肖漫漫,馬 迎,劉驥琛
(中國人民大學(xué) 信息技術(shù)中心,北京 100872)
為積極發(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)+教育”,推動信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合,支撐教育高質(zhì)量發(fā)展,國家近年來出臺了《智慧校園總體框架》[1]、《高等學(xué)校數(shù)字校園建設(shè)規(guī)范(試行)》[2]、《教育信息化2.0行動計劃》[3]、《中國教育現(xiàn)代化2035》[4]等多項指導(dǎo)性文件,運(yùn)用人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、IPv6+等技術(shù)路線進(jìn)行高等學(xué)校智慧校園建設(shè)[5],是提升高等學(xué)校信息化建設(shè)和應(yīng)用水平的有效途徑。其中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智慧校園相結(jié)合,可以更加有效地將教學(xué)、科研、管理和校園生活進(jìn)行充分融合[6],打造全面感知、精準(zhǔn)服務(wù)的智慧學(xué)習(xí)環(huán)境,實現(xiàn)教育教學(xué)、教育管理的科學(xué)決策。
根據(jù)近日工信部等八部門聯(lián)合印發(fā)的《物聯(lián)網(wǎng)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)三年行動計劃(2021—2023年)》[7],行動計劃中明確:到2023年底國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)將突破20億。隨著物聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備數(shù)的爆發(fā)[8-9],物聯(lián)設(shè)備數(shù)據(jù)量也將呈指數(shù)級增長,物聯(lián)網(wǎng)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)達(dá)70%以上都將在網(wǎng)絡(luò)邊緣進(jìn)行處理[10],而在需求多樣的人工智能應(yīng)用的推動下,以及日益增長的數(shù)據(jù)實時性要求和安全性需求下,無論是以云計算為核心的集中式算力模式,還是簡單地由網(wǎng)絡(luò)邊緣計算的算力模式,均已無法滿足需求[11]。在此背景下,利用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備端、邊緣與云端協(xié)同計算的邊緣智能模式應(yīng)運(yùn)而生,而根據(jù)不同的計算設(shè)備分工方式和技術(shù)框架,協(xié)同模式包括邊云協(xié)同、邊邊協(xié)同、邊物協(xié)同和端邊云協(xié)同[12]。其中,端邊云協(xié)同方式利用包括物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、邊緣設(shè)備、云計算設(shè)備在內(nèi)的整條鏈路上的計算資源,以發(fā)揮不同設(shè)備的計算、存儲優(yōu)勢并最小化通信開銷。
基于上述研究,本文面向當(dāng)前數(shù)字化校園物聯(lián)網(wǎng)平臺建設(shè)領(lǐng)域,針對當(dāng)前智慧校園物聯(lián)網(wǎng)平臺標(biāo)準(zhǔn)化和智能化不足、資源復(fù)用不足、新需求支撐能力不足、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)即時性不足等問題,設(shè)計了一種基于端邊云協(xié)同計算的物聯(lián)網(wǎng)平臺,通過該平臺五個不同層級,滿足源端數(shù)據(jù)融合、感知層資源共享、業(yè)務(wù)即時性、在線管控能力四方面功能需求,并在端邊云協(xié)同架構(gòu)的基礎(chǔ)上,基于LoRa協(xié)議實現(xiàn)了校園樓宇建筑內(nèi)弱電設(shè)備間環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的部署與應(yīng)用。
端邊云協(xié)同架構(gòu)基于不同設(shè)備所處的物理位置和邏輯功能不同而承擔(dān)不同的功能,物聯(lián)網(wǎng)端邊云協(xié)同架構(gòu)主要面向數(shù)字化校園多設(shè)備多系統(tǒng)大規(guī)模異構(gòu)場景,利用云計算核心組件連接分布在邊緣側(cè)的邊緣節(jié)點,并向邊緣節(jié)點下發(fā)事件和指令,實現(xiàn)跨邊緣節(jié)點的云邊協(xié)同,再利用邊端節(jié)點接收執(zhí)行云端下發(fā)的事件和指令,并通過終端設(shè)備服務(wù)向端側(cè)設(shè)備下發(fā)事件和指令,實現(xiàn)端側(cè)設(shè)備的管理控制,從而實現(xiàn)端邊云協(xié)同。如圖1所示,端邊云系統(tǒng)邏輯架構(gòu)由端計算資源、邊計算資源和云計算資源構(gòu)成。
圖1 端邊云系統(tǒng)邏輯架構(gòu)
