基于端边云协同的物联网平台的设计与实现.pdf

2023年/第11期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application550 引 言为积极发展“互联网+教育”，推动信息技术与教育教学深度融合，支撑教育高质量发展，国家近年来出台了智慧校园总体框架1、高等学校数字校园建设规范（试行）2、教育信息化 2.0 行动计划3、中国教育现代化 20354 等多项指导性文件，运用人工智能、大数据、物联网、IPv6+等技术路线进行高等学校智慧校园建设5，是提升高等学校信息化建设和应用水平的有效途径。其中物联网技术与智慧校园相结合，可以更加有效地将教学、科研、管理和校园生活进行充分融合6，打造全面感知、精准服务的智慧学习环境，实现教育教学、教育管理的科学 决策。1 需求分析根据近日工信部等八部门联合印发的物联网新型基础设施建设三年行动计划（20212023 年）7，行动计划中明确：到 2023 年底国内物联网连接数将突破 20 亿。随着物联网连接设备数的爆发8-9，物联设备数据量也将呈指数级增长，物联网所产生的数据达 70%以上都将在网络边缘进行处理10，而在需求多样的人工智能应用的推动下，以及日益增长的数据实时性要求和安全性需求下，无论是以云计算为核心的集中式算力模式，还是简单地由网络边缘计算的算力模式，均已无法满足需求11。在此背景下，利用物联网设备端、边缘与云端协同计算的边缘智能模式应运而生，而根据不同的计算设备分工方式和技术框架，协同模式包括边云协同、边边协同、边物协同和端边云协同12。其中，端边云协同方式利用包括物联网设备、边缘设备、云计算设备在内的整条链路上的计算资源，以发挥不同设备的计算、存储优势并最小化通信开销。基于上述研究，本文面向当前数字化校园物联网平台建设领域，针对当前智慧校园物联网平台标准化和智能化不足、资源复用不足、新需求支撑能力不足、业务数据即时性不足等问题，设计了一种基于端边云协同计算的物联网平台，通过该平台五个不同层级，满足源端数据融合、感知层资源共享、业务即时性、在线管控能力四方面功能需求，并在端边云协同架构的基础上，基于 LoRa 协议实现了校园楼宇建筑内弱电设备间环境监控系统的部署与应用。2 关键技术端边云协同架构基于不同设备所处的物理位置和逻辑功能不同而承担不同的功能，物联网端边云协同架构主要面向数字化校园多设备多系统大规模异构场景，利用云计算核心组件连接分布在边缘侧的边缘节点，并向边缘节点下发事件和指令，实现跨边缘节点的云边协同，再利用边端节点接收执行云端下发的事件和指令，并通过终端设备服务向端侧设备下发事件和指令，实现端侧设备的管理控制，从而实现端边云协同。如图 1 所示，端边云系统逻辑架构由端计算资源、边计算资源和云计算资源构成。云计算资源：针对本文设计的物联网平台，云计算资源是端边云协同体系架构中的关键组成部分。物联网平台通过云计算中心节点连接各个边缘节点，汇聚各边缘节点之间的数据资源，实现边缘节点的协同计算。云计算中心节点对下基于端边云协同的物联网平台的设计与实现肖漫漫，马 迎，刘骥琛（中国人民大学 信息技术中心，北京 100872）摘 要：针对当前智慧校园物联网平台标准化和智能化程度不足、资源复用不足、新需求支撑能力不足、业务数据即时性不足等问题，设计了一种基于端边云协同计算的物联网平台，该平台设计为感知层、计算层、传输层、服务层、应用层五个不同层级，通过对不同层级技术路线和功能的详细设计，将端边云架构应用于智慧校园物联网平台建设。最后，本文在端边云协同架构的基础上，设计实现了校园楼宇建筑内弱电设备间环境监控系统的部署与应用，实现了大量楼宇设备间的实时监测和调控管理。