(lián)網(wǎng)集控和資源整合，形成了一個(gè)個(gè)垂直孤立的“設(shè)備孤島”，不利于智慧校園的整體建設(shè)。因此，迫切需要一個(gè)統(tǒng)一的、具備異構(gòu)系統(tǒng)集成能力的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，解決跨系統(tǒng)間設(shè)備的通訊和聯(lián)動(dòng)控制問(wèn)題。

系統(tǒng)架構(gòu)

按照物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通常的層次結(jié)構(gòu)，可將物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)從邏輯上劃分為四層，分別為感知層、傳輸層、處理層、應(yīng)用層[3]，整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)感知層

感知層是物聯(lián)網(wǎng)的底層，主要解決物聯(lián)網(wǎng)全面感知的核心能力。校園內(nèi)有多種類型的傳感器，每個(gè)傳感器都是一個(gè)獨(dú)立的信息源，可以獲取和識(shí)別各類校園信息。由于高校通常不具備生產(chǎn)制造能力，所以目前校園內(nèi)使用的各類傳感器多為從市場(chǎng)上直接采購(gòu)的成熟產(chǎn)品，主要可分為兩大類。

第一類是以智能電/水表、溫/濕度傳感器為代表的獨(dú)立設(shè)備。這類設(shè)備在校園內(nèi)數(shù)量龐大，但自身的智能化程度較低，能夠采集到的參數(shù)也較為單一,通訊時(shí)大多使用RS485、M-BUS等智能儀表領(lǐng)域相關(guān)通信協(xié)議。對(duì)于此類設(shè)備，在選型時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其通信協(xié)議是否符合相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如智能電表應(yīng)符合《多功能電能表通信協(xié)議》,智能水表、燃?xì)獗砗蜔幔ɡ洌┝勘響?yīng)符合《戶用計(jì)量?jī)x表數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)條件》。

第二類是以中央空調(diào)、電梯為代表的成套設(shè)備。這類設(shè)備在校園內(nèi)數(shù)量較少，但自身的智能化程度較高，通常具備完整的本地自控系統(tǒng)，能夠采集到的參數(shù)非常豐富，通訊時(shí)大多采用工業(yè)控制和自動(dòng)化領(lǐng)域相關(guān)協(xié)議。對(duì)于此類設(shè)備，由于不同廠商之間設(shè)備的差異性較大，缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此在選型時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其開(kāi)放性和功能性，即設(shè)備廠商是否愿意開(kāi)放數(shù)據(jù)接口和通信/控制協(xié)議，以及提供的采集/控制變量能否滿足上層應(yīng)用的功能需求。

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)傳輸層

傳輸層主要解決感知層所獲得數(shù)據(jù)的長(zhǎng)距離傳輸問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)上下兩層之間數(shù)據(jù)的透明傳送。該層的關(guān)鍵設(shè)備是邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)，其核心功能是完成上下行協(xié)議的轉(zhuǎn)換。下行傳輸（傳輸層至感知層）通常使用串行通信網(wǎng)絡(luò)，傳輸協(xié)議取決于感知層的傳感器，種類繁多，邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)必須針對(duì)不同的設(shè)備逐個(gè)適配。上行傳輸（傳輸層至處理層）應(yīng)充分利用現(xiàn)有的基于TCP/IP協(xié)議的校園網(wǎng)，接入方式可采用有線（RJ45）或無(wú)線（Wi-Fi），傳輸協(xié)議選用MQTT協(xié)議。

邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)應(yīng)采用工業(yè)級(jí)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通?；贏RM的嵌入式板為核心，由核心板、底板和通信模塊組成，包含核心控制模塊、基礎(chǔ)服務(wù)與管理模塊、外部存儲(chǔ)模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、外部網(wǎng)絡(luò)控制與接入模塊、無(wú)線通信模塊、能量供應(yīng)模塊、編程與調(diào)試模塊等，其架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)架構(gòu)設(shè)計(jì)

邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)采用Linux操作系統(tǒng)，使用Python進(jìn)行編程開(kāi)發(fā)，其核心功能包括：注冊(cè)認(rèn)證服務(wù)、設(shè)備管理（類型、數(shù)量、地址等）、多協(xié)議轉(zhuǎn)換（RS485/232/433、M-BUS、LonWorks、6LoWPAN等）、常用設(shè)備驅(qū)動(dòng)（DL/T 645-2007，CJ/T 188-2018等）、控制邏輯、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理、遠(yuǎn)程固件更新、本地參數(shù)配置（IP、Gateway、DHCP等）。