云計算資源:針對本文設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)平臺,云計算資源是端邊云協(xié)同體系架構(gòu)中的關(guān)鍵組成部分。物聯(lián)網(wǎng)平臺通過云計算中心節(jié)點連接各個邊緣節(jié)點,匯聚各邊緣節(jié)點之間的數(shù)據(jù)資源,實現(xiàn)邊緣節(jié)點的協(xié)同計算。云計算中心節(jié)點對下層資源具有管理控制功能,包括邊緣資源的調(diào)度和任務(wù)分配、終端資源標(biāo)識解析服務(wù)、終端資源信息管理、終端資源訪問控制策略配置等;隨著對物聯(lián)網(wǎng)安全的重視[13],面向數(shù)字化校園安全監(jiān)控需求,云端還需對接校園AAA服務(wù)的身份驗證,負(fù)責(zé)平臺連接請求的身份驗證和加密等。此外,云計算資源將物聯(lián)網(wǎng)平臺資源進(jìn)行整合匯聚,為上層應(yīng)用系統(tǒng)提供統(tǒng)一的服務(wù)接口和數(shù)據(jù)中心,推動學(xué)??绮块T間的泛在互聯(lián)和深度感知,提升資源協(xié)同互動水平。
邊計算資源:是本文物聯(lián)網(wǎng)平臺的核心部分,承擔(dān)著物聯(lián)網(wǎng)平臺數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、源數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)調(diào)度等功能。邊緣節(jié)點需構(gòu)建統(tǒng)一的物聯(lián)信息模型和接入標(biāo)準(zhǔn),屏蔽端側(cè)終端差異,實現(xiàn)不同類型數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化接入與整合匯聚;同時,邊緣節(jié)點具備計算能力,在邊緣側(cè)對源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,提升處理效率、降低云端計算資源開銷。
端計算資源:針對端邊云協(xié)同架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)平臺以及智慧校園應(yīng)用場景,端計算資源負(fù)責(zé)整個平臺的從物理域數(shù)據(jù)采集到信息域數(shù)據(jù)處理等一系列服務(wù)。首先,利用端計算資源的計算能力,在產(chǎn)生數(shù)據(jù)的源頭實現(xiàn)就地集成和聚合計算;其次,端側(cè)對平臺接入設(shè)備類型進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計,實現(xiàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和靈活可擴(kuò)展,避免終端重復(fù)建設(shè)、數(shù)據(jù)重復(fù)采集。
為解決在傳統(tǒng)云平臺部署物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的時延高、計算和I/O密集的問題,本文設(shè)計了一種基于高可用性、低耦合、可擴(kuò)展性強(qiáng)的端邊云協(xié)同架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)平臺,該平臺適用于數(shù)字化校園大規(guī)模異構(gòu)場景,實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實時性、隱私保護(hù)安全性、網(wǎng)絡(luò)資源利用率的高質(zhì)量保障。如圖2所示,基于端邊云架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)平臺總體架構(gòu)設(shè)計為感知層、計算層、傳輸層、服務(wù)層、應(yīng)用層五個層級。其中,平臺設(shè)計以設(shè)備接入的感知層作為物端,負(fù)責(zé)原始數(shù)據(jù)采集和上傳;平臺引入以邊緣計算為核心的計算層構(gòu)成邊端,通過邊緣節(jié)點在數(shù)據(jù)源頭對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析、處理、控制和存儲,減少數(shù)據(jù)上傳云的成本、降低云計算中心的壓力;平臺設(shè)計服務(wù)層部署在云端,負(fù)責(zé)多路邊緣節(jié)點的數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)籌管理等,并在該層屏蔽下層各系統(tǒng)的異構(gòu)性,為上層提供統(tǒng)一的服務(wù)調(diào)用接口;通過感知層、計算層、傳輸層、服務(wù)層形成端邊云一體化的協(xié)同方式,滿足大規(guī)模異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)場景下的數(shù)據(jù)融合、資源共享、服務(wù)協(xié)同和在線管控的需求。下文將對不同層級技術(shù)路線及功能規(guī)劃進(jìn)行詳細(xì)介紹。
圖2 物聯(lián)網(wǎng)平臺整體架構(gòu)
感知層即設(shè)備接入層,在端邊云協(xié)同架構(gòu)中屬于物端,主要負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)并發(fā)送至邊緣節(jié)點,同時接收邊緣節(jié)點的指令進(jìn)行具體的操作執(zhí)行。感知層實現(xiàn)平臺南向設(shè)備接入,通過設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)以適配底層設(shè)備協(xié)議的異構(gòu)性,確保了設(shè)備的唯一性和安全性。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備支持的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議類型,感知層接入設(shè)備分為如下三類:
