徐毅　秦寧寧

摘 ?要：文章基于OneNET云平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)介紹了實(shí)驗(yàn)所搭建的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的架構(gòu)、功能需求以及實(shí)驗(yàn)開展的可行性。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目貫穿了傳感器、通信、數(shù)據(jù)庫以及信號(hào)處理等等專業(yè)知識(shí)，較好地解決了物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)中理論聯(lián)系實(shí)際的問題，為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)核心課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展提供了有力支持。

關(guān)鍵詞：OneNET云平臺(tái);物聯(lián)網(wǎng);實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：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(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)遵循傳統(tǒng)的教學(xué)模式，按照實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)實(shí)施、實(shí)驗(yàn)報(bào)告方式進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)均以現(xiàn)場的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，實(shí)驗(yàn)資源利用率低、學(xué)生動(dòng)手機(jī)會(huì)少，物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)綜合應(yīng)用能力的鍛煉機(jī)會(huì)少。因此，迫切需要改變傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理模式和課堂實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，研究新的?shí)驗(yàn)教學(xué)手段，充分利用已有實(shí)驗(yàn)資源，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平[1]。

OneNET是中國移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的開放平臺(tái)，可以解決協(xié)議適配、海量連接、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、設(shè)備管理、規(guī)則引擎、事件告警等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)的共性問題，平臺(tái)支持多種行業(yè)及主流標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的設(shè)備接入[2，3]，如MQTT、CoAP、TCP、HTTP、Modbus等，滿足多種應(yīng)用場景的使用需求，提供設(shè)備生命周期管理，支持用戶進(jìn)行設(shè)備注冊(cè)、更新、查詢、刪除，提供設(shè)備在線狀態(tài)管理，開放API接口，通過簡單調(diào)用快速實(shí)現(xiàn)應(yīng)用生成[4，5]。

因此，基于OneNET的功能和實(shí)驗(yàn)室已有的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)一套“環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)”的物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)方案，貫穿物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層，可以使物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學(xué)生得到綜合鍛煉。

二、系統(tǒng)架構(gòu)

基于OneNET云平臺(tái)，“環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)”綜合實(shí)驗(yàn)主要功能包括：系統(tǒng)的感知層將實(shí)驗(yàn)室已有平臺(tái)上的溫濕度傳感器等采集到的模擬環(huán)境數(shù)據(jù)周期性上傳至OneNET物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái);應(yīng)用層實(shí)時(shí)顯示溫濕度等數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r(shí)控制感知層的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)和停。環(huán)境參數(shù)監(jiān)控綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的具體架構(gòu)如圖1所示。

目前學(xué)院實(shí)驗(yàn)室使用的是GEN-0200B新型物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)，其外觀如圖2所示。

所設(shè)計(jì)的綜合實(shí)驗(yàn)的終端軟硬件主要擁有以下幾個(gè)功能：環(huán)境參數(shù)采集、采集的數(shù)據(jù)通過無線通訊模塊上傳云平臺(tái)、響應(yīng)云平臺(tái)下發(fā)的控制指令。本綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)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(huán)境數(shù)據(jù)，然后將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)由無線模塊上傳數(shù)據(jù)到OneNET云平臺(tái)，最后主控器通過向繼電器發(fā)送信號(hào)，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備的啟動(dòng)和關(guān)閉。硬件架構(gòu)圖如圖3所示。

在本次設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，主要包括：

應(yīng)用層：負(fù)責(zé)對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行展示、管理和響應(yīng)的處理，并提供檢測與控制的web端和控制UI界面，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境的監(jiān)控。

傳輸層：負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)和指令的傳輸，把感知層采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)上傳到平臺(tái)層，系統(tǒng)利用無線傳輸模塊通過MQTT協(xié)議上傳到OneNET云平臺(tái)，同時(shí)將平臺(tái)層發(fā)來的控制指令發(fā)送到終端執(zhí)行器。

平臺(tái)層：負(fù)責(zé)對(duì)上傳數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理，云平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示。

應(yīng)用層：負(fù)責(zé)對(duì)云平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，用戶通過瀏覽器、手機(jī)APP就可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的監(jiān)控，大大簡化了用戶的操作。

本綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控軟件包括：云平臺(tái)的UI監(jiān)控界面和瀏覽器web端，兩組監(jiān)控系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)對(duì)模擬環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控?；谠破脚_(tái)的模擬環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體功能模塊如圖4所示。

三、綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可行性分析

1. 技術(shù)可行性：本次物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)基于OneNET云平臺(tái)、STM32嵌入式技術(shù)、B/S結(jié)構(gòu)開發(fā)技術(shù)和傳感器技術(shù)都是較為成熟、普遍流行的技術(shù)。tomcat+java/jsp+mysql+Linux組成的網(wǎng)頁端開發(fā)技術(shù)，現(xiàn)階段十分流行，且有大量相關(guān)項(xiàng)目可供分析。

2. 經(jīng)濟(jì)可行性：OneNET云平臺(tái)目前完全免費(fèi)，實(shí)驗(yàn)資源也是本實(shí)驗(yàn)室已有的資源。部署于web端的管理系統(tǒng)也可在個(gè)人CP中編寫實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)主要成本為采集的智能終端設(shè)備費(fèi)用，這部分費(fèi)用在設(shè)計(jì)承擔(dān)范圍之內(nèi)。

3. 目標(biāo)可行性：本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案綜合了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生所學(xué)的核心課程知識(shí)，包括傳感器、數(shù)據(jù)庫、無線傳感網(wǎng)、通信原理、信號(hào)處理等，實(shí)驗(yàn)效果直觀，學(xué)生的體驗(yàn)感強(qiáng)，學(xué)生可以充分利用課余時(shí)間來完成這個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)完成后，只需登錄OneNET云平臺(tái)或web端即可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)驗(yàn)效果明顯直觀，也便于實(shí)驗(yàn)老師來檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)完成情況。

4. 實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)的可行性：通過OneNET云平臺(tái)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，可以直接檢驗(yàn)本綜合實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)效果。

學(xué)生需要在OneNET云平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)UI監(jiān)控界面，首先要讓學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)資源在線創(chuàng)建自己的產(chǎn)品和設(shè)備，將本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)看作一個(gè)產(chǎn)品，系統(tǒng)的終端硬件對(duì)應(yīng)產(chǎn)品下的設(shè)備，學(xué)生根據(jù)自己的需要以不同的協(xié)議接入。在完成創(chuàng)建產(chǎn)品和設(shè)備后，學(xué)生即可在開發(fā)者中心看到系統(tǒng)的詳細(xì)信息。學(xué)生進(jìn)入OneNET應(yīng)用管理下的編輯應(yīng)用界面，實(shí)現(xiàn)OneNET云平臺(tái)上的數(shù)據(jù)流可視化。該云平臺(tái)的另一大特殊之處在于，其支持監(jiān)控頁面嵌入功能，學(xué)生可以將監(jiān)控頁面嵌入到用戶的web端網(wǎng)頁上。學(xué)生只需在應(yīng)用管理界面獲取應(yīng)用嵌入代碼即可將其引入自己的網(wǎng)頁端中。

圖5是基于OneNET云平臺(tái)溫室大棚監(jiān)控的一個(gè)最基本的界面。通過這個(gè)界面所展示的功能，可以檢驗(yàn)學(xué)生完成該實(shí)驗(yàn)的具體情況，做出不同的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)。

從以上幾點(diǎn)可行性可以看出，本綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)完全可行，實(shí)驗(yàn)方案也比較靈活，學(xué)生既可以一個(gè)人完成這個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)，也可以幾個(gè)人為一個(gè)小組分工寫作來完成。

四、結(jié)束語

本文充分利用已有的實(shí)驗(yàn)資源和免費(fèi)且功能強(qiáng)大的OneNET免費(fèi)云平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的綜合應(yīng)用。該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容貫穿無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、串口通信、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)庫以及信號(hào)處理等專業(yè)知識(shí)，較好地解決了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中的“通、存、用”等問題，實(shí)驗(yàn)效果很好，為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)核心課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展提供一定的借鑒。

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基金項(xiàng)目：江蘇省重點(diǎn)研發(fā)-現(xiàn)代農(nóng)業(yè)“基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧設(shè)施蛋雞生產(chǎn)技術(shù)集成創(chuàng)新與示范”（編號(hào)：BE2018334）

作者簡介：徐毅（1972-），男，漢族，四川儀隴人，工學(xué)碩士，講師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用。