高校智慧校园如何构建物联网平台？

摘要

物联网平台建设需要结合校园的自身特点，根据业务场景需要，合理选取数据传输方式，兼顾性能和运行成本。近年来，在人工智能、大数据、物联网等新兴技术的影响下，国内各高校“智慧校园”建设正如火如荼地进行。智慧校园建设是学校工作效率及工作质量的保障，是提高校园现代化管理以及综合性提高的关键因素[1]。物联网自身具备强大的低功耗、广覆盖、低成本、大容量等技术优势，在智慧校园建设中得到了广泛应用。在校园内开发部...

　　物联网平台建设需要结合校园的自身特点，根据业务场景需要，合理选取数据传输方式，兼顾性能和运行成本。

　　近年来，在人工智能、大数据、物联网等新兴技术的影响下，国内各高校“智慧校园”建设正如火如荼地进行。智慧校园建设是学校工作效率及工作质量的保障，是提高校园现代化管理以及综合性提高的关键因素[1]。物联网自身具备强大的低功耗、广覆盖、低成本、大容量等技术优势，在智慧校园建设中得到了广泛应用。

　　在校园内开发部署一套智慧校园物联网平台，可以融合学校各种软件、硬件，整合各类校务服务，优化各类资源，深入挖掘各类业务，拓展校园应用场景，实现各系统有机联系，打造以智能物联平台为基座的智慧校园，为全校师生的学习、生活、工作提供便捷服务，全面提升学校管理化水平[2]。

　　设计理念

　　1. 设备的泛在接入

　　由于行业内缺乏统一的物联网设备接入标准，目前市场上各类智能设备的通讯协议各不相同，难以快速接入并进行统一管理。物联网平台需要解决感知层设备协议不一、转换困难、成本较高的问题。

　　2. 数据低成本可靠传输

　　随着高校规模的不断扩张，校园内智能设备的数量逐渐庞大。由于不同业务场景对设备通讯的实时性、可靠性要求各不相同，所以物联网平台需要结合校园的自身特点，根据业务场景需要，合理选取数据传输方式，从而兼顾性能和运行成本。

　　3. 消除“设备孤岛”问题

　　目前，高校有很多正在使用的设备监控系统，如空调监控系统、泵房监控系统等。这些系统大多采用传统的现场控制方式，难以联网集控和资源整合，形成了一个个垂直孤立的“设备孤岛”，不利于智慧校园的整体建设。因此，迫切需要一个统一的、具备异构系统集成能力的物联网平台，解决跨系统间设备的通讯和联动控制问题。

　　系统架构

　　按照物联网系统通常的层次结构，可将物联网平台从逻辑上划分为四层，分别为感知层、传输层、处理层、应用层[3]，整体架构设计如图1所示。

> <span style= 图1 物联网平台整体架构设计

　　物联网平台感知层

　　感知层是物联网的底层，主要解决物联网全面感知的核心能力。校园内有多种类型的传感器，每个传感器都是一个独立的信息源，可以获取和识别各类校园信息。由于高校通常不具备生产制造能力，所以目前校园内使用的各类传感器多为从市场上直接采购的成熟产品，主要可分为两大类。

　　第一类是以智能电 / 水表、温 / 湿度传感器为代表的独立设备。这类设备在校园内数量庞大，但自身的智能化程度较低，能够采集到的参数也较为单一 , 通讯时大多使用RS485、M-BUS等智能仪表领域相关通信协议。对于此类设备，在选型时应重点关注其通信协议是否符合相关国家标准或行业标准，如智能电表应符合《多功能电能表通信协议》, 智能水表、燃气表和热（冷）量表应符合《户用计量仪表数据传输技术条件》。

　　第二类是以中央空调、电梯为代表的成套设备。这类设备在校园内数量较少，但自身的智能化程度较高，通常具备完整的本地自控系统，能够采集到的参数非常丰富，通讯时大多采用工业控制和自动化领域相关协议。对于此类设备，由于不同厂商之间设备的差异性较大，缺乏统一的行业标准，因此在选型时应重点关注其开放性和功能性，即设备厂商是否愿意开放数据接口和通信/控制协议，以及提供的采集/控制变量能否满足上层应用的功能需求。