关键词：端边云协同；边缘计算；智慧校园；物联网；环境监控系统；实时监测中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2023）11-0055-04DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2023.11.015收稿日期：2022-12-20 修回日期：2023-01-18基金项目：中国人民大学教育管理项目“基于物联网技术的校园基础设施管理方式探索”物联网技术 2023年/第11期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application56层资源具有管理控制功能，包括边缘资源的调度和任务分配、终端资源标识解析服务、终端资源信息管理、终端资源访问控制策略配置等；随着对物联网安全的重视13，面向数字化校园安全监控需求，云端还需对接校园 AAA 服务的身份验证，负责平台连接请求的身份验证和加密等。此外，云计算资源将物联网平台资源进行整合汇聚，为上层应用系统提供统一的服务接口和数据中心，推动学校跨部门间的泛在互联和深度感知，提升资源协同互动水平。图 1 端边云系统逻辑架构边计算资源：是本文物联网平台的核心部分，承担着物联网平台数据采集、数据标准化、源数据存储、数据调度等功能。边缘节点需构建统一的物联信息模型和接入标准，屏蔽端侧终端差异，实现不同类型数据的标准化接入与整合汇聚；同时，边缘节点具备计算能力，在边缘侧对源数据进行融合，提升处理效率、降低云端计算资源开销。端计算资源：针对端边云协同架构的物联网平台以及智慧校园应用场景，端计算资源负责整个平台的从物理域数据采集到信息域数据处理等一系列服务。首先，利用端计算资源的计算能力，在产生数据的源头实现就地集成和聚合计算；其次，端侧对平台接入设备类型进行统一规划设计，实现数据标准化和灵活可扩展，避免终端重复建设、数据重复 采集。3 物联网平台整体架构设计为解决在传统云平台部署物联网应用的时延高、计算和 I/O 密集的问题，本文设计了一种基于高可用性、低耦合、可扩展性强的端边云协同架构的物联网平台，该平台适用于数字化校园大规模异构场景，实现物联网应用实时性、隐私保护安全性、网络资源利用率的高质量保障。如 图 2 所示，基于端边云架构的物联网平台总体架构设计为感知层、计算层、传输层、服务层、应用层五个层级。其中，平台设计以设备接入的感知层作为物端，负责原始数据采集和上传；平台引入以边缘计算为核心的计算层构成边端，通过边缘节点在数据源头对数据进行初步分析、处理、控制和存储，减少数据上传云的成本、降低云计算中心的压力；平台设计服务层部署在云端，负责多路边缘节点的数据处理和统筹管理等，并在该层屏蔽下层各系统的异构性，为上层提供统一的服务调用接口；通过感知层、计算层、传输层、服务层形成端边云一体化的协同方式，满足大规模异构物联网场景下的数据融合、资源共享、服务协同和在线管控的需求。下文将对不同层级技术路线及功能规划进行详细 介绍。图 2 物联网平台整体架构3.1 感知层感知层即设备接入层，在端边云协同架构中属于物端，主要负责采集数据并发送至边缘节点，同时接收边缘节点的指令进行具体的操作执行。感知层实现平台南向设备接入，通过设计物联网接入网关以适配底层设备协议的异构性，确保了设备的唯一性和安全性。根据物联网终端设备支持的网络协议类型，感知层接入设备分为如下三类：（1）基于物联网协议的设备及系统：通过部署物联网接入网关支持异构协议的自适配，并形成物联边缘计算的基础设施，支持接入的物联网协议包括无线局域网（Wireless LAN,WLAN）、紫 蜂（ZigBee）、低 功 耗 蓝 牙（Bluetooth Low Energy,BLE）、窄 带 物 联 网（Narrow Band Internet of Things,NB-IoT）、第 五 代 移 动 通 信 技 术（5th Generation Mobile Communication Technology,5G）、近距离传输（Near Field Communication,NFC）、超 宽 带（Ultra Wide Band,UWB）、射 频 识 别（Radio Frequency Identification,RFID）、远距离无线电（Long range Radio,LoRa）等。