面向經管類專業的物聯網創新實驗平臺設計

周瑞琪 李英 毛謙昂 李明霏 王宇涵

摘 要：物聯網可以與云計算、大數據分析等進行融合，打造全新的商業模式，因此，針對物聯網核心技術和典型應用的研究開發成為各高校相關專業教學和科研的一個新方向。基于IBM Bluemix，為經管類學生設計物聯網創新實驗平臺。從硬件、軟件及云端三個方面介紹了設備的整體設計思路及架構。在該平臺的基礎上，設計了電動汽車充電樁場景下的物聯網實驗。

關鍵詞：物聯網;IBM Bluemix;創新實驗平臺;電動汽車充電樁;樹莓派;ZigBee

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）08-0-04

0 引 言

物聯網（Internet of Things，IoT）是互聯網、傳統電信網等信息承載體，是讓所有能行使獨立功能的普通物體實現互聯互通的一種網絡[1]。物聯網是在互聯網的基礎上對用戶端的延伸與擴展，按約定的協議，能夠把任何物品與互聯網相連接，從而進行信息交換和通信，擴大了可采集到的數據范圍，大幅度增加了可收集獲取的數據量和數據類型。物聯網與云計算、大數據分析、智能決策等技術進行融合，并對數據進行處理、分析和挖掘，從而更加迅速、準確、智能地對物理世界進行管理和控制[2]，進一步推動產品與服務創新，且打造全新商業模式、加速行業變革[3]。因此，針對物聯網核心技術和典型應用的研究開發逐漸發展為各個高校和相關領域企業的重要工作，成為各高校專業技術教學和科研的一個新方向。

目前各高校重視培養掌握物聯網技術的人才，并提升其在相關領域的科學研究、技術開發、產品設計與專業技能教學等方面的能力。物聯網實驗教學平臺是物聯網教學中的一個重要工具。為成為可適應新環境并綜合發展的高素質經管人才，本校商學院的學生有必要了解和掌握物聯網的相關知識，并體驗物聯網技術在經濟和社會領域中的應用。因此，面向經管類專業學生的物聯網創新實驗平臺的開發具有現實意義。

關于物聯網實驗平臺的探索與建設，國內學者做了一些相關研究，并取得了一定成果。文獻[4]對高校物聯網實驗教學平臺的使用情況進行了梳理。在物聯網實驗課程設置方面，趙同剛等人根據卓越工程師培養計劃，著力提高學生的工程素質和工程實踐能力，實驗內容的創新設計使得學生更好地掌握基本知識[5]。陳玉川通過現代物聯網技術，感知學生的創新意識，培養創新思維，提高創新實踐能力，將校園物聯網系統知識融入創新學教學過程中，實現創新學教學方式的創新[6]。

在實驗項目的設計方面，樊曉露等人設計了虛擬智慧供應鏈貿易管理實驗平臺[7]，周艷構建了基于RFID的物聯網倉儲實驗系統[8]，楊宏偉等結合智能家居的特點及其特殊應用環境，設計了一種基于RFID和傳感網技術的智能家居控制系統[9]。

在實驗平臺系統的設計方面，賈江葉將實驗平臺分為無線傳感器網絡實驗系統、RFID實驗系統和探索開放實驗三個部分[10];孫冠男設計了基于射頻、WiFi、藍牙、ZigBee、3G/GPRS等物聯網技術的物聯網實驗教學平臺，闡述了由基礎教學、接入系統實驗與綜合應用實訓三個部分的三層實驗系統組成的總體架構[11];劉佳等設計了基于無線傳感器網絡和射頻識別技術的實驗系統，實現了物聯網在物流、家居和醫護等方面的典型應用[12]。

通過文獻梳理可以發現，目前國內外的研究較少對基于云計算的物聯網實驗平臺進行深入研究。實驗平臺重點多放在培養物聯網三層架構中的感知層和網絡層的技術中，較少涉及應用層數據處理和上層用戶接口，此類培養方式對物聯網進行創新實踐教學的貢獻度較小，且實訓與實驗的行業覆蓋度低。目前的實驗平臺難以讓學生體會到完整的行業應用過程，學生不能更深入地理解物聯網及其應用的普遍性，難以將其應用于之后的工作與生活中。而隨著物聯網技術的不斷發展和市場規模的不斷擴大，物聯網技術人才培養已經成為全球各國的技術發展及產業創新提高的重要戰略，有著廣闊的發展前景。因此，在本文中，針對經管類專業物聯網創新平臺需求，從硬件、軟件及云端三個方面對基于IBM Bluemix的物聯網創新實驗平臺進行設計，并在該平臺的基礎上，設計了電動汽車充電樁場景下的物聯網實驗，編寫實驗腳本。