　　物联网平台传输层

　　传输层主要解决感知层所获得数据的长距离传输问题，实现上下两层之间数据的透明传送。该层的关键设备是边缘计算网关，其核心功能是完成上下行协议的转换。下行传输（传输层至感知层）通常使用串行通信网络，传输协议取决于感知层的传感器，种类繁多，边缘计算网关必须针对不同的设备逐个适配。上行传输（传输层至处理层）应充分利用现有的基于TCP/IP协议的校园网，接入方式可采用有线（RJ45）或无线（Wi-Fi），传输协议选用MQTT协议。

　　边缘计算网关应采用工业级嵌入式系统进行设计，通常基于ARM的嵌入式板为核心，由核心板、底板和通信模块组成，包含核心控制模块、基础服务与管理模块、外部存储模块、协议转换模块、外部网络控制与接入模块、无线通信模块、能量供应模块、编程与调试模块等，其架构设计如图2所示。

　　边缘计算网关采用Linux操作系统，使用Python进行编程开发，其核心功能包括：注册认证服务、设备管理（类型、数量、地址等）、多协议转换（RS485/232/433、M-BUS、LonWorks、6LoWPAN等）、常用设备驱动（DL/T 645-2007，CJ/T 188-2018等）、控制逻辑、数据存储与处理、远程固件更新、本地参数配置（IP、Gateway、DHCP等）。

><span style= 图2 边缘计算网关架构设计

　　物联网平台处理层

　　处理层主要完成对设备和数据进行全生命周期管理，包括设备注册、功能定义、在线调试、远程配置、固件升级、远程维护、实时监控、分组管理、设备删除、数据解析、数据持久化、（实时/历史）数据接口、访问控制等功能。处理层的整体架构如图3所示。

> <span style= 图3 物联网平台处理层架构设计

　　处理层采用Java开发，使用MQTT协议与边缘计算网关通讯；采用HAPROXY进行负载均衡。采EMQ集群作为MQTT消息服务器。采用RabbitMQ作为消息总线，提供异步数据访问。采用Redis作为实时数据库，缓存感知层设备的实时状态（即最新一次上报的数据）。采用influxDB作为历史数据库，存储感知层设备的所有监测数据。采用MySQL作为业务数据库，存储各类业务数据（即非设备采集数据）。核心功能模块包括设备控制服务、设备数据采集服务、设备监控管理服务、数据分析服务等。

　　物联网平台应用层

　　应用层提供丰富的基于物联网的应用，是物联网与用户（包括人、组织和其他系统）的接口。主要解决如何基于物联网平台进行快速开发，根据业务需要快速构建业务系统。通过对物联网应用进行分析和共性抽取，提供基础组件和项目脚手架，规范开发流程，简化开发难度，降低运维成本。应用层的整体架构设计如图4所示。

><span style= 图4 物联网平台应用层架构设计

　　应用层基于B/S架构，采用Java开发，使用Spring Boot和Spring Cloud框架，采用微服务架构，通过Docker方式部署。与物联网平台处理层的通讯使用RESTful API和JSON数据格式。前端使用Vue（MVVM 框架）、Ant Design（UI 组件）和ECharts（图表组件）；使用Nginx进行反向代理。

　　数据持久化方面，使用Redis作为高速缓存，进行登录状态保持；使用MySQL作为业务数据库，并进行读写分类；使用MyCat进行分库分表；使用HAPROXY和Keepalived来实现双机热备，保证系统的高可用性。此外，使用ELK和Beats构建分布式日志系统，进行日志的收集和展现。核心功能模块包括应用门户、用户管理、访问控制、设备监控、故障报警、智能运维等。其性能指标满足要求见表1。

表1 物联网平台应用层性能指标

　　课题项目：江苏省现代教育技术研究2021年度智慧校园专项立项课题“智慧校园的网络安全体系建设的研究与实践”（2021-R-96784）