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        基于B/S的遠程物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

        2023-03-13 08:53:06馬青松劉擁軍韓冬瑞趙毅飛
        河南科技 2023年4期
        關(guān)鍵詞:瀏覽器管理員遠程

        馬青松 劉擁軍 韓冬瑞 趙毅飛

        (河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 鄭州 450000)

        0 引言

        物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)擁有廣闊的發(fā)展前景,但急需高素質(zhì)、高技能的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才。人才的培養(yǎng)要由物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)作為支撐[1],進行物聯(lián)網(wǎng)試驗,有利于物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)學(xué)生理解物聯(lián)網(wǎng)信息采集、數(shù)據(jù)傳輸和執(zhí)行反饋的過程[2]。

        為滿足新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求和教學(xué)需要,我國眾多高校相繼提出層次化物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)平臺的建設(shè)方案,從而幫助大學(xué)生和科研人員開展物聯(lián)網(wǎng)方面的試驗和項目開發(fā)原型的驗證[3]。針對高校物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)如何在疫情期間有效開展實訓(xùn)教學(xué)的問題,采用瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server,B/S)架構(gòu)、React技術(shù)棧、Java編程語言和MySQL數(shù)據(jù)庫技術(shù),設(shè)計并實現(xiàn)遠程物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)。尤其是在類似新冠疫情期間無法在實驗室現(xiàn)場進行試驗時,遠程物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)的開發(fā)將有助于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)開展日常實訓(xùn)教學(xué),對在校大學(xué)生及相關(guān)科研人員進行遠程物聯(lián)網(wǎng)項目開發(fā)與試驗具有重要意義。

        1 系統(tǒng)架構(gòu)

        遠程物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)主要的業(yè)務(wù)邏輯是用戶從選擇物聯(lián)網(wǎng)實驗設(shè)備到物聯(lián)網(wǎng)試驗驗證的過程。該系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)的前后端分離式模式,包括資源層、服務(wù)層、網(wǎng)關(guān)層、Web層和訪問層,如圖1所示。該系統(tǒng)在瀏覽器中運行,Web層發(fā)起數(shù)據(jù)請求,網(wǎng)關(guān)層根據(jù)請求路徑進行分發(fā),服務(wù)層進行邏輯處理后,與資源層實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。

        圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

        1.1 B/S架構(gòu)

        B/S架構(gòu)不用安裝客戶端程序或瀏覽器插件,采用B/S架構(gòu)結(jié)合JavaScript、TypeScript、WWW、Ajax等技術(shù),將系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心部分集中到服務(wù)器中,客戶端采用Web瀏覽器來運行軟件,從而實現(xiàn)瀏覽器與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)交互[4]。與之對應(yīng)的是客戶端/服務(wù)器架構(gòu)(Client/Server,C/S),其通常采用兩層結(jié)構(gòu),服務(wù)器負責(zé)數(shù)據(jù)管理,客戶機負責(zé)完成與用戶的交互。與C/S架構(gòu)相比,B/S架構(gòu)簡化了系統(tǒng)的開發(fā)、維護及使用成本,是對C/S結(jié)構(gòu)的一種變化和改進,是一種全新的軟件系統(tǒng)構(gòu)造技術(shù)[5]。B/S架構(gòu)由于不用安裝客戶端,可同時控制多客戶端進行訪問及交互。

