面向经管类专业的物联网创新实验平台设计

周瑞琪 李英 毛谦昂 李明霏 王宇涵

摘 要：物联网可以与云计算、大数据分析等进行融合，打造全新的商业模式，因此，针对物联网核心技术和典型应用的研究开发成为各高校相关专业教学和科研的一个新方向。基于IBM Bluemix，为经管类学生设计物联网创新实验平台。从硬件、软件及云端三个方面介绍了设备的整体设计思路及架构。在该平台的基础上，设计了电动汽车充电桩场景下的物联网实验。

关键词：物联网;IBM Bluemix;创新实验平台;电动汽车充电桩;树莓派;ZigBee

中图分类号：TP39文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）08-0-04

0 引 言

物联网（Internet of Things，IoT）是互联网、传统电信网等信息承载体，是让所有能行使独立功能的普通物体实现互联互通的一种网络[1]。物联网是在互联网的基础上对用户端的延伸与扩展，按约定的协议，能够把任何物品与互联网相连接，从而进行信息交换和通信，扩大了可采集到的数据范围，大幅度增加了可收集获取的数据量和数据类型。物联网与云计算、大数据分析、智能决策等技术进行融合，并对数据进行处理、分析和挖掘，从而更加迅速、准确、智能地对物理世界进行管理和控制[2]，进一步推动产品与服务创新，且打造全新商业模式、加速行业变革[3]。因此，针对物联网核心技术和典型应用的研究开发逐渐发展为各个高校和相关领域企业的重要工作，成为各高校专业技术教学和科研的一个新方向。

目前各高校重视培养掌握物联网技术的人才，并提升其在相关领域的科学研究、技术开发、产品设计与专业技能教学等方面的能力。物联网实验教学平台是物联网教学中的一个重要工具。为成为可适应新环境并综合发展的高素质经管人才，本校商学院的学生有必要了解和掌握物联网的相关知识，并体验物联网技术在经济和社会领域中的应用。因此，面向经管类专业学生的物联网创新实验平台的开发具有现实意义。

关于物联网实验平台的探索与建设，国内学者做了一些相关研究，并取得了一定成果。文献[4]对高校物联网实验教学平台的使用情况进行了梳理。在物联网实验课程设置方面，赵同刚等人根据卓越工程师培养计划，着力提高学生的工程素质和工程实践能力，实验内容的创新设计使得学生更好地掌握基本知识[5]。陈玉川通过现代物联网技术，感知学生的创新意识，培养创新思维，提高创新实践能力，将校园物联网系统知识融入创新学教学过程中，实现创新学教学方式的创新[6]。

在实验项目的设计方面，樊晓露等人设计了虚拟智慧供应链贸易管理实验平台[7]，周艳构建了基于RFID的物联网仓储实验系统[8]，杨宏伟等结合智能家居的特点及其特殊应用环境，设计了一种基于RFID和传感网技术的智能家居控制系统[9]。

在实验平台系统的设计方面，贾江叶将实验平台分为无线传感器网络实验系统、RFID实验系统和探索开放实验三个部分[10];孙冠男设计了基于射频、WiFi、蓝牙、ZigBee、3G/GPRS等物联网技术的物联网实验教学平台，阐述了由基础教学、接入系统实验与综合应用实训三个部分的三层实验系统组成的总体架构[11];刘佳等设计了基于无线传感器网络和射频识别技术的实验系统，实现了物联网在物流、家居和医护等方面的典型应用[12]。

通过文献梳理可以发现，目前国内外的研究较少对基于云计算的物联网实验平台进行深入研究。实验平台重点多放在培养物联网三层架构中的感知层和网络层的技术中，较少涉及应用层数据处理和上层用户接口，此类培养方式对物联网进行创新实践教学的贡献度较小，且实训与实验的行业覆盖度低。目前的实验平台难以让学生体会到完整的行业应用过程，学生不能更深入地理解物联网及其应用的普遍性，难以将其应用于之后的工作与生活中。而随着物联网技术的不断发展和市场规模的不断扩大，物联网技术人才培养已经成为全球各国的技术发展及产业创新提高的重要战略，有着广阔的发展前景。因此，在本文中，针对经管类专业物联网创新平台需求，从硬件、软件及云端三个方面对基于IBM Bluemix的物联网创新实验平台进行设计，并在该平台的基础上，设计了电动汽车充电桩场景下的物联网实验，编写实验脚本。