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)處理層

處理層主要完成對(duì)設(shè)備和數(shù)據(jù)進(jìn)行全生命周期管理，包括設(shè)備注冊(cè)、功能定義、在線調(diào)試、遠(yuǎn)程配置、固件升級(jí)、遠(yuǎn)程維護(hù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控、分組管理、設(shè)備刪除、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)持久化、（實(shí)時(shí)/歷史）數(shù)據(jù)接口、訪問(wèn)控制等功能。處理層的整體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)處理層架構(gòu)設(shè)計(jì)

處理層采用Java開(kāi)發(fā)，使用MQTT協(xié)議與邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)通訊；采用HAPROXY進(jìn)行負(fù)載均衡。采用EMQ集群作為MQTT消息服務(wù)器。采用RabbitMQ作為消息總線，提供異步數(shù)據(jù)訪問(wèn)。采用Redis作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，緩存感知層設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)（即最新一次上報(bào)的數(shù)據(jù)）。采用influxDB作為歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)感知層設(shè)備的所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。采用MySQL作為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)（即非設(shè)備采集數(shù)據(jù)）。核心功能模塊包括設(shè)備控制服務(wù)、設(shè)備數(shù)據(jù)采集服務(wù)、設(shè)備監(jiān)控管理服務(wù)、數(shù)據(jù)分析服務(wù)等。

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)用層

應(yīng)用層提供豐富的基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，是物聯(lián)網(wǎng)與用戶（包括人、組織和其他系統(tǒng)）的接口。主要解決如何基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行快速開(kāi)發(fā)，根據(jù)業(yè)務(wù)需要快速構(gòu)建業(yè)務(wù)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用進(jìn)行分析和共性抽取，提供基礎(chǔ)組件和項(xiàng)目腳手架，規(guī)范開(kāi)發(fā)流程，簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)難度，降低運(yùn)維成本。應(yīng)用層的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)用層架構(gòu)設(shè)計(jì)

應(yīng)用層基于B/S架構(gòu)，采用Java開(kāi)發(fā)，使用Spring Boot和Spring Cloud框架，采用微服務(wù)架構(gòu)，通過(guò)Docker方式部署。與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)處理層的通訊使用RESTful API和JSON數(shù)據(jù)格式。前端使用Vue （MVVM框架）、Ant Design（UI組件）和ECharts（圖表組件）；使用Nginx進(jìn)行反向代理。數(shù)據(jù)持久化方面，使用Redis作為高速緩存，進(jìn)行登錄狀態(tài)保持；使用MySQL作為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)行讀寫(xiě)分類；使用MyCat 進(jìn)行分庫(kù)分表；使用HAPROXY和Keepalived來(lái)實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備，保證系統(tǒng)的高可用性。此外，使用ELK和Beats構(gòu)建分布式日志系統(tǒng)，進(jìn)行日志的收集和展現(xiàn)。核心功能模塊包括應(yīng)用門戶、用戶管理、訪問(wèn)控制、設(shè)備監(jiān)控、故障報(bào)警、智能運(yùn)維等。其性能指標(biāo)滿足要求見(jiàn)表1。

表1 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)用層性能指標(biāo)

實(shí)踐案例

江南大學(xué)是教育部直屬、國(guó)家“211工程”重點(diǎn)建設(shè)高校和一流學(xué)科建設(shè)高校，坐落于“感知中國(guó)中心”的江南名城無(wú)錫市。自2005年來(lái)，學(xué)校自主創(chuàng)新、設(shè)計(jì)研發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的“智慧校園運(yùn)行平臺(tái)”和能源管理、能源回收、節(jié)能控制、安全保障、運(yùn)行管理共5大類17個(gè)子系統(tǒng)。

借助布設(shè)在校園內(nèi)的近2萬(wàn)多個(gè)各類傳感監(jiān)控點(diǎn)和400多臺(tái)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)能源使用、給水管網(wǎng)、校園路燈、燃?xì)廨斔秃凸╇娕渥?、空調(diào)管理的全方位立體式的數(shù)字化實(shí)時(shí)管理和突破時(shí)空約束的超越化管理。系統(tǒng)通過(guò)“數(shù)字化”方式，將傳統(tǒng)的校園管理從“模糊”概念變成清晰數(shù)據(jù)，為管理者提供了更便捷、更科學(xué)的決策支持，從而實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理、精細(xì)管理、高效管理。

結(jié)語(yǔ)

智慧校園是高校信息化建設(shè)的必由之路。本文針對(duì)高校智慧校園物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)理念、系統(tǒng)架構(gòu)、技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打造智慧校園的參考途徑。未來(lái)，如何應(yīng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)安全威脅，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)安全的體系結(jié)構(gòu)，還需要進(jìn)一步思考和完善。