(1)基于物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的設(shè)備及系統(tǒng):通過部署物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)支持異構(gòu)協(xié)議的自適配,并形成物聯(lián)邊緣計算的基礎(chǔ)設(shè)施,支持接入的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議包括無線局域網(wǎng)(Wireless LAN,WLAN)、紫蜂(ZigBee)、低功耗藍(lán)牙(Bluetooth Low Energy,BLE)、窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)、第五代移動通信技術(shù)(5th Generation Mobile Communication Technology,5G)、近距離傳輸(Near Field Communication,NFC)、超寬帶(Ultra Wide Band,UWB)、射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)、遠(yuǎn)距離無線電(Long range Radio,LoRa)等。
(2)基于現(xiàn)場控制總線協(xié)議的設(shè)備及系統(tǒng):在靠近應(yīng)用場景側(cè)設(shè)計以物理網(wǎng)關(guān)連接為主,支持的控制總線協(xié)議包括樓宇自動化與控制網(wǎng)絡(luò)(Building Automation and Control Networks,BACnet)、ModBus通信協(xié)議、工業(yè)控制與自動化協(xié)議(OLE for Process Control,OPC)等。
(3)基于IP可達(dá)網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)備及系統(tǒng):通過部署相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接入交換設(shè)備進(jìn)行連接,支持標(biāo)準(zhǔn)消息隊列遙測傳輸(Message Queuing Telemetry Transport,MQTT)協(xié)議以及自由接口編程,同時支持透傳模式的串口服務(wù)器設(shè)備協(xié)議編程、數(shù)據(jù)封裝結(jié)構(gòu)以及接口形式、自定義非標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議的快速適配等。
計算層以邊緣節(jié)點為核心,在端邊云協(xié)同方式中承載著邊云協(xié)同和邊端協(xié)同兩層交互,通過兩層協(xié)同交互實現(xiàn)云端服務(wù)層對感知層設(shè)備的控制。邊云協(xié)同交互中,云端服務(wù)層作為控制平面、計算層邊緣節(jié)點作為計算平面,接收云端下發(fā)的指令,并通過統(tǒng)一的資源開放接口,對云端服務(wù)層提供數(shù)據(jù)和資源分配服務(wù);邊端協(xié)同交互中,計算層在邊緣節(jié)點運(yùn)行著終端設(shè)備管理服務(wù),管理服務(wù)負(fù)責(zé)對端側(cè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的源數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析、傳遞、處理和控制,邊緣節(jié)點收到云端指令操作管理服務(wù),從而影響終端設(shè)備。
感知層終端類型的多樣復(fù)雜性,導(dǎo)致IoT源數(shù)據(jù)格式的多樣性共存,為方便源數(shù)據(jù)的管理和存儲,本文平臺計算層對感知層數(shù)據(jù)進(jìn)行抽象處理,實現(xiàn)源數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和整合匯聚,推動數(shù)字化校園部門間的泛在互聯(lián)和深度感知。同時,針對IoT系統(tǒng)中大量物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點的隱私信息無法得到有效保護(hù)的問題,平臺還可在計算層邊緣節(jié)點對源數(shù)據(jù)進(jìn)行隱私保護(hù),提高物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)在邊緣網(wǎng)絡(luò)的安全。
傳輸層負(fù)責(zé)邊端到云端的IoT數(shù)據(jù)傳輸,依據(jù)具體使用場景采用不同的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。針對ZB(Zettabyte)級IoT數(shù)據(jù)的爆炸性增長加快了無線頻譜資源消耗的問題,本文在傳輸層引入軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Network,SDN)和網(wǎng)絡(luò)切片(Network Slicing,NS)技術(shù),以實現(xiàn)端邊云協(xié)同架構(gòu)中無線網(wǎng)絡(luò)資源的高效利用。其中,SDN技術(shù)為不同的獨(dú)立虛擬網(wǎng)絡(luò)提供基礎(chǔ)設(shè)施和無線資源,實現(xiàn)虛擬專網(wǎng)的安全隔離,提升資源利用率;而NS技術(shù)與IPv6技術(shù)相結(jié)合,并充分利用SDN虛擬化技術(shù),創(chuàng)建多個虛擬專網(wǎng),以滿足多樣化、定制化的物聯(lián)應(yīng)用場景及業(yè)務(wù)。