1 面向经管类专业的物联网创新实验平台设计

1.1 平台设计的原则

（1）突出应用层数据处理和创新能力培养。经管专业的学生在学习物联网三层架构时，学生感知、观察架构中的感知层和传输层，避免了底层操作。本文着重于应用层的数据分析与应用，与经管人才的培养目标相契合。

（2）采用模拟实验场景和设备，节省开支，方便学生操作。如水资源监控实验可采用模拟水箱，充电桩可以用树莓派模拟等。物联网实验的场景着重在于学生感知，采用多样化的模拟场景和设备可以让学生更加直观地理解行业应用，也方便在校园内完成。学生可以自己模拟实验场景，设计实验。

（3）可扩展性强。以平台为基础，实验模块化可以方便简捷地根据需要设计实验场景，学生也可以自己设计更多创新实验。同时，实验DIY的部分也可以根据学生能力进行扩展，例如：云端的数据分析部分，对于较为基础的学习，学生可以直接用Watson IoT API组件进行数据分析;在此基础上提高一些难度，学生可以基于IBM Bluemix的Watson IoT API進行编码控制;对于能力较强的学生，可以全部由学生自己进行编码分析。对于IoT设备的控制，同样也可以根据学生能力进行实验内容的扩展，如让学生自定义数据采集与传输等。

（4）多角色体验与能力提升。实验涉及从数据采集、传输、数据分析到商业理解、业务创新的全过程，能够让学生体会完整的行业应用过程。实验分小组进行，小组内学生可以承担不同角色：数据工程师、数据分析师、管理者等。学生可以着重培养某一角色的能力或者整个业务流程的多重能力。

（5）基于IBM Bluemix云，节省成本，方便分析。Bluemix是一个开放式云平台，可以方便用于构建、运行和管理应用程序与服务;而且该平台具有强大的数据分析功能，对于通过物联网系统收集到的数据可以进行智能化分析和应用。IBM Watson IoT Platform使应用程序与已连接的设备、传感器和网关进行通信，并使用由它们收集的数据。应用程序可以使用实时API和REST API来与设备进行通信。

1.2 平台整体结构

设备的整体结构分为软件、硬件和云端三个方面，如图1所示。

其中，软件部分包括底层的Data Source和Local Data Center以及DIY层。项目整体在数据处理与搜集方面使用Python，在数据展示方面使用JavaScript，在满足需求的基础上降低了学生在基础语言方面的学习难度。

1.3 平台硬软件设计

1.3.1 平台硬件设计

底层的Data Source 是一种布满传感器的高度定制设备，它可以应用于特定场景，兼具消息传播能力。在实验场景中，Data Source基于Arduino或Raspberry Pi进行定制。传感器种类包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器等，如在水污染监控的场景中，就可以通過传感器检测各个不同水域的水污染情况，并进行数据收集与上传。有些Data Source具有权限设置，在不同用户调用数据时有不同的权限。实验过程中，学生通过云端直接控制Local Data Center来实现对数据采集的自定义。权限也可以用来控制数据的录入、修改、维护。例如：可以用来控制突发情况;在智慧农田的管理中，必然有突发自然灾害的情况。因此对于突发情况的数据收集需要人为控制，这也是学生实验的一个重点。

Local Data Center是本地存储数据的中心，可以是Raspberry Pi，也可以是个人主机。Data Source和Local Data Center之间的通信可以通过多种方式根据场景需求来实现，如可以用RFID，NFC，ZigBee，Bluetooth;甚至是通过有线连接实现，如USB串口。

DIY层是需要学生进行自主定制的一个层次，Local Data Center用来方便学生管理以及接入Data Source，并且对与它连接的Data Source数据进行整合并将之发送至IBM Bluemix云端，同时响应云端发送来的控制请求。对于一个场景中Local Data Center可能不止是一个，尤其是在分布式环境中。Local Data Center可以分为多层，实现不同程度的监管，更加灵活地实现设备的接入。由于通过软件整合了Data Source的通信，所以大大降低了学生对物理技术设备操作的难度。学生只需要理解物理设备的通信，即可理解特定场景中对物理设备的需求，完成特定场景中物理设备的操作。