        1.2 React技術(shù)棧

        React是一個JavaScript UI庫,其具有速度快、性能好、跨瀏覽器兼容性好、代碼模塊化重用性高、單向數(shù)據(jù)流等優(yōu)點。React采用聲明范式,能輕松地描述應(yīng)用,采用對DOM樹的模擬,能最大限度地減少與DOM的交互,與jQuery相比,基于diff算法的虛擬DOM技術(shù)能大幅度提升頁面的渲染速度[6]。Redux是JavaScript的狀態(tài)容器,采用數(shù)據(jù)倉庫的管理模式,將數(shù)據(jù)存放在Store倉庫中進行統(tǒng)一管理,方便數(shù)據(jù)的追蹤、管理與維護。Axios采用Promise向后端發(fā)送請求,Axios支持Promise API接口,可實現(xiàn)自動攔截請求和數(shù)據(jù)。React-Router通過路由來實現(xiàn)頁面的跳轉(zhuǎn),物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)涉及多個頁面,采用React-Router設(shè)計的多級路由。React-Router用于實現(xiàn)路由的核心功能,Link組件體現(xiàn)a標(biāo)簽的功能,HashRouter在瀏覽器的url中包含井號,并采用hashchange來構(gòu)建路由[7]。Ant-Design采用模塊化解決方案,降低開發(fā)成本,在github社區(qū)的引用次數(shù)較多。webpack作為靜態(tài)模塊打包器,采用特定的依賴關(guān)系,將所有資源文件打包成一個或多個bundle,可充分利用瀏覽器的緩存功能[7]。采用React技術(shù)棧來開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng),采用Ant-Design能有效降低開發(fā)成本,使用webpack打包來提升系統(tǒng)的性能,通過Axios向服務(wù)器發(fā)起訪問請求,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。

        1.3 數(shù)據(jù)庫技術(shù)

        MySQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)是一種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),具有體積小、速度快、開源、支持多種存儲引擎和多線程等優(yōu)點。MySQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)常用于互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)、應(yīng)用系統(tǒng)等領(lǐng)域。MySQL數(shù)據(jù)庫是與Java、Python、PHP等編程語言緊密結(jié)合的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。Java語言是一種面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言,具有簡單、跨平臺、分布式、高性能、多線程、移植性強等優(yōu)點,常用于系統(tǒng)后端的邏輯開發(fā)[8]。物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)采用Java和MySQL來實現(xiàn)后端的邏輯和數(shù)據(jù)存儲。

        2 系統(tǒng)需求與總體設(shè)計

        2.1 系統(tǒng)總體需求分析

        眾多高校提出多種物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)平臺建設(shè)方案,其中包括物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)實驗平臺、研究實驗平臺、綜合實驗平臺、應(yīng)用示范平臺[9]。目前,物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺是基于實驗箱實物的,各具特點和優(yōu)勢,遠程物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)要滿足物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)對人才培養(yǎng)的需求[10]。

        基于B/S的遠程物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)的建設(shè)總目標(biāo)是為了實現(xiàn)學(xué)生通過遠程驗證物聯(lián)網(wǎng)試驗。按照權(quán)限的不同將系統(tǒng)的用戶分為三類。一是具有管理對應(yīng)學(xué)校教學(xué)管理工作權(quán)限的管理員,即校管理員。二是具有管理院系教學(xué)管理工作權(quán)限的管理人員,即院系管理員。三是管理日常教學(xué)的任課教師和學(xué)生。校管理員是學(xué)校實驗系統(tǒng)工作的總負責(zé)人,具有最高權(quán)限,負責(zé)全校的權(quán)限管理工作,包括對資源信息、用戶信息、角色信息、部門信息的管理。院系管理員是當(dāng)前院系實驗教學(xué)的管理者,負責(zé)該院系的權(quán)限管理工作。遠程物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)的需求見表1。

        表1 遠程物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)需求

        2.2 系統(tǒng)管理模塊

        系統(tǒng)管理模塊分為部門管理、角色管理、用戶管理、資源管理這四個子模塊。

        2.2.1 部門管理。部門管理子模塊用于對學(xué)校教學(xué)部門的管理。院系管理員根據(jù)學(xué)院教研室和班級情況來建立班級。系統(tǒng)支持模糊查詢,查詢當(dāng)前用戶權(quán)限下的部門信息。通過列表來展示多級展開的部門信息,可對父部門、部門編號、排序規(guī)則、部門簡介等信息進行新增、修改和刪除操作。其中,各級管理員在刪除部門時可刪除單個部門或含有下級部門的組織。在新建部門時,如果無父部門,則為頂級部門,如果選擇父部門,則為當(dāng)前父部門的子部門。

        2.2.2 角色管理。角色管理子模塊用于管理學(xué)校教學(xué)活動的各級角色。校級管理員可添加院系管理員角色,院系管理員可添加教研室主任角色、課程任課教師角色、學(xué)生角色,任課教師角色可添加學(xué)生課代表、指定助教,學(xué)生屬于學(xué)生角色。