服務(wù)層部署在云端,是物聯(lián)網(wǎng)平臺的資源管理和控制中心。服務(wù)層主要提供設(shè)備連接、設(shè)備管理、消息管理、邊緣網(wǎng)關(guān)管理、場景管理、運(yùn)維管理等功能,并通過云控制器向邊緣節(jié)點下發(fā)資源共享和資源調(diào)度指令,實現(xiàn)各邊緣節(jié)點資源受控共享和服務(wù)融合,為物聯(lián)網(wǎng)平臺上層智慧物聯(lián)設(shè)備提供統(tǒng)一的服務(wù)接口、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)開放以及資源管理等。
應(yīng)用層為物聯(lián)網(wǎng)平臺可視化管理平臺,結(jié)合服務(wù)層提供的服務(wù)接口、數(shù)據(jù)開放、資源管理等,構(gòu)成豐富多樣的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。同時應(yīng)用層還提供應(yīng)用開發(fā)和發(fā)布功能,開發(fā)者可以根據(jù)服務(wù)層提供的服務(wù)接口和數(shù)據(jù)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用定制化開發(fā),并可將定制開發(fā)的應(yīng)用通過平臺統(tǒng)一發(fā)布。
針對智慧校園資源管理、數(shù)據(jù)分析、師生服務(wù)、校園安全、公共設(shè)施、智慧教室、樓宇控制等應(yīng)用場景,本文設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)平臺可適用于多個獨(dú)立的應(yīng)用子系統(tǒng),包括智能照明系統(tǒng)、建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、建筑能效監(jiān)管系統(tǒng)、信息導(dǎo)引及發(fā)布系統(tǒng)、智慧食堂系統(tǒng)、資產(chǎn)管理系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、綠化養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)、車輛管理系統(tǒng)、智慧路燈系統(tǒng)、智慧綜合管廊系統(tǒng)等,本文針對建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計和部署實現(xiàn)。
面向智慧校園不同物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景,基于端邊云協(xié)同體系的物聯(lián)網(wǎng)平臺建設(shè),本文設(shè)計實現(xiàn)了樓宇建筑內(nèi)弱電設(shè)備間環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的部署與應(yīng)用,實現(xiàn)了大量樓宇設(shè)備間的實時監(jiān)測和調(diào)控管理。設(shè)備間環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。
圖3 設(shè)備間環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)
如圖3所示,設(shè)備間環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)基于端邊云協(xié)同體系的物聯(lián)網(wǎng)平臺,感知層接入終端包括室內(nèi)溫度傳感器和濕度傳感器,接入終端內(nèi)置LoRa模塊,溫濕度傳感器將環(huán)境中的溫度量、濕度量轉(zhuǎn)換成電信號,通過設(shè)備的LoRa模塊與LoRa網(wǎng)關(guān)通信;LoRa網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)匯總,連接終端設(shè)備和云端數(shù)據(jù)服務(wù)器,LoRa網(wǎng)關(guān)與云端數(shù)據(jù)服務(wù)器通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接。
在計算層,LoRa網(wǎng)關(guān)作為邊緣節(jié)點具有獨(dú)立數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲功能,用于將感知層接入終端設(shè)備采集的溫度參數(shù)和濕度參數(shù)信息進(jìn)行存儲、處理、分析和加密傳輸,實現(xiàn)對接入終端數(shù)據(jù)的采集及必要的遠(yuǎn)程管控,并將數(shù)據(jù)打包加密成標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP通信協(xié)議后上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)器,確保了端側(cè)數(shù)據(jù)的安全性。
