江南大學物聯(lián)網(wǎng)平臺構(gòu)建思路

文 /趙讓 丁盛

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

近年來，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，國內(nèi)各高校“智慧校園”建設(shè)正如火如荼地進行。智慧校園建設(shè)是學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)自身具備強大的低功耗、廣覆蓋、低成本、大容量等技術(shù)優(yōu)勢，在智慧校園建設(shè)中得到了廣泛應用。

在校園內(nèi)開發(fā)部署一套智慧校園物聯(lián)網(wǎng)平臺，可以融合學校各種軟件、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)，拓展校園應用場景，實現(xiàn)各系統(tǒng)有機聯(lián)系，打造以智能物聯(lián)平臺為基座的智慧校園，為全校師生的學習、生活、工作提供便捷服務(wù)，全面提升學校管理化水平[2]。

設(shè)計理念

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)備接入標準，目前市場上各類智能設(shè)備的通訊協(xié)議各不相同，難以快速接入并進行統(tǒng)一管理。物聯(lián)網(wǎng)平臺需要解決感知層設(shè)備協(xié)議不一、轉(zhuǎn)換困難、成本較高的問題。

2.數(shù)據(jù)低成本可靠傳輸

隨著高校規(guī)模的不斷擴張，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)場景對設(shè)備通訊的實時性、可靠性要求各不相同，所以物聯(lián)網(wǎng)平臺需要結(jié)合校園的自身特點，根據(jù)業(yè)務(wù)場景需要，合理選取數(shù)據(jù)傳輸方式，從而兼顧性能和運行成本。

3.消除“設(shè)備孤島”問題

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)場控制方式，難以聯(lián)網(wǎng)集控和資源整合，形成了一個個垂直孤立的“設(shè)備孤島”，不利于智慧校園的整體建設(shè)。因此，迫切需要一個統(tǒng)一的、具備異構(gòu)系統(tǒng)集成能力的物聯(lián)網(wǎng)平臺，解決跨系統(tǒng)間設(shè)備的通訊和聯(lián)動控制問題。

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)平臺從邏輯上劃分為四層，分別為感知層、傳輸層、處理層、應用層[3]，整體架構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)平臺整體架構(gòu)設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)平臺感知層

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，每個傳感器都是一個獨立的信息源，可以獲取和識別各類校園信息。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上直接采購的成熟產(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,通訊時大多使用RS485、M-BUS等智能儀表領(lǐng)域相關(guān)通信協(xié)議。對于此類設(shè)備，在選型時應重點關(guān)注其通信協(xié)議是否符合相關(guān)國家標準或行業(yè)標準，如智能電表應符合《多功能電能表通信協(xié)議》,智能水表、燃氣表和熱（冷）量表應符合《戶用計量儀表數(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，通訊時大多采用工業(yè)控制和自動化領(lǐng)域相關(guān)協(xié)議。對于此類設(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)標準，因此在選型時應重點關(guān)注其開放性和功能性，即設(shè)備廠商是否愿意開放數(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用的功能需求。

物聯(lián)網(wǎng)平臺傳輸層

傳輸層主要解決感知層所獲得數(shù)據(jù)的長距離傳輸問題，實現(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，邊緣計算網(wǎng)關(guān)必須針對不同的設(shè)備逐個適配。上行傳輸（傳輸層至處理層）應充分利用現(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）或無線（Wi-Fi），傳輸協(xié)議選用MQTT協(xié)議。

邊緣計算網(wǎng)關(guān)應采用工業(yè)級嵌入式系統(tǒng)進行設(shè)計，通常基于ARM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、外部存儲模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、外部網(wǎng)絡(luò)控制與接入模塊、無線通信模塊、能量供應模塊、編程與調(diào)試模塊等，其架構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 邊緣計算網(wǎng)關(guān)架構(gòu)設(shè)計