        2.2.3 用戶管理。用戶管理子模塊用于管理系統(tǒng)中的所有用戶。通過關(guān)鍵詞的模糊查詢來匹配用戶信息,查詢結(jié)果包括序號、工號或?qū)W號、用戶名、是否為管理員、是否可用、分配角色、創(chuàng)建時間、所屬部門等。各級管理員在所屬權(quán)限下可進行增加、修改、刪除、查詢等操作。各級管理員在創(chuàng)建單個用戶時,要添加用戶的學(xué)號或工號、用戶名、密碼、是否可用、所屬部門、用戶角色等,也可通過下載用戶模板來批量導(dǎo)入多用戶。多用戶的添加流程如圖2所示。

        圖2 批量用戶添加流程

        2.2.4 資源管理。為了區(qū)分角色、部門和用戶,方便權(quán)限管理,該系統(tǒng)將界面、查詢、增加、修改、刪除等權(quán)限抽象為資源,通過資源管理實現(xiàn)對角色的權(quán)限控制。

        2.3 用戶登錄模塊

        該模塊用于實現(xiàn)用戶的登錄,并校驗用戶登錄信息。管理員通過用戶管理添加單個或批量用戶,賬號和密碼采用初始化的方式分配給用戶,用戶賬號初始化默認為學(xué)號或工號。賬號或密碼不存在或錯誤時要給出提示,密碼包含數(shù)字、字母、字符等至少兩種元素,位數(shù)不少于6位。用戶如果選擇記住密碼,則下次打開系統(tǒng)將直接登錄。登錄狀態(tài)保持1 d(24×60×60 s)未更新數(shù)據(jù)的,則要重新登錄。登錄成功則直接跳轉(zhuǎn)到設(shè)備選型界面,登錄失敗則返回登錄界面,并提示登錄失敗的原因。用戶登錄流程如圖3所示。

        圖3 用戶登錄流程

        2.4 實驗平臺選擇模塊

        該模塊用于已登錄用戶選擇未被占用的實驗平臺。用戶登錄成功后,系統(tǒng)自動跳轉(zhuǎn)到實驗平臺選擇模塊,如果實驗平臺未被占用,用戶可選擇實驗平臺,已有用戶使用的實驗平臺,其他用戶不能再選。系統(tǒng)通過實驗平臺的顏色來區(qū)分正在使用和未被使用的實驗平臺。用戶點擊某實驗平臺頁面后,可跳轉(zhuǎn)到模塊配置頁面。

        2.5 實驗配置模塊

        該模塊可幫助用戶配置實驗平臺,完成開機自檢、開始設(shè)置、設(shè)置完成和關(guān)機等。用戶點擊開機自檢,用于檢查前端實驗板卡及各模塊的通電是否正常。點擊開始設(shè)置按鈕,可開啟虛擬儀器的配置,用戶處于設(shè)置狀態(tài)時,不收集反饋數(shù)據(jù)。點擊配置完成按鈕后,頁面不能操作,按鈕是灰色。只有點擊開始配置后,配置完成鍵才能操作,并將配置信息發(fā)送到前端硬件平臺。點擊關(guān)機按鍵來實現(xiàn)遠程設(shè)備斷電。

        使用溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器、光照度傳感器、PM2.5傳感器、人體紅外傳感器、噪聲傳感器對數(shù)據(jù)進行采集,支持選擇窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)、遠距離無線電(LoRa)、低功耗藍牙(BLE)、WiFi、ZigBee、4G、GSM對試驗數(shù)據(jù)進行傳輸。實驗系統(tǒng)實時展示試驗數(shù)據(jù),通過STM32單片機來控制冷風(fēng)機、新風(fēng)機、照明燈、空氣凈化器等。系統(tǒng)監(jiān)測電壓、電流信息數(shù)據(jù)通過ZYNQ處理器后,經(jīng)單獨WiFi模塊傳輸?shù)皆破脚_。

