基于前后端分離架構(gòu)的航標(biāo)遙測遙控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計

肖和鋒，李文華，雷佳千，詹煒

（長江大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州 434000)

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的不斷成熟，人們對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的實時監(jiān)測的需求與日俱增[1]。長江上下游的地勢起伏變化是比較大的，一般來說，船道的彎、窄、淺、險，導(dǎo)致航行困難，又因較多礁石分布在其中，所以安全航行對航標(biāo)有著較高的依賴性[2]。航標(biāo)是船舶的眼睛，航標(biāo)的技術(shù)狀態(tài)直接關(guān)系到船舶的航行安全，所以航標(biāo)的技術(shù)狀態(tài)牽系航道上每一艘船舶的安全[3]。有效監(jiān)控航標(biāo)的實時狀態(tài)，對船舶的安全通行至關(guān)重要。在航道交通業(yè)中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是實現(xiàn)水上交通業(yè)數(shù)字化和智能化的重要手段，也是未來的發(fā)展趨勢[4]。要想更好地管理物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，勢必要打造一個健全的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，于是基于Web開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的現(xiàn)實需求，以航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)為例介紹物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的框架和方法。通用的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由三部分構(gòu)成，感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。本系統(tǒng)的感知層：為了實時監(jiān)控航標(biāo)燈的狀態(tài)，給航標(biāo)安置有RTU 終端設(shè)備，采用自主可控的北斗定位技術(shù)實時定位航標(biāo)位置；網(wǎng)絡(luò)層：使用Go 語言實現(xiàn)自主通信協(xié)議的通信服務(wù)；應(yīng)用層：采用Go、Gin 等技術(shù)作為后端API 服務(wù)，采用Vue.js、Element-plus 等技術(shù)設(shè)計了前端，可通過Web 界面實時監(jiān)測航標(biāo)的實時狀態(tài)和對歷史狀態(tài)進(jìn)行查詢、展示和管理，并支持?jǐn)?shù)據(jù)的下載和航標(biāo)報警及維護(hù)。系統(tǒng)編碼摒棄了集中式代碼復(fù)制粘貼式管理，而是采用git分布式代碼管理工具和CODING DevOps 代碼管理平臺管理代碼。本系統(tǒng)和大多數(shù)前后端分離系統(tǒng)不同的是，采用Go語言輕量化實現(xiàn)多平臺支持，實現(xiàn)了真正的跨平臺，而非Java語言借助龐大的虛擬機(jī)。

1 需求概述

1.1 需求分析

航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)是依靠瀏覽器展現(xiàn)整個系統(tǒng)，數(shù)據(jù)由后端API服務(wù)提供支持，界面與通信服務(wù)實時保持通信，實時監(jiān)控航標(biāo)狀態(tài)。為滿足不同角色的航道管理部門人員對系統(tǒng)的使用，整個系統(tǒng)應(yīng)具備完整、健全的分用戶航標(biāo)監(jiān)管和維護(hù)功能。

系統(tǒng)從使用者角度來看，可分為兩大類：一類是系統(tǒng)管理員，一類是系統(tǒng)使用員：局領(lǐng)導(dǎo)、監(jiān)控值班員、航道處負(fù)責(zé)人、航道處航標(biāo)員。系統(tǒng)管理員主要是管理整個系統(tǒng)的正常使用，如部門管理、菜單管理、用戶管理、海圖管理、字典管理、參數(shù)設(shè)置、通知公告和日志管理等。

