物聯網平臺建設需要結合校園的自身特點，根據業務場景需要，合理選取數據傳輸方式，兼顧性能和運行成本。

　　近年來，在人工智能、大數據、物聯網等新興技術的影響下，國內各高?！爸腔坌@”建設正如火如荼地進行。智慧校園建設是學校工作效率及工作質量的保障，是提高校園現代化管理以及綜合性提高的關鍵因素[1]。物聯網自身具備強大的低功耗、廣覆蓋、低成本、大容量等技術優勢，在智慧校園建設中得到了廣泛應用。

　　在校園內開發部署一套智慧校園物聯網平臺，可以融合學校各種軟件、硬件，整合各類校務服務，優化各類資源，深入挖掘各類業務，拓展校園應用場景，實現各系統有機聯系，打造以智能物聯平臺為基座的智慧校園，為全校師生的學習、生活、工作提供便捷服務，全面提升學校管理化水平[2]。

　　設計理念

　　1. 設備的泛在接入

　　由于行業內缺乏統一的物聯網設備接入標準，目前市場上各類智能設備的通訊協議各不相同，難以快速接入并進行統一管理。物聯網平臺需要解決感知層設備協議不一、轉換困難、成本較高的問題。

　　2. 數據低成本可靠傳輸

　　隨著高校規模的不斷擴張，校園內智能設備的數量逐漸龐大。由于不同業務場景對設備通訊的實時性、可靠性要求各不相同，所以物聯網平臺需要結合校園的自身特點，根據業務場景需要，合理選取數據傳輸方式，從而兼顧性能和運行成本。

　　3. 消除“設備孤島”問題

　　目前，高校有很多正在使用的設備監控系統，如空調監控系統、泵房監控系統等。這些系統大多采用傳統的現場控制方式，難以聯網集控和資源整合，形成了一個個垂直孤立的“設備孤島”，不利于智慧校園的整體建設。因此，迫切需要一個統一的、具備異構系統集成能力的物聯網平臺，解決跨系統間設備的通訊和聯動控制問題。

　　系統架構

　　按照物聯網系統通常的層次結構，可將物聯網平臺從邏輯上劃分為四層，分別為感知層、傳輸層、處理層、應用層[3]，整體架構設計如圖1所示。

圖1 物聯網平臺整體架構設計

　　物聯網平臺感知層

　　感知層是物聯網的底層，主要解決物聯網全面感知的核心能力。校園內有多種類型的傳感器，每個傳感器都是一個獨立的信息源，可以獲取和識別各類校園信息。由于高校通常不具備生產制造能力，所以目前校園內使用的各類傳感器多為從市場上直接采購的成熟產品，主要可分為兩大類。

　　第一類是以智能電 / 水表、溫 / 濕度傳感器為代表的獨立設備。這類設備在校園內數量龐大，但自身的智能化程度較低，能夠采集到的參數也較為單一 , 通訊時大多使用RS485、M-BUS等智能儀表領域相關通信協議。對于此類設備，在選型時應重點關注其通信協議是否符合相關國家標準或行業標準，如智能電表應符合《多功能電能表通信協議》, 智能水表、燃氣表和熱（冷）量表應符合《戶用計量儀表數據傳輸技術條件》。

　　第二類是以中央空調、電梯為代表的成套設備。這類設備在校園內數量較少，但自身的智能化程度較高，通常具備完整的本地自控系統，能夠采集到的參數非常豐富，通訊時大多采用工業控制和自動化領域相關協議。對于此類設備，由于不同廠商之間設備的差異性較大，缺乏統一的行業標準，因此在選型時應重點關注其開放性和功能性，即設備廠商是否愿意開放數據接口和通信/控制協議，以及提供的采集/控制變量能否滿足上層應用的功能需求。

　　物聯網平臺傳輸層

　　傳輸層主要解決感知層所獲得數據的長距離傳輸問題，實現上下兩層之間數據的透明傳送。該層的關鍵設備是邊緣計算網關，其核心功能是完成上下行協議的轉換。下行傳輸（傳輸層至感知層）通常使用串行通信網絡，傳輸協議取決于感知層的傳感器，種類繁多，邊緣計算網關必須針對不同的設備逐個適配。上行傳輸（傳輸層至處理層）應充分利用現有的基于TCP/IP協議的校園網，接入方式可采用有線（RJ45）或無線（Wi-Fi），傳輸協議選用MQTT協議。

　　邊緣計算網關應采用工業級嵌入式系統進行設計，通?；贏RM的嵌入式板為核心，由核心板、底板和通信模塊組成，包含核心控制模塊、基礎服務與管理模塊、外部存儲模塊、協議轉換模塊、外部網絡控制與接入模塊、無線通信模塊、能量供應模塊、編程與調試模塊等，其架構設計如圖2所示。