1 面向經管類專業的物聯網創新實驗平臺設計

1.1 平臺設計的原則

（1）突出應用層數據處理和創新能力培養。經管專業的學生在學習物聯網三層架構時，學生感知、觀察架構中的感知層和傳輸層，避免了底層操作。本文著重于應用層的數據分析與應用，與經管人才的培養目標相契合。

（2）采用模擬實驗場景和設備，節省開支，方便學生操作。如水資源監控實驗可采用模擬水箱，充電樁可以用樹莓派模擬等。物聯網實驗的場景著重在于學生感知，采用多樣化的模擬場景和設備可以讓學生更加直觀地理解行業應用，也方便在校園內完成。學生可以自己模擬實驗場景，設計實驗。

（3）可擴展性強。以平臺為基礎，實驗模塊化可以方便簡捷地根據需要設計實驗場景，學生也可以自己設計更多創新實驗。同時，實驗DIY的部分也可以根據學生能力進行擴展，例如：云端的數據分析部分，對于較為基礎的學習，學生可以直接用Watson IoT API組件進行數據分析;在此基礎上提高一些難度，學生可以基于IBM Bluemix的Watson IoT API進行編碼控制;對于能力較強的學生，可以全部由學生自己進行編碼分析。對于IoT設備的控制，同樣也可以根據學生能力進行實驗內容的擴展，如讓學生自定義數據采集與傳輸等。

（4）多角色體驗與能力提升。實驗涉及從數據采集、傳輸、數據分析到商業理解、業務創新的全過程，能夠讓學生體會完整的行業應用過程。實驗分小組進行，小組內學生可以承擔不同角色：數據工程師、數據分析師、管理者等。學生可以著重培養某一角色的能力或者整個業務流程的多重能力。

（5）基于IBM Bluemix云，節省成本，方便分析。Bluemix是一個開放式云平臺，可以方便用于構建、運行和管理應用程序與服務;而且該平臺具有強大的數據分析功能，對于通過物聯網系統收集到的數據可以進行智能化分析和應用。IBM Watson IoT Platform使應用程序與已連接的設備、傳感器和網關進行通信，并使用由它們收集的數據。應用程序可以使用實時API和REST API來與設備進行通信。

1.2 平臺整體結構

設備的整體結構分為軟件、硬件和云端三個方面，如圖1所示。

其中，軟件部分包括底層的Data Source和Local Data Center以及DIY層。項目整體在數據處理與搜集方面使用Python，在數據展示方面使用JavaScript，在滿足需求的基礎上降低了學生在基礎語言方面的學習難度。

1.3 平臺硬軟件設計

1.3.1 平臺硬件設計

底層的Data Source 是一種布滿傳感器的高度定制設備，它可以應用于特定場景，兼具消息傳播能力。在實驗場景中，Data Source基于Arduino或Raspberry Pi進行定制。傳感器種類包括溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器等，如在水污染監控的場景中，就可以通過傳感器檢測各個不同水域的水污染情況，并進行數據收集與上傳。有些Data Source具有權限設置，在不同用戶調用數據時有不同的權限。實驗過程中，學生通過云端直接控制Local Data Center來實現對數據采集的自定義。權限也可以用來控制數據的錄入、修改、維護。例如：可以用來控制突發情況;在智慧農田的管理中，必然有突發自然災害的情況。因此對于突發情況的數據收集需要人為控制，這也是學生實驗的一個重點。

Local Data Center是本地存儲數據的中心，可以是Raspberry Pi，也可以是個人主機。Data Source和Local Data Center之間的通信可以通過多種方式根據場景需求來實現，如可以用RFID，NFC，ZigBee，Bluetooth;甚至是通過有線連接實現，如USB串口。

