基于OneNET云平臺的物聯網綜合實驗教學創新研究

徐毅　秦寧寧

摘 ?要：文章基于OneNET云平臺，設計了一個物聯網綜合實驗，重點介紹了實驗所搭建的物聯網系統的架構、功能需求以及實驗開展的可行性。實驗項目貫穿了傳感器、通信、數據庫以及信號處理等等專業知識，較好地解決了物聯網實驗中理論聯系實際的問題，為物聯網專業核心課程實驗教學的開展提供了有力支持。

關鍵詞：OneNET云平臺;物聯網;實驗教學

中圖分類號：G642 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）10-0050-04

Abstract： Based on OneNET cloud platform， this paper designs a comprehensive experiment project of Internet of Things（IOT）. The project focuses on the architecture， functional requirements and feasibility of the IOT experiment. The experimental project runs through the professional knowledge of sensors， communication， database and signal processing， which solves the problem of integrating theory with practice in the experiment of IOT， and provides strong support for the experimentalteaching of core courses of IOT.

Keywords： OneNET cloud platform; Internet of Things（IOT）; experimental teaching

一、緒論

長期以來，我校物聯網實驗課程教學遵循傳統的教學模式，按照實驗預習、實驗實施、實驗報告方式進行。實驗均以現場的驗證性實驗為主，實驗資源利用率低、學生動手機會少，物聯網知識綜合應用能力的鍛煉機會少。因此，迫切需要改變傳統物聯網實驗教學管理模式和課堂實驗模式，研究新的實驗教學手段，充分利用已有實驗資源，創新實驗教學方式，提高實驗教學水平[1]。

OneNET是中國移動物聯網的開放平臺，可以解決協議適配、海量連接、數據存儲、設備管理、規則引擎、事件告警等物聯網應用開發的共性問題，平臺支持多種行業及主流標準協議的設備接入[2，3]，如MQTT、CoAP、TCP、HTTP、Modbus等，滿足多種應用場景的使用需求，提供設備生命周期管理，支持用戶進行設備注冊、更新、查詢、刪除，提供設備在線狀態管理，開放API接口，通過簡單調用快速實現應用生成[4，5]。

因此，基于OneNET的功能和實驗室已有的物聯網實驗平臺，設計一套“環境參數監控系統”的物聯網綜合實驗方案，貫穿物聯網的感知層、網絡層、應用層，可以使物聯網專業的學生得到綜合鍛煉。

二、系統架構

基于OneNET云平臺，“環境參數監控系統”綜合實驗主要功能包括：系統的感知層將實驗室已有平臺上的溫濕度傳感器等采集到的模擬環境數據周期性上傳至OneNET物聯網開放平臺;應用層實時顯示溫濕度等數據，能夠實時控制感知層的電動機轉和停。環境參數監控綜合實驗設計的具體架構如圖1所示。

目前學院實驗室使用的是GEN-0200B新型物聯網傳感器節點，其外觀如圖2所示。

所設計的綜合實驗的終端軟硬件主要擁有以下幾個功能：環境參數采集、采集的數據通過無線通訊模塊上傳云平臺、響應云平臺下發的控制指令。本綜合實驗系統主要采用STM32系列芯片，并搭配了各種溫濕度、光照等傳感器采集環境數據，然后將采集到的數據經由無線模塊上傳數據到OneNET云平臺，最后主控器通過向繼電器發送信號，實現終端設備的啟動和關閉。硬件架構圖如圖3所示。

在本次設計的物聯網綜合實驗系統中，主要包括：

應用層：負責對傳感器采集的數據進行展示、管理和響應的處理，并提供檢測與控制的web端和控制UI界面，從而實現環境的監控。

傳輸層：負責對數據和指令的傳輸，把感知層采集到的環境數據上傳到平臺層，系統利用無線傳輸模塊通過MQTT協議上傳到OneNET云平臺，同時將平臺層發來的控制指令發送到終端執行器。

平臺層：負責對上傳數據的存儲、管理，云平臺對數據進行處理，實現數據的顯示。

應用層：負責對云平臺轉發的數據進一步處理，用戶通過瀏覽器、手機APP就可實現對環境的監控，大大簡化了用戶的操作。

本綜合實驗設計的環境監控系統的監控軟件包括：云平臺的UI監控界面和瀏覽器web端，兩組監控系統簡潔的操控界面必須面向用戶友好，只需登錄瀏覽器即可實現對模擬環境的遠程監控。基于云平臺的模擬環境遠程監控系統總體功能模塊如圖4所示。