（2）基于现场控制总线协议的设备及系统：在靠近应用场景侧设计以物理网关连接为主，支持的控制总线协议包括楼宇自动化与控制网络（Building Automation and Control Networks,BACnet）、ModBus 通信协议、工业控制与自动化2023年/第11期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application57协议（OLE for Process Control,OPC）等。（3）基于 IP 可达网络接口的设备及系统：通过部署相应的网络接入交换设备进行连接，支持标准消息队列遥测传输（Message Queuing Telemetry Transport,MQTT）协议以及自由接口编程，同时支持透传模式的串口服务器设备协议编程、数据封装结构以及接口形式、自定义非标准化协议的快速适配等。3.2 计算层计算层以边缘节点为核心，在端边云协同方式中承载着边云协同和边端协同两层交互，通过两层协同交互实现云端服务层对感知层设备的控制。边云协同交互中，云端服务层作为控制平面、计算层边缘节点作为计算平面，接收云端下发的指令，并通过统一的资源开放接口，对云端服务层提供数据和资源分配服务；边端协同交互中，计算层在边缘节点运行着终端设备管理服务，管理服务负责对端侧物联网关的源数据进行收集、分析、传递、处理和控制，边缘节点收到云端指令操作管理服务，从而影响终端设备。感知层终端类型的多样复杂性，导致 IoT 源数据格式的多样性共存，为方便源数据的管理和存储，本文平台计算层对感知层数据进行抽象处理，实现源数据标准化和整合汇聚，推动数字化校园部门间的泛在互联和深度感知。同时，针对IoT 系统中大量物联网终端节点的隐私信息无法得到有效保护的问题，平台还可在计算层边缘节点对源数据进行隐私保护，提高物联网数据在边缘网络的安全。3.3 传输层传输层负责边端到云端的 IoT 数据传输，依据具体使用场景采用不同的无线网络通信技术。针对 ZB（Zettabyte）级IoT 数据的爆炸性增长加快了无线频谱资源消耗的问题，本文在传输层引入软件定义网络（Software Defined Network,SDN）和网络切片（Network Slicing,NS）技术，以实现端边云协同架构中无线网络资源的高效利用。其中，SDN技术为不同的独立虚拟网络提供基础设施和无线资源，实现虚拟专网的安全隔离，提升资源利用率；而 NS 技术与 IPv6 技术相结合，并充分利用 SDN 虚拟化技术，创建多个虚拟专网，以满足多样化、定制化的物联应用场景及 业务。3.4 服务层服务层部署在云端，是物联网平台的资源管理和控制中心。服务层主要提供设备连接、设备管理、消息管理、边缘网关管理、场景管理、运维管理等功能，并通过云控制器向边缘节点下发资源共享和资源调度指令，实现各边缘节点资源受控共享和服务融合，为物联网平台上层智慧物联设备提供统一的服务接口、数据处理、数据开放以及资源 管理等。3.5 应用层应用层为物联网平台可视化管理平台，结合服务层提供的服务接口、数据开放、资源管理等，构成丰富多样的物联网应用系统。同时应用层还提供应用开发和发布功能，开发者可以根据服务层提供的服务接口和数据进行物联网应用定制化开发，并可将定制开发的应用通过平台统一 发布。针对智慧校园资源管理、数据分析、师生服务、校园安全、公共设施、智慧教室、楼宇控制等应用场景，本文设计的物联网平台可适用于多个独立的应用子系统，包括智能照明系统、建筑设备监控系统、建筑能效监管系统、信息导引及发布系统、智慧食堂系统、资产管理系统、环境监测系统、绿化养护系统、车辆管理系统、智慧路灯系统、智慧综合管廊系统等，本文针对建筑设备监控系统进行了设计和部署 实现。