1.3.2 平台软件设计

Terminal分为多种，包括Android，IOS，Windows 10 Mobile，PC等。基于JavaScript实现软件的跨平台运作，使用基于REST的模块化系统实现请求与响应，可以智能加载云端信息，包括从云端获取的学生自主定义的信息、经过云端处理的信息以及客户端请求中所带要求的物联网数据结果。Terminal可方便学生更好地使用物联网，并体验物联网应用带来的最终结果;同时，也可以使学生更直观地理解物联网实验的结果，模块化也实现了教学目的上的可扩展性和敏捷性。

1.3.3 云端结构

物联网创新实验平台云端结构如图2所示，云端分为

五个部分：一个客户端请求响应处理服务器、一个物联网信息收发服务器、一个核心端服务器以及两个数据库。

在图2中，客户端请求响应处理服务器负责接收来自Local Data Center的数据，并将其存储到Redis Database;物联网信息收发服务器负责处理Requirements;核心服务器负责数据处理;Redis Database负责存储临时的数据;MySQL负责存储分析后的数据。全部的流程可以描述为：首先，客户端请求响应处理服务器接收到Requirements，对Requirements进行处理与识别，一部分通过读取MySQL直接返回结果，另一部分请求进入核心服务器，核心服务器将Requirements发送至物联网信息收发服务器，从Local Data Center读取数据，并存储至Redis Database;随后核心服务器从Redis Database读取数据并进行数据处理，存储到MySQL，返回至客户端请求响应处理服务器。

1.4 学生操作及能力培养

（1）从云端控制Local Data Center，实现自定义物联网数据的采集。通过软件整合了Data Source的通信，学生只需要理解物理设备的通信，即可理解特定场景中对物理设备的需求，完成特定场景中物理设备的操作。

（2）学生在云端进行数据分析。第一种是学生直接通过IBM Bluemix的Watson IoT API组件进行数据分析;第二种方式是学生基于IBM Bluemix的Watson IoT API进行编码控制;第三种方式是全部由学生自己进行编码分析。通过数据分析，提高商业理解能力，洞悉业务创新。

（3）通过手机、平板、电脑等终端，从云端智能加载学生自主定义的数据分析的结果，以图表等多种形式进行展示。使学生从管理者的角度解读分析结果，提出优化解决方案，为行业创造新的业务模式。

2 智能充电桩管理物联网创新实验设计

2.1 实验目的

面对世界能源需求的不断攀升和自然资源的日益枯竭，人们需要寻找更加高效和可持续的方式使用能源，在此背景下电动汽车产业蓄势待发。在电动汽车的推广和应用过程中，充电桩管理仍存在许多问题。本实验希望利用物联网、云计算等相关技术设计出一个较完善的充电桩管理系统，使其具有一定的商业价值。该系统的主要功能有：充电桩基本信息（位置、类型、能力、状态等）收集和管理、充电状态实时监控（充电接口连接状态、进线输入电压、充电输出电压、电流、充电时长、已充电量等运行参数，以及温度、湿度等环境参数），并且进行数据分析，优化运营。

利用这个实验样例，让学生感受基于云计算的物联网实验环境，掌握实验方法。学生通过在实际操作中不断加深对物联网、云计算等技术应用的理解，做出改进，最终形成基于物联网的智能充电桩管理系统。

2.2 实验内容

在本样例中，整个系统分为两部分：Client（客户端）和Server（服务器）。Client由Local Center（本地计算中心）及Terminal（充电桩终端）组成，Server由Restful API和 Display（数据可视化界面）组成。学习和掌握ZigBee网络通信，读取传感器数据，编写程序实现预警功能，并对收集到的数据进行处理和分析。

2.3 实验设备与原理

实验设备主要包括：服务器、电脑、树莓派等。实验环境包括：Linux，Raspbian，Ubuntu，IBM Bluemix平台。

2.3.1 树莓派

Raspberry Pi（树莓派，RPi）是为学习计算机编程教育而设计，只有信用卡大小的微型电脑，其系统基于Linux。Linux是一款基于ARM的微型电脑主板，以SD/MicroSD卡为内存硬盘，卡片主板周围有1/2/4个USB接口和一个10/100 以太网接口（A型没有网口），可连接键盘、鼠标和网线，同时拥有视频模拟信号的电视输出接口和HDMI高清视频输出接口，具备所有PC的基本功能。