三、綜合實驗系統的可行性分析

1. 技術可行性：本次物聯網綜合實驗設計的環境參數監控系統基于OneNET云平臺、STM32嵌入式技術、B/S結構開發技術和傳感器技術都是較為成熟、普遍流行的技術。tomcat+java/jsp+mysql+Linux組成的網頁端開發技術，現階段十分流行，且有大量相關項目可供分析。

2. 經濟可行性：OneNET云平臺目前完全免費，實驗資源也是本實驗室已有的資源。部署于web端的管理系統也可在個人CP中編寫實現。系統主要成本為采集的智能終端設備費用，這部分費用在設計承擔范圍之內。

3. 目標可行性：本實驗設計方案綜合了物聯網專業學生所學的核心課程知識，包括傳感器、數據庫、無線傳感網、通信原理、信號處理等，實驗效果直觀，學生的體驗感強，學生可以充分利用課余時間來完成這個綜合實驗。實驗完成后，只需登錄OneNET云平臺或web端即可實現對環境參數的遠程監控，實驗效果明顯直觀，也便于實驗老師來檢驗實驗完成情況。

4. 實驗效果評價的可行性：通過OneNET云平臺上位機軟件設計，可以直接檢驗本綜合實驗的實驗效果。

學生需要在OneNET云平臺上實現UI監控界面，首先要讓學生結合實驗資源在線創建自己的產品和設備，將本實驗系統看作一個產品，系統的終端硬件對應產品下的設備，學生根據自己的需要以不同的協議接入。在完成創建產品和設備后，學生即可在開發者中心看到系統的詳細信息。學生進入OneNET應用管理下的編輯應用界面，實現OneNET云平臺上的數據流可視化。該云平臺的另一大特殊之處在于，其支持監控頁面嵌入功能，學生可以將監控頁面嵌入到用戶的web端網頁上。學生只需在應用管理界面獲取應用嵌入代碼即可將其引入自己的網頁端中。

圖5是基于OneNET云平臺溫室大棚監控的一個最基本的界面。通過這個界面所展示的功能，可以檢驗學生完成該實驗的具體情況，做出不同的實驗評價。

從以上幾點可行性可以看出，本綜合實驗的設計完全可行，實驗方案也比較靈活，學生既可以一個人完成這個綜合實驗，也可以幾個人為一個小組分工寫作來完成。

四、結束語

本文充分利用已有的實驗資源和免費且功能強大的OneNET免費云平臺，設計了一個物聯網綜合實驗，實現物聯網的感知層、網絡層和應用層的綜合應用。該實驗內容貫穿無線傳感器網絡、串口通信、網絡通信、數據庫以及信號處理等專業知識，較好地解決了物聯網應用系統設計與實現中的“通、存、用”等問題，實驗效果很好，為物聯網專業核心課程實驗教學的開展提供一定的借鑒。

參考文獻：

[1]“高等學校本科計算機類專業應用型人才培養研究”項目物聯網工程專業工作組.高等學校本科物聯網工程專業應用型人才培養指導意見（2016版）[M].北京：高等教育出版社，2016.

[2]陳思.基于OneNET的農業大棚物聯網環境監控系統的研究與實現[D].遼寧：遼寧大學，2019.

[3]楊裴裴，李勝嵐，石恒瑞.基于STM32和OneNET的智能健康管家的設計與實現[J].電子產品世界，2019，26（8）：60-64.

[4]盧于輝，秦會斌.基于MQTT的智能家居系統的設計與實現[J].智能物聯技術，2019，51（02）：41-47.

[5]鄭峰.基于MQTT云推送平臺的研究及應用[D].杭州：杭州電子科技大學，2016.

基金項目：江蘇省重點研發-現代農業“基于物聯網的智慧設施蛋雞生產技術集成創新與示范”（編號：BE2018334）

作者簡介：徐毅（1972-），男，漢族，四川儀隴人，工學碩士，講師，研究方向：物聯網技術應用。