4 基于物联网平台的应用系统实现面向智慧校园不同物联网应用场景，基于端边云协同体系的物联网平台建设，本文设计实现了楼宇建筑内弱电设备间环境监控系统的部署与应用，实现了大量楼宇设备间的实时监测和调控管理。设备间环境监控系统架构如图 3 所示。图 3 设备间环境监控系统架构如图 3 所示，设备间环境监控系统基于端边云协同体系的物联网平台，感知层接入终端包括室内温度传感器和湿度传感器，接入终端内置 LoRa 模块，温湿度传感器将环境中的温度量、湿度量转换成电信号，通过设备的 LoRa 模块与LoRa 网关通信；LoRa 网关负责数据汇总，连接终端设备和云端数据服务器，LoRa 网关与云端数据服务器通过 TCP/IP网络连接。物联网技术 2023年/第11期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application58在计算层，LoRa 网关作为边缘节点具有独立数据处理和数据存储功能，用于将感知层接入终端设备采集的温度参数和湿度参数信息进行存储、处理、分析和加密传输，实现对接入终端数据的采集及必要的远程管控，并将数据打包加密成标准 TCP/IP 通信协议后上传至数据服务器，确保了端侧数据的安全性。在传输层，设备间环境监控系统 LoRa 网关与云端数据服务器采用虚拟专网进行数据传输，针对采用 RJ45 网线连接的 LoRa 网关，在传输链路划分虚拟局域网（Virtual Local Area Network,VLAN）；针对采用 WiFi 连接的 LoRa 网关设置独立的物联网服务集标识（Service Set Identifier,SSID）进行承载。划分物联网虚拟专网和物联网服务标识集，既实现了逻辑专网之间网络传输设备的资源复用，也实现了校园网其他业务子网和物联网的逻辑隔离，确保了校园网系统的整体安全传输。在服务层，监控系统数据服务器采用私有云方式部署，并采用集群化部署方式，保证系统中部分节点出现问题时不影响系统整体使用。数据服务器创建不同的消息转发规则，对接收到的温湿度传感器设备数据、温湿度状态数据进行校验、缓存和分发，以实现系统数据的流转和场景联动。数据服务器接收来自 LoRa 网关传输的大量数据，通过不同的消息转发规则将数据转发至应用层的监测平台北向应用系统或其他大数据系统进行处理。在应用层，监控系统数据被分发至设备间监控系统平台和机房大数据分析平台两种业务应用系统进行分析和展示，监控系统平台数据展示如图 4 所示。图 4 应用层数据展示5 结 语为推动智慧校园物联网平台建设，本文首先对物联网部署架构和智慧校园物联网平台建设进行了研究，在此基础上提出了一种端边云协同的体系架构，并对端边云协同架构的逻辑架构及其功能进行了详细介绍；其次，基于端边云协同的体系架构，本文物联网平台整体架构设计为感知层、计算层、传输层、服务层、应用层五个层级，并对物联网平台不同层级技术路线及功能进行了详细介绍；最后，基于端边云协同体系的物联网平台建设，本文实现了楼宇建筑内弱电设备间环境监控系统的部署与应用，实现了楼宇设备间的实时监测预警和远程管理，保证了监测预期的安全稳定。通过端边云架构物联网平台的设计与实现，期望探索高校智慧校园信息化建设新格局，以实现推动各专业物联资源共享、数据融通和业务实时在线、汇聚各类数据进行共享应用、感知自治的目标，进而更好地支撑智慧校园资源调配、业务协同和安全防控，从而提升数字化校园的精益化管理水平。参考文献1 全国信息技术标准化技术委员会.智慧校园总体框架：GB/T 36342-2018 S.北京：中国标准出版社，2018：3-5.2 中华人民共和国教育部.教育部关于发布高等学校数字校园建设规范（试行）的通知 EB/OL.（2022-12-20）.http：/ 中华人民共和国教育部.教育部关于印发教育信息化 2.0 行动计划的通知 EB/OL.（2022-12-20）.http：/ 新华社.中共中央、国务院印发中国教育现代化 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