电科专业物联网教学实践平台建设

尹亮　邵晓红　侯志灵

摘 要 通过对物联网及大数据技术的研究，搭建电科专业物联网教学实践平台，满足电科专业学生在物联网和大数据领域的实践学习需求。实践平台包括感知层、网络层、应用层以及数据平台。感知层是基于X射线荧光原理的检测探头，数据通过4G通信模块进行发送，服务器上的监听程序对数据进行解码并存入数据库，数据平台对数据进行分析处理并通过web展现在页面上。

关键词 物联网 大数据 电科专业 实践平台

中图分类号：G642                                   文献标识码：A    DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2021.01.014

Abstract Through the research on the Internet of Things and big data technology， this paper builds a teaching and practice platform of the Internet of Things for electricity majors to meet the practical and learning needs of electricity majors in the field of the Internet of Things and big data. Practice platform includes perception layer， network layer， application layer and data platform. The sensing layer is a probe based on the principle of X-ray fluorescence. Data is sent through 4G communication module. The listener on the server decodes the data and stores it in the database. The data platform analyzes and processes the data and presents it on the page through the Web.

Keywords Internet of Things; big data; electrical professional; practice platform

針对北京化工大学电子科学与技术专业学生在物联网和大数据领域的实践学习需求，结合土壤重金属智慧监测相关科研项目，研发一套电科专业物联网教学实践平台。

1 研究内容

教学实践平台由采集设备、通信模块、数据库、检测平台与相关运维部署平台以及应用展示层五大部分组成。它的工作流程为：终端检测设备采集到数据信息，通过GPRS通信模块传输给运行在服务器上的数据库，后端业务代码对数据进行汇总分析并传递给前端展示层，用户可在浏览器端打开网站查看相关信息，平台开发管理人员可以通过相关运营维护工具进行项目的改造和升级。

1.1 终端检测设备

土壤重金属检测设备装配有基于X射线荧光原理的检测探头。采用基于STM32控制的滑台丝杠组系统，用于控制探头能在检测机箱中按要求移动，保证探头能够检测到分布在样品托盘各处的土壤样品，实现土壤样品的自动化检测。

采用基于4G数据收发的透明传输通信接口，其相当于做了一次数据中转，将一切从设备传来的信息不加处理地发送给云服务器。在4G通讯模式下，使用支持以太网协议的设备进行数据中转，将相关数据上传到指定IP的服务器上。本文采用USR-K2超级网口作为中转器，接收来自串口的Chars字符串数据，执行一系列的解码转换操作后，根据设定好的IP和端口号进行寻址发送。

1.2 数据监听

数据经通讯设备转发以后，已部署在服务器端的监听程序此时可以从正在监听的对应端口获取连接请求，并按照TCP/IP协议进行解码，监听程序对数据执行相应的解算操作，并转存至ORACLE数据库。

监听程序部署在云服务器上运行，以保证能对服务器端口进行实时监听。一旦监测到设备连接异常，则马上进行重置机制——清理异常的连接线程并重连，保证设备在重连时不会被之前发生异常的线程干扰。此外，它还要负责与土壤重金属检测大数据平台web服务程序建立连接，保证其和Web服务程序连接出现异常之后也能够执行重连操作。通过以上设计可以确保连接在遭遇到极端情况下中断连接之后能够快速恢复，正常运行时各个运行组件是在维持需求时间内进行持续连接的。

1.3 土壤重金属检测数据平台

（1）SSM框架选择。SSM即Spring、SpringMVC、MyBatis的单词首字母缩写，它们分别代表当下比较主流的三个技术框架，而SSM通常代表这三个框架的整合，这正适用于搭建各种大型企业及系统，是JavaEE企业级框架之一。[1]

当用户在浏览器内输入相应的网址后，请求到达服务器后台，Spring通过辨别请求路径，将请求分发给对用的Controller类，Controller类再进行调用Service类来实现对应的业务逻辑，而在这期间Service类中会调用数据持久层Mybatis完成对实体类的数据操作，返回处理结果给Controller，返回Model And View给视图层，渲染解析完成以后将结果呈现给用户。

（2）Web前端搭建。Ajax技术的核心是XML Http Request对象，其执行流程是：在XML Http Request中使用JavaScript向服务器后台提出请求，即和服务器进行少量数据交换，获取返回结果后将其提交给客户端的Ajax引擎，再由引擎来决定将这些数据插入到页面的哪个位置。页面在请求后台数据时不需要整个刷新页面，而是在当前页面内与后台进行通信，减少了用户在使用Web程序时的等待，这就给用户提供了良好的用户体验。[2]

本文采用Free Marker页面担任MVC设计模式中的视图层。Free Marker是一个适用于Java项目的模板引擎程序，可以实现严格的MVC层次分离，同时也能避免传统JSP页面中嵌入Java代码导致的维护困难和由于代码滥用导致的不良后果，确保了逻辑层和表现层的相对分离。

（3）运维部署平台。Swagger 是一个先进的在线接口API文档，它常被作为前后端交互的桥梁，并且其配套的Swagger-ui界面是一个符合Restful 风格的可视化Web服务。使用Swagger只需要在项目开发中按照规范加入相应的注解，便能使得项目程序可以和接口文档更新进度相同，所以，只要按照规范进行开发，那么API将永远和项目保持同步，使管理一个接口文档变得简单并有效率。本文搭建Swagger在线API接口文档，学生在使用过程中只需在默认输入的网址末尾添加/swagger-ui.html即可进入页面，查看接口信息，执行接口测试等操作且不會对正式数据造成影响。

1.4 项目管理工具

（1） Maven私有仓库。平台以Maven进行管理，但是部分特殊功能Jar工具包Maven中央仓库并不包含，需要在服务器上手动搭建一个Nexus服务器，将所需Jar工具包上传，相当于搭建一个私有的Maven库，保证在编译过程中Maven能获取所有Jar包。

（2） Git私有仓库。Git是一款开源的分布式版本控制系统，其特点在于：所有电脑都需要和中央仓库进行联网连接，一旦中央仓库出现问题，会影响所有使用者。所以对于分布式版本控制系统来说，当项目文件上传到Git中央仓库以后，每个开发者可以在本地机器上克隆一份完整的Git仓库，而开发者在自己的机器上可以根据需求创建不同代码分支和修改代码，这样就避免了集中式系统的牵一发而动全身的问题。开发者之间在Git上的代码冲突可以进行约定代码提交规范来解决。

为了提高平台安全级别以及便于学生使用，本文未将项目代码开源到Github中，而是选择Gitblit作为私有的Git服务器，由于它是搭建在私有服务器内的，确保项目不会被随意篡改，同时它体积小，容易迁移和使用。

（3）Jenkins运维部署。运维部署Jenkins平台服务器环境，安装相关插件，经过数次编译构建，仅第一次初始化构建项目需要进行约半小时的等待，后续只要代码提交后，Jenkins能在5分钟内完成整个项目的编译构建和打包操作，所用时间控制在合理范围内。

2 项目测试

对实践平台各功能模块进行测试。通过对用户注册/登录、土壤采集项的控制和查阅、报警信息的查看和处理、设备的信息和状态、系统权限的分配、系统运行状态以及对数据进行图表分析化等功能模块的查看，结果表明平台所有功能处于正常运行状态，并且有比较快的页面响应速度。

参考文献

[1] 荣艳冬.关于Mybatis持久层框架的应用研究[J].信息安全与技术，2015，6（12）：86-88.

[2] 雷建胜，苏晓，金明磊.一种分布式可持续集成自动化测试平台[J].计算机与现代化，2020（04）：14-18.