        2.6 數(shù)據(jù)管理模塊

        數(shù)據(jù)管理模塊用于管理用戶的試驗數(shù)據(jù)。用戶通過選擇班級、學(xué)生、試驗名稱、數(shù)據(jù)類型、開始時間、結(jié)束時間來查詢試驗數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)類型分為試驗數(shù)據(jù)和監(jiān)控數(shù)據(jù)。在監(jiān)控數(shù)據(jù)窗口,教師角色打開當(dāng)前試驗人員的配置界面,可查看學(xué)生的試驗配置情況。教師可通過監(jiān)控來遠程關(guān)閉下課后的學(xué)生實驗設(shè)備。

        2.7 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

        根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)的功能要求,為方便對試驗數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)的管理,對數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)表進詳細設(shè)計,包括系統(tǒng)登錄人員角色與資源管理表、用戶信息表、系統(tǒng)登錄人員所在部門(專業(yè)、班級等)表、實驗平臺數(shù)據(jù)表、傳感器表、檢測指標(biāo)類型表、試驗數(shù)據(jù)通信方式表、試驗項目表、試驗數(shù)據(jù)表和監(jiān)測數(shù)據(jù)表等。

        3 系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果

        3.1 平臺運行環(huán)境

        該系統(tǒng)兼容Chrome、Mozilla、Safari瀏覽器,以Chrome瀏覽器的展示最佳效果,運行環(huán)境的分辨率為1 920 ppi×1 080 ppi。該系統(tǒng)部署在阿里云ECS服務(wù)器,平臺運行環(huán)境見表2。

        表2 平臺運行環(huán)境

        3.2 系統(tǒng)展示

        物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)要按照完善統(tǒng)一的風(fēng)格進行設(shè)計,在顏色搭配、字體大小、表單、模態(tài)框設(shè)計上要有統(tǒng)一的風(fēng)格。

        3.2.1 實驗平臺界面。在系統(tǒng)中輸入用戶名和密碼后,點擊登錄,用戶登錄成功后,顯示目前已有的實驗平臺,灰色為已占用的實驗平臺,其他學(xué)生不能再選該實驗平臺,深色為空閑的實驗平臺。系統(tǒng)實現(xiàn)的實驗平臺界面如圖4所示。

        圖4 實驗平臺界面

        3.2.2 實驗配置界面。用戶點擊開始設(shè)置按鈕后,通過配置不同的傳感器和數(shù)據(jù)傳輸方式,將程序上傳到STM32單片機中,點擊設(shè)置完成后,系統(tǒng)將程序執(zhí)行結(jié)果反饋給執(zhí)行器。系統(tǒng)實現(xiàn)的實驗配置界面如圖5所示。

        圖5 試驗配置界面

        3.2.3 數(shù)據(jù)管理界面。學(xué)生的試數(shù)據(jù)和監(jiān)控數(shù)據(jù)可通過系統(tǒng)來查看,方便學(xué)生和教師分析和定位問題。

        3.3 系統(tǒng)性能測試

        在Windows 10操作系統(tǒng)的Chrome瀏覽器中單獨運行該系統(tǒng),通過任務(wù)管理器來查看Chrome瀏覽器占用的資源,其中CPU占比為0.5%,內(nèi)存使用量為183.6 MB。系統(tǒng)的性能測試結(jié)果如圖6所示。

        圖6 系統(tǒng)性能測試結(jié)果圖

        4 結(jié)語

        本研究對遠程物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)的功能需求進行分析,并結(jié)合功能需求設(shè)計出遠程物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)架構(gòu),采用軟件項目開發(fā)中較為主流的開發(fā)工具來開發(fā)項目,采用Navicat Premium來創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫,采用B/S架構(gòu),并通過Java和React技術(shù)棧來實現(xiàn)遠程物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)的功能模塊,完成學(xué)生信息導(dǎo)入、設(shè)備選擇、實驗配置、數(shù)據(jù)管理等,解決學(xué)校學(xué)生進行遠程物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)實驗問題,且能長期保存實驗數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)通過調(diào)試運行穩(wěn)定,達到預(yù)期目標(biāo),后續(xù)將會考慮添加更多功能,使系統(tǒng)更加成熟。

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