DIY層是需要學生進行自主定制的一個層次，Local Data Center用來方便學生管理以及接入Data Source，并且對與它連接的Data Source數據進行整合并將之發送至IBM Bluemix云端，同時響應云端發送來的控制請求。對于一個場景中Local Data Center可能不止是一個，尤其是在分布式環境中。Local Data Center可以分為多層，實現不同程度的監管，更加靈活地實現設備的接入。由于通過軟件整合了Data Source的通信，所以大大降低了學生對物理技術設備操作的難度。學生只需要理解物理設備的通信，即可理解特定場景中對物理設備的需求，完成特定場景中物理設備的操作。

1.3.2 平臺軟件設計

Terminal分為多種，包括Android，IOS，Windows 10 Mobile，PC等。基于JavaScript實現軟件的跨平臺運作，使用基于REST的模塊化系統實現請求與響應，可以智能加載云端信息，包括從云端獲取的學生自主定義的信息、經過云端處理的信息以及客戶端請求中所帶要求的物聯網數據結果。Terminal可方便學生更好地使用物聯網，并體驗物聯網應用帶來的最終結果;同時，也可以使學生更直觀地理解物聯網實驗的結果，模塊化也實現了教學目的上的可擴展性和敏捷性。

1.3.3 云端結構

物聯網創新實驗平臺云端結構如圖2所示，云端分為

五個部分：一個客戶端請求響應處理服務器、一個物聯網信息收發服務器、一個核心端服務器以及兩個數據庫。

在圖2中，客戶端請求響應處理服務器負責接收來自Local Data Center的數據，并將其存儲到Redis Database;物聯網信息收發服務器負責處理Requirements;核心服務器負責數據處理;Redis Database負責存儲臨時的數據;MySQL負責存儲分析后的數據。全部的流程可以描述為：首先，客戶端請求響應處理服務器接收到Requirements，對Requirements進行處理與識別，一部分通過讀取MySQL直接返回結果，另一部分請求進入核心服務器，核心服務器將Requirements發送至物聯網信息收發服務器，從Local Data Center讀取數據，并存儲至Redis Database;隨后核心服務器從Redis Database讀取數據并進行數據處理，存儲到MySQL，返回至客戶端請求響應處理服務器。

1.4 學生操作及能力培養

（1）從云端控制Local Data Center，實現自定義物聯網數據的采集。通過軟件整合了Data Source的通信，學生只需要理解物理設備的通信，即可理解特定場景中對物理設備的需求，完成特定場景中物理設備的操作。

（2）學生在云端進行數據分析。第一種是學生直接通過IBM Bluemix的Watson IoT API組件進行數據分析;第二種方式是學生基于IBM Bluemix的Watson IoT API進行編碼控制;第三種方式是全部由學生自己進行編碼分析。通過數據分析，提高商業理解能力，洞悉業務創新。

（3）通過手機、平板、電腦等終端，從云端智能加載學生自主定義的數據分析的結果，以圖表等多種形式進行展示。使學生從管理者的角度解讀分析結果，提出優化解決方案，為行業創造新的業務模式。

2 智能充電樁管理物聯網創新實驗設計

2.1 實驗目的

面對世界能源需求的不斷攀升和自然資源的日益枯竭，人們需要尋找更加高效和可持續的方式使用能源，在此背景下電動汽車產業蓄勢待發。在電動汽車的推廣和應用過程中，充電樁管理仍存在許多問題。本實驗希望利用物聯網、云計算等相關技術設計出一個較完善的充電樁管理系統，使其具有一定的商業價值。該系統的主要功能有：充電樁基本信息（位置、類型、能力、狀態等）收集和管理、充電狀態實時監控（充電接口連接狀態、進線輸入電壓、充電輸出電壓、電流、充電時長、已充電量等運行參數，以及溫度、濕度等環境參數），并且進行數據分析，優化運營。

利用這個實驗樣例，讓學生感受基于云計算的物聯網實驗環境，掌握實驗方法。學生通過在實際操作中不斷加深對物聯網、云計算等技術應用的理解，做出改進，最終形成基于物聯網的智能充電樁管理系統。

