基于OceanConnect平臺的智慧實訓室系統設計

戴儼炯

(長沙航空職業技術學院，湖南 長沙 410124)

0 引言

國家對高素質技術技能型人才的需求不斷擴大，對職業教育的專業適應性也提出了更高的要求。高素質技術技能人才的培養，需要以實踐教學為基礎，而實踐教學條件是開展實踐教學的重要基礎[1]。近年來，高職院校的實訓室規模、設備數量不斷擴大，實訓室管理人員的需求也隨之增加。高素質技術技能人才培養對實訓室開放、共享的需求與實訓室的規范、安全管理之間的矛盾日益明顯。

1 研究背景和意義

目前，對實訓室開放、共享式管理方式，主要為實訓室管理員管理或門禁系統授權管理。人力管理的方式成本過高，并很難做到“開放期全程監控”“課余學習時間全程開放”，另外，不可避免地包含一些有風險的人為因素；門禁系統授權方式，管理的最小單元是實訓室，很難估量一間實訓室同一時段合適的授權量，也無法監控和管理前一時段和后一時段不同申請者的設備使用權，無法保證實訓室有序開放。

本系統基于華為的OceanConnect物聯網平臺，針對實訓室的特點和智能化需求，定制綜合型的智慧實訓室解決方案。OceanConnect平臺擁有接入無關、高可靠性、高安全性、彈性伸縮、能力開放等特點，可以大大節約項目開放的周期，節約項目成本，適合特殊功能定制。通過OceanConnect平臺的賦能，智慧實訓室可以實現安全、高效的開放與共享，讓實訓室利用最大化；讓實訓室設備資產管理更智能；經后期開發，可以利用OceanConnect平臺的數據分析與挖掘功能，為改善實訓教學效果提供數據支撐。

2 系統總體設計

基于OceanConnect平臺的智慧實訓室，可以通過分級授權門禁系統，實時監控，Openov視頻識別，保障開放有序。通過感知層的煙霧傳感器、紅外傳感器、溫濕度傳感器等采集設備，進行全天候采集數據，并上傳至平臺層完成數據的分析，對異常情況在管理員終端進行遠程報警，保障智慧實訓室安全的開放與共享。由于OceanConnect平臺接入無關的高兼容性，可確保感知層的設備接入種類和數量，讓智慧實訓室無數據盲區和死角。OceanConnect平臺接入方式多樣，如重要參數設備可以直連場景接入OceanConnect，數據簡單設備可以用智能網關的方式接入OceanConnect，普通實訓設備可以通過間接方式接入OceanConnect。智慧實訓室接入OceanConnect平臺的最小單元是儀器設備，使用者可以通過應用層在終端平臺隨時查看、隨時預約，確保智慧實訓室高效的開放與共享。通過RFID電子標簽的方式，為實訓室的設備建立電子臺賬。通過非直連的方式數據接入OceanConnect平臺。每個設備都有唯一的ID，可以實現設備的定位空間，標記資產，高速盤點。智慧實訓室利用感知層充分采集學習者及設備的各項數據，在OceanConnect平臺層對數據進行分析、挖掘，再通過應用層反饋、推送給教學者和學習者，為教學者提供有利于改善實訓教學的學情分析。為學習者建立并提供實訓檔案，提供與其他學習者的橫向比較數據，激勵學習者的學習動力。智慧實訓室網絡拓撲圖如圖1所示。

圖1 智慧實訓室網絡拓撲

2.1 系統感知層

系統感知層主要進行實訓室的各種數據的采集，將物理信息轉換為電信號。數據采集設備包括各種傳感器、攝像頭、RFID標簽、門禁系統、電源系統等。上述設備組成了一個感知網絡，如果是多個實訓室，就有多個感知網絡。在感知網絡里面，采取WIFI、ZigBee、RS485等通信方式，實現區域內的短距離通信。

2.2 系統傳輸層

系統傳輸層是將感知層的數據，通過遠距離傳輸到物聯網云平臺，常用的通信方式有Internet、2G、3G、NB-IoT等，為了提高傳輸效率和處理實效，系統利用物聯網網關對實時數據進行預處理，從而實現感知層和應用層數據高效對接。

2.3 系統應用層

本系統利用物聯網應用構建器OceanBooster，進行系統應用層的開發。OceanBooster是華為物聯網針對物聯網應用提供的應用開發平臺，可涵蓋物聯網行業的核心應用場景，集成了Web在線開發、微服務開發等便利物聯網開發工具，可以快速構建應用，大大加快開發進程。