　　邊緣計算網關采用Linux操作系統，使用Python進行編程開發，其核心功能包括：注冊認證服務、設備管理（類型、數量、地址等）、多協議轉換（RS485/232/433、M-BUS、LonWorks、6LoWPAN等）、常用設備驅動（DL/T 645-2007，CJ/T 188-2018等）、控制邏輯、數據存儲與處理、遠程固件更新、本地參數配置（IP、Gateway、DHCP等）。

圖2 邊緣計算網關架構設計

　　物聯網平臺處理層

　　處理層主要完成對設備和數據進行全生命周期管理，包括設備注冊、功能定義、在線調試、遠程配置、固件升級、遠程維護、實時監控、分組管理、設備刪除、數據解析、數據持久化、（實時/歷史）數據接口、訪問控制等功能。處理層的整體架構如圖3所示。

圖3 物聯網平臺處理層架構設計

　　處理層采用Java開發，使用MQTT協議與邊緣計算網關通訊；采用HAPROXY進行負載均衡。采EMQ集群作為MQTT消息服務器。采用RabbitMQ作為消息總線，提供異步數據訪問。采用Redis作為實時數據庫，緩存感知層設備的實時狀態（即最新一次上報的數據）。采用influxDB作為歷史數據庫，存儲感知層設備的所有監測數據。采用MySQL作為業務數據庫，存儲各類業務數據（即非設備采集數據）。核心功能模塊包括設備控制服務、設備數據采集服務、設備監控管理服務、數據分析服務等。

　　物聯網平臺應用層

　　應用層提供豐富的基于物聯網的應用，是物聯網與用戶（包括人、組織和其他系統）的接口。主要解決如何基于物聯網平臺進行快速開發，根據業務需要快速構建業務系統。通過對物聯網應用進行分析和共性抽取，提供基礎組件和項目腳手架，規范開發流程，簡化開發難度，降低運維成本。應用層的整體架構設計如圖4所示。

圖4 物聯網平臺應用層架構設計

　　應用層基于B/S架構，采用Java開發，使用Spring Boot和Spring Cloud框架，采用微服務架構，通過Docker方式部署。與物聯網平臺處理層的通訊使用RESTful API和JSON數據格式。前端使用Vue（MVVM 框架）、Ant Design（UI 組件）和ECharts（圖表組件）；使用Nginx進行反向代理。

　　數據持久化方面，使用Redis作為高速緩存，進行登錄狀態保持；使用MySQL作為業務數據庫，并進行讀寫分類；使用MyCat進行分庫分表；使用HAPROXY和Keepalived來實現雙機熱備，保證系統的高可用性。此外，使用ELK和Beats構建分布式日志系統，進行日志的收集和展現。核心功能模塊包括應用門戶、用戶管理、訪問控制、設備監控、故障報警、智能運維等。其性能指標滿足要求見表1。

表1 物聯網平臺應用層性能指標

　　實踐案例

　　江南大學是教育部直屬、國家“211工程”重點建設高校和一流學科建設高校，坐落于“感知中國中心”的江南名城無錫市。自2005年來，學校自主創新、設計研發了基于物聯網架構的“智慧校園運行平臺”和能源管理、能源回收、節能控制、安全保障、運行管理共5大類17個子系統。

　　借助布設在校園內的近2萬多個各類傳感監控點和400多臺邊緣計算網關，實現了對能源使用、給水管網、校園路燈、燃氣輸送和供電配變、空調管理的全方位立體式的數字化實時管理和突破時空約束的超越化管理。系統通過“數字化”方式，將傳統的校園管理從“模糊”概念變成清晰數據，為管理者提供了更便捷、更科學的決策支持，從而實現科學管理、精細管理、高效管理。

　　結語

　　智慧校園是高校信息化建設的必由之路。本文針對高校智慧校園物聯網平臺的設計理念、系統架構、技術實現進行了研究，提出了基于物聯網技術打造智慧校園的參考途徑。未來，如何應對物聯網安全威脅，構建物聯網安全的體系結構，還需要進一步思考和完善。

　　課題項目：江蘇省現代教育技術研究2021年度智慧校園專項立項課題“智慧校園的網絡安全體系建設的研究與實踐”（2021-R-96784）

　　基金項目：江蘇省現代教育技術研究2020年度智慧校園專項課題（課題編號：2020-R-84343）

　　參考文獻

　　[1]張曉勇.物聯網技術在智慧校園的應用[J].電子元器件與信息技術,2022,6(1):154-155.

　　[2]陳斌.智慧校園智能物聯網平臺設計研究[J].軟件,2021,42(01):01-04.

　　[3]王強,田備.高校綠色建筑智慧運營管理探索與實踐——以江南大學為例[J].建設科技,2019(14):47-52.

　　[4]楊宗凱.教育新基建高質量教育體系的支撐力量[M].北京，科學出版社,2021:184-188.

　　作者：趙讓 丁盛 (江南大學信息化建設與管理中心)

　　責編：陳永杰