2.2 實驗內容

在本樣例中，整個系統分為兩部分：Client（客戶端）和Server（服務器）。Client由Local Center（本地計算中心）及Terminal（充電樁終端）組成，Server由Restful API和 Display（數據可視化界面）組成。學習和掌握ZigBee網絡通信，讀取傳感器數據，編寫程序實現預警功能，并對收集到的數據進行處理和分析。

2.3 實驗設備與原理

實驗設備主要包括：服務器、電腦、樹莓派等。實驗環境包括：Linux，Raspbian，Ubuntu，IBM Bluemix平臺。

2.3.1 樹莓派

Raspberry Pi（樹莓派，RPi）是為學習計算機編程教育而設計，只有信用卡大小的微型電腦，其系統基于Linux。Linux是一款基于ARM的微型電腦主板，以SD/MicroSD卡為內存硬盤，卡片主板周圍有1/2/4個USB接口和一個10/100 以太網接口（A型沒有網口），可連接鍵盤、鼠標和網線，同時擁有視頻模擬信號的電視輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口，具備所有PC的基本功能。

2.3.2 IBM Bluemix云平臺

Bluemix平臺是面向開發者的，開發者調用它的很多服務，不用考慮很多部署、運維的問題。同時，Bluemix上有很多現成服務，比如消息系統MQTT，在2G環境中可以進行數據到云端的傳輸。當網絡斷掉時可以把數據作為緩存，當網絡恢復之后可以繼續上傳到云端，包括Bluemix上面的Cloudant分布式數據庫，可以進行數據采集、數據傳輸，而且是采用相對穩定的方式進行傳輸;更重要的一點，在于開發敏捷性和交付的敏捷性上，它可以提高工作的效率。面向開發者的應用平臺，而不是簡單的云計算基礎設施，這是Bluemix與其他云計算平臺最根本的區別。完善的開發及應用環境使得Bluemix的用戶可以從操作系統搭建、開發環境部署、運行系統維護等繁瑣工作中解放出來，輕松部署，即刻應用。

2.3.3 數據傳輸技術的應用

數據傳輸的實現使用標準協議，優先級如下：

（1）插電的設備，用WiFi;

（2）需要和手機交互的，用BLE;

（3）傳感器用ZigBee。

2.4 實驗步驟

（1）準備好硬件設備。在這里樹莓派具有兩個作用：一是連接傳感器獲取充電過程中的實時數據;二是作為充電樁的物聯網模塊，獲取資源，申請服務器及API等。

（2）構建系統。整個系統分為兩部分：Client（客戶端）和Server（服務器）。Client由Local Centre（本地計算中心）及Terminal（充電樁終端）組成，Server提供Restful API和Display（數據可視化界面）。

（3）調用Terminal的getinfo函數，將參數數據發送至Local Center。通過調用Terminal的getinfo函數，獲取充電樁充電狀態的信息，如充電接口連接狀態、進線輸入電壓、充電輸出電壓、電流、充電時長、已充電量等運行參數，以及溫度、濕度等環境參數，發送至Local Center，實現預警功能。一旦檢測到的數據超過了正常范圍，則發送Error Response。在Local Center調用 formatinfo，進行數據的匯總、清洗，之后發送至服務器。

（4）在Server中，由Restful API接收數據并進行處理，將其發送至Database（數據庫）進行存儲，方便讀取。

（5）最后進行數據分析、預測等展示。在Display管理界面登錄，讀取數據。管理界面包括User Panel（用戶面板）、Control Panel（控制面板）及Info Panel（信息面板）。

3 結 語

本文提出如何建設經管類學生物聯網創新實驗平臺，介紹實驗平臺硬件、軟件和云端的結構，設計電動汽車充電樁兩個創新實驗場景，并對實驗腳本的具體內容進行設計。該實驗平臺基于IBM Bluemix云平臺，節省開支，可以使用Bluemix提供的強大的數據分析功能。平臺采用模擬實驗場景和設備，可擴展性強，突出了應用層數據處理和創新能力培養，有助于經管類專業學生的多角色體驗與能力提升。實驗與云計算、大數據分析相結合，適合經管類專業學生體會物聯網場景、了解物聯網知識、掌握物聯網數據的分析與應用。在該平臺的基礎上，還可以探索更多適應行業發展的、適合經管類專業學生的物聯網實驗場景，培養適應新環境的綜合型經管人才。

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