3 物聯網網關系統設計

本系統設計物聯網網關，網關支持傳統設備和傳感器節點等大量傳統設備通過WIFI、ZigBee等通信方式安全地連接互聯網或云端，可以將原本獨立的終端，組成感知網絡，并將傳統設備接入OceanConnect平臺。物聯網網關還能對傳感器節點進行管理與控制，能夠進行邊緣計算，將多個服務進行集成，避免因數據傳輸造成的延時，也避免將大量的數據傳輸到云端，造成不必要的資源浪費。本系統的物聯網網關系統由主控制器、ZigBee、NB-IOT模塊、485接口組成，如圖2所示。

圖2 網關系統

3.1 STM32主控制器

本系統網關采用STM32L431RCT6為主控制芯片，該芯片為ARM Cortex-M4內核，在80MHz頻率下能達到100DMIPS的性能，具備ART AcceleratorTM高效讀取閃存技術，具有FlexPowerControl技術能對功耗進行靈活管理，使得其具有超低功耗、高性能，內部資源豐富的特點。

3.2 NB-IOT模塊

2014年5月，華為聯合沃達豐提出NB-M2M技術。2016年，第一款商用的NB-IoT芯片完成測試。全國范圍內的NB-IoT網絡基站將近150萬個，預計2025年達到300萬個，連接數達到12億。

本系統選用NB35-A通信模塊，模塊為華為海思Boudica150的通信模組BC35-G，支持IPv4/IPv6/UDP/CoAP/LwM2M/Non-IP/DTLS/TCP/

MQTT等通信協議[2],具有低延時、低功率、性價比高等特點。

3.3 傳感器感知網絡

本系統用到的傳感器種類眾多，有MQ-2可燃氣體傳感器，當實訓室有可燃氣體時，傳感器電導率將發生變化；紅外傳感器用于檢測實訓室的窗戶的關閉情況，通過485通信接口連接網關；溫濕度傳感器、霍爾門控傳感器，通過ZigBee網絡將數據傳遞給網關。

3.4 ZigBee模塊

本系統提供ZigBee通信方式。ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的短距離、低功耗的無線通信技術[3]。在物聯網網關中作為內網的通信方式的一種，實現感知層設備的短距離組網。ZigBee的網絡拓撲結構可以組成極為復雜的網絡，具有自組織、自愈等功能。

3.5 485通信接口

485通信接口是高可靠性、高性價比的接口方式，可以通過有線的方式實現SPI、I2C通信協議的感知層設備與網絡層的連接。485通信傳輸速率可達10Mbps，距離可達3000m，可以滿足系統的要求。

3.6 LiteOS操作系統

本系統選用LiteOS輕量級操作系統。LiteOS物聯網操作系統是華為公司為IoT領域構建的操作系統，其大小為10KB。具備零配置、自組網、自發現等能力，讓使用LiteOS操作系統的物聯網設備能快速、自動接入網絡。LiteOS系統是為物聯網系統量身定做的操作系統，具有很強的實時性、穩定性、可裁剪性，主要包括任務管理、內存管理、通信機制、中斷管理、隊列管理、事件管理等操作系統基礎組件。

4 物聯網電源線設計

本系統利用物聯網電源線的方式，讓需要單獨授權、監控使用情況的特殊設備接入物聯網。現有電源控制器不夠智能和便捷，無遠程控制功能。物聯網電源線包括電源輸入端，電源輸出端、微控制器、物聯網通信模板、電能檢測、繼電器、電源模塊。市電進入輸入端后供給電源模塊，該模塊完成降壓、整流、濾波后給微處理器、物聯網通信模塊、電能檢測模塊、輸入輸出指示燈供電。繼電器控制市電是否輸出。初始狀態繼電器為斷開即輸出端無市電輸出。物聯網通信模塊接收到指令和傳遞數據，指令包含供電、斷電、供電時長等，數據包含設備使用時長、電流、功率等。微處理器處理物聯網模塊的命令與數據，控制繼電器的開斷，從電能檢測模塊采集數據，將數據發送給物聯網通信模塊。電能檢測模塊采集供電數據，包括供電時長、電流、功率數據，圖3為物聯網電源線的系統框圖。

圖3 物聯網電源線系統

5 結語

本文基于華為OceanConnect平臺，提出了智慧實訓室的設計方案。該方案可以實現實訓室的智能化管理，從而實現實訓室的開放與共享。投入實際使用后，可利用感知層充分采集學習者及設備的各項數據，在OceanConnect平臺層對數據進行分析、挖掘，再通過應用層反饋、推送給教學者和學習者，為教學者提供有利于改善實訓教學的學情分析。