邊緣計算網(wǎng)關(guān)采用Linux操作系統(tǒng)，使用Python進行編程開發(fā)，其核心功能包括：注冊認證服務(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（DL/T 645-2007，CJ/T 188-2018等）、控制邏輯、數(shù)據(jù)存儲與處理、遠程固件更新、本地參數(shù)配置（IP、Gateway、DHCP等）。

物聯(lián)網(wǎng)平臺處理層

處理層主要完成對設(shè)備和數(shù)據(jù)進行全生命周期管理，包括設(shè)備注冊、功能定義、在線調(diào)試、遠程配置、固件升級、遠程維護、實時監(jiān)控、分組管理、設(shè)備刪除、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)持久化、（實時/歷史）數(shù)據(jù)接口、訪問控制等功能。處理層的整體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)平臺處理層架構(gòu)設(shè)計

處理層采用Java開發(fā)，使用MQTT協(xié)議與邊緣計算網(wǎng)關(guān)通訊；采用HAPROXY進行負載均衡。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。采用Redis作為實時數(shù)據(jù)庫，緩存感知層設(shè)備的實時狀態(tài)（即最新一次上報的數(shù)據(jù)）。采用influxDB作為歷史數(shù)據(jù)庫，存儲感知層設(shè)備的所有監(jiān)測數(shù)據(jù)。采用MySQL作為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫，存儲各類業(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)平臺應用層

應用層提供豐富的基于物聯(lián)網(wǎng)的應用，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)平臺進行快速開發(fā)，根據(jù)業(yè)務(wù)需要快速構(gòu)建業(yè)務(wù)系統(tǒng)。通過對物聯(lián)網(wǎng)應用進行分析和共性抽取，提供基礎(chǔ)組件和項目腳手架，規(guī)范開發(fā)流程，簡化開發(fā)難度，降低運維成本。應用層的整體架構(gòu)設(shè)計如圖4所示。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)平臺應用層架構(gòu)設(shè)計

應用層基于B/S架構(gòu)，采用Java開發(fā)，使用Spring Boot和Spring Cloud框架，采用微服務(wù)架構(gòu)，通過Docker方式部署。與物聯(lián)網(wǎng)平臺處理層的通訊使用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進行反向代理。數(shù)據(jù)持久化方面，使用Redis作為高速緩存，進行登錄狀態(tài)保持；使用MySQL作為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫，并進行讀寫分類；使用MyCat 進行分庫分表；使用HAPROXY和Keepalived來實現(xiàn)雙機熱備，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)，進行日志的收集和展現(xiàn)。核心功能模塊包括應用門戶、用戶管理、訪問控制、設(shè)備監(jiān)控、故障報警、智能運維等。其性能指標滿足要求見表1。

表1 物聯(lián)網(wǎng)平臺應用層性能指標

實踐案例

江南大學是教育部直屬、國家“211工程”重點建設(shè)高校和一流學科建設(shè)高校，坐落于“感知中國中心”的江南名城無錫市。自2005年來，學校自主創(chuàng)新、設(shè)計研發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的“智慧校園運行平臺”和能源管理、能源回收、節(jié)能控制、安全保障、運行管理共5大類17個子系統(tǒng)。

借助布設(shè)在校園內(nèi)的近2萬多個各類傳感監(jiān)控點和400多臺邊緣計算網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)了對能源使用、給水管網(wǎng)、校園路燈、燃氣輸送和供電配變、空調(diào)管理的全方位立體式的數(shù)字化實時管理和突破時空約束的超越化管理。系統(tǒng)通過“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、更科學的決策支持，從而實現(xiàn)科學管理、精細管理、高效管理。

結(jié)語

智慧校園是高校信息化建設(shè)的必由之路。本文針對高校智慧校園物聯(lián)網(wǎng)平臺的設(shè)計理念、系統(tǒng)架構(gòu)、技術(shù)實現(xiàn)進行了研究，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，如何應對物聯(lián)網(wǎng)安全威脅，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)安全的體系結(jié)構(gòu)，還需要進一步思考和完善。