在傳輸層,設(shè)備間環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)LoRa網(wǎng)關(guān)與云端數(shù)據(jù)服務(wù)器采用虛擬專網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,針對采用RJ45網(wǎng)線連接的LoRa網(wǎng)關(guān),在傳輸鏈路劃分虛擬局域網(wǎng)(Virtual Local Area Network,VLAN);針對采用WiFi連接的LoRa網(wǎng)關(guān)設(shè)置獨(dú)立的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)集標(biāo)識(Service Set Identifier,SSID)進(jìn)行承載。劃分物聯(lián)網(wǎng)虛擬專網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)標(biāo)識集,既實現(xiàn)了邏輯專網(wǎng)之間網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備的資源復(fù)用,也實現(xiàn)了校園網(wǎng)其他業(yè)務(wù)子網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的邏輯隔離,確保了校園網(wǎng)系統(tǒng)的整體安全傳輸。
在服務(wù)層,監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)器采用私有云方式部署,并采用集群化部署方式,保證系統(tǒng)中部分節(jié)點出現(xiàn)問題時不影響系統(tǒng)整體使用。數(shù)據(jù)服務(wù)器創(chuàng)建不同的消息轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則,對接收到的溫濕度傳感器設(shè)備數(shù)據(jù)、溫濕度狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗、緩存和分發(fā),以實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)和場景聯(lián)動。數(shù)據(jù)服務(wù)器接收來自LoRa網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)拇罅繑?shù)據(jù),通過不同的消息轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至應(yīng)用層的監(jiān)測平臺北向應(yīng)用系統(tǒng)或其他大數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行處理。
在應(yīng)用層,監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)被分發(fā)至設(shè)備間監(jiān)控系統(tǒng)平臺和機(jī)房大數(shù)據(jù)分析平臺兩種業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行分析和展示,監(jiān)控系統(tǒng)平臺數(shù)據(jù)展示如圖4所示。
圖4 應(yīng)用層數(shù)據(jù)展示
為推動智慧校園物聯(lián)網(wǎng)平臺建設(shè),本文首先對物聯(lián)網(wǎng)部署架構(gòu)和智慧校園物聯(lián)網(wǎng)平臺建設(shè)進(jìn)行了研究,在此基礎(chǔ)上提出了一種端邊云協(xié)同的體系架構(gòu),并對端邊云協(xié)同架構(gòu)的邏輯架構(gòu)及其功能進(jìn)行了詳細(xì)介紹;其次,基于端邊云協(xié)同的體系架構(gòu),本文物聯(lián)網(wǎng)平臺整體架構(gòu)設(shè)計為感知層、計算層、傳輸層、服務(wù)層、應(yīng)用層五個層級,并對物聯(lián)網(wǎng)平臺不同層級技術(shù)路線及功能進(jìn)行了詳細(xì)介紹;最后,基于端邊云協(xié)同體系的物聯(lián)網(wǎng)平臺建設(shè),本文實現(xiàn)了樓宇建筑內(nèi)弱電設(shè)備間環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的部署與應(yīng)用,實現(xiàn)了樓宇設(shè)備間的實時監(jiān)測預(yù)警和遠(yuǎn)程管理,保證了監(jiān)測預(yù)期的安全穩(wěn)定。通過端邊云架構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)平臺的設(shè)計與實現(xiàn),期望探索高校智慧校園信息化建設(shè)新格局,以實現(xiàn)推動各專業(yè)物聯(lián)資源共享、數(shù)據(jù)融通和業(yè)務(wù)實時在線、匯聚各類數(shù)據(jù)進(jìn)行共享應(yīng)用、感知自治的目標(biāo),進(jìn)而更好地支撐智慧校園資源調(diào)配、業(yè)務(wù)協(xié)同和安全防控,從而提升數(shù)字化校園的精益化管理水平。
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)2023年11期