2.3.2 IBM Bluemix云平台

Bluemix平台是面向开发者的，开发者调用它的很多服务，不用考虑很多部署、运维的问题。同时，Bluemix上有很多现成服务，比如消息系统MQTT，在2G环境中可以进行数据到云端的传输。当网络断掉时可以把数据作为缓存，当网络恢复之后可以继续上传到云端，包括Bluemix上面的Cloudant分布式数据库，可以进行数据采集、数据传输，而且是采用相对稳定的方式进行传输;更重要的一点，在于开发敏捷性和交付的敏捷性上，它可以提高工作的效率。面向开发者的应用平台，而不是简单的云计算基础设施，这是Bluemix与其他云计算平台最根本的区别。完善的开发及应用环境使得Bluemix的用户可以从操作系统搭建、开发环境部署、运行系统维护等繁琐工作中解放出来，轻松部署，即刻应用。

2.3.3 数据传输技术的应用

数据传输的实现使用标准协议，优先级如下：

（1）插电的设备，用WiFi;

（2）需要和手机交互的，用BLE;

（3）传感器用ZigBee。

2.4 实验步骤

（1）准备好硬件设备。在这里树莓派具有两个作用：一是连接传感器获取充电过程中的实时数据;二是作为充电桩的物联网模块，获取资源，申请服务器及API等。

（2）构建系统。整个系统分为两部分：Client（客户端）和Server（服务器）。Client由Local Centre（本地计算中心）及Terminal（充电桩终端）组成，Server提供Restful API和Display（数据可视化界面）。

（3）调用Terminal的getinfo函数，将参数数据发送至Local Center。通过调用Terminal的getinfo函数，获取充电桩充电状态的信息，如充电接口连接状态、进线输入电压、充电输出电压、电流、充电时长、已充电量等运行参数，以及温度、湿度等环境参数，发送至Local Center，实现预警功能。一旦检测到的数据超过了正常范围，则发送Error Response。在Local Center调用 formatinfo，进行数据的汇总、清洗，之后发送至服务器。

（4）在Server中，由Restful API接收数据并进行处理，将其发送至Database（数据库）进行存储，方便读取。

（5）最后进行数据分析、预测等展示。在Display管理界面登录，读取数据。管理界面包括User Panel（用户面板）、Control Panel（控制面板）及Info Panel（信息面板）。

3 结 语

本文提出如何建设经管类学生物联网创新实验平台，介绍实验平台硬件、软件和云端的结构，设计电动汽车充电桩两个创新实验场景，并对实验脚本的具体内容进行设计。该实验平台基于IBM Bluemix云平台，节省开支，可以使用Bluemix提供的强大的数据分析功能。平台采用模拟实验场景和设备，可扩展性强，突出了应用层数据处理和创新能力培养，有助于经管类专业学生的多角色体验与能力提升。实验与云计算、大数据分析相结合，适合经管类专业学生体会物联网场景、了解物联网知识、掌握物联网数据的分析与应用。在该平台的基础上，还可以探索更多适应行业发展的、适合经管类专业学生的物联网实验场景，培养适应新环境的综合型经管人才。

参 考 文 献

[1]刘云浩.物联网导论[M].北京：科学出版社，2011.

[2]范大鹏，李丹，张雅君.高校实验室云计算环境下服务选取云模型判优算法研究[J].高师理科学刊，2013，33（2）：47-49.

[3]张健.云计算概念和影响力解析[J].电信网技术，2009，（1）：15-18.

[4]周瑞琪，李英，毛谦昂，等.高校物联网实验教学平台建设研究

[J].物联网技术，2018，8（4）：108-110.

[5]赵同刚，潘大发，李甜洁.以卓越工程师为目标驱动的物联网实验教学探索[J].高校实验室工作研究，2015（3）：105-107.

[6]陈玉川.“物联网 + 创新学教学”怎么加？[J].物联网技术，2016，6（9）：74-77.

[7]樊晓露，张宝明.基于物联网的虚拟智慧供应链贸易管理实验平台研究设计[J].电子商务，2016（2）：11-13.

[8]周艳.基于 RFID 的物联网仓储实验系统设计 [J].长江大学学报（自然科学版），2012，9（8）： 121-123.

[9]杨宏伟，朱红梅，韩永林.结合智能家居的物联网实验教学探索

[J].重庆与世界（学术版），2013，30（8）：78-80.

[10]贾江叶.物联网开放实验平台的设计与实现[D]. 北京：北京郵电大学，2013.

[11]孙冠男.高校物联网创新实验平台建设探索[J]. 软件导刊，2013（9）：151-152.

[12]刘佳，刘柏全，宋铁成，等.一种物联网教学实验系统的设计与实现[J].电气电子教学学报，2010，32（6）：89-92.