系統(tǒng)使用人員，即是航道部門工作人員。從這些系統(tǒng)使用者可以看出，每個人對系統(tǒng)的關(guān)注點都不一樣。對于局領(lǐng)導(dǎo)，他主要是查看航標(biāo)系統(tǒng)監(jiān)控的大體情況，需要了解某航處或全航處的航標(biāo)的運行統(tǒng)計信息，對全局的把控。從監(jiān)控值班員來看，他需要定時動態(tài)監(jiān)測某處航標(biāo)的實時狀態(tài)信息，關(guān)注的是具體某處某個航標(biāo)，根據(jù)航標(biāo)報警狀況提交航標(biāo)報警信息，交由后續(xù)的航標(biāo)員處理。航道管理處負(fù)責(zé)人是某處航道的小隊長，負(fù)責(zé)管理他所管轄的航標(biāo)并分配給具體的航標(biāo)處置人員（航道處航標(biāo)員），小隊長主要是看他管轄的航標(biāo)信息和航標(biāo)狀態(tài)，以及航標(biāo)報警情況和航標(biāo)維護(hù)完成度，此外還有該航處的航標(biāo)統(tǒng)計相關(guān)數(shù)據(jù)。航標(biāo)員，主要處理航標(biāo)失常，根據(jù)系統(tǒng)上航標(biāo)報警信息去處置航標(biāo)；存在航標(biāo)維護(hù)任務(wù)時，接收任務(wù)后參與現(xiàn)場維護(hù)工作，在系統(tǒng)上提交完成維護(hù)任務(wù)。

1.2 技術(shù)選型

1.2.1 Go和Gin相關(guān)技術(shù)

Go 語言、Gin 框架、GORM、go-cache 和viper 等技術(shù)，Go語言是一門原生支持并發(fā)操作的跨平臺的輕量級語言，常被稱為“現(xiàn)代版C 語言”[5]。Gin 是輕量級、內(nèi)存占用少、可擴(kuò)展、路由組等功能于一身的Web 框架。GORM是一個對象映射框架，支持操作對象的模式CRUD操作MySQL數(shù)據(jù)庫，以及對象關(guān)聯(lián)模式和事務(wù)等支持。go-cache 是一個輕量級的內(nèi)存緩存組件，進(jìn)程內(nèi)的緩存使用。viper是一個配置文件讀取組件，項目中使用yaml格式文件。

1.2.2 Vue和WebSocket相關(guān)技術(shù)

Vue 是一個易學(xué)易用、性能出色和適用場景豐富的Web 前端框架。Vue 結(jié)合Vue-Router、Axios、Element-plus、Pinia、Mitt、WebSocket和OL等技術(shù)構(gòu)建強(qiáng)大的前端頁面。Vue-Router 屬于Vue 生態(tài)體系中的路由組件，用于創(chuàng)建單頁面應(yīng)用。Axios 則是一個異步請求框架，用于和后端http 異步通信。Elementplus 是一個餓了么團(tuán)隊提供的UI 框架，簡潔而美觀。Pinia 是一個前端存儲組件，用于存儲應(yīng)用信息。Mitt是一個事件總線庫，用于Vue 中不同頁面之間的通信。WebSocket是一個不同于HTTP的應(yīng)用層協(xié)議，用于和通信服務(wù)實時通信。OL庫則是OpenLayers，用于地圖顯示。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)可由5 個部分組成，如圖1 所示，通信服務(wù)、Web前端服務(wù)和后端API 服務(wù)，此外系統(tǒng)地有效正確運行還離不開航標(biāo)設(shè)備和數(shù)據(jù)庫。由航標(biāo)設(shè)備上的終端設(shè)備發(fā)送航標(biāo)實時狀態(tài)數(shù)據(jù)給通信服務(wù)程序，通信服務(wù)程序?qū)⒑綐?biāo)狀態(tài)實時信息寫入數(shù)據(jù)庫，并按需通知Web 前端頁面，Web 前端頁面從后端API服務(wù)中獲取航標(biāo)數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)的功能主要涉及七大模塊，如圖2所示?，F(xiàn)在簡單介紹如下：

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)大屏主要是美觀展示，以圖表展示當(dāng)前系統(tǒng)中航標(biāo)的總量、航標(biāo)工作狀態(tài)、航標(biāo)失常、航標(biāo)維護(hù)和航標(biāo)年度失常統(tǒng)計，以列表流動式展示各航道處航標(biāo)失常和航標(biāo)維護(hù)信息條目等。

動態(tài)監(jiān)測是本系統(tǒng)最為復(fù)雜的一塊，集成了其他模塊的功能。這一塊以地圖為載體顯示航道上的航標(biāo)，航道上的每一處航標(biāo)都清晰可見，可以點擊查看航標(biāo)的實時狀態(tài)和航標(biāo)信息，支持定位搜索航標(biāo)等功能。

航標(biāo)管理包括四個子模塊，分別是：實時狀態(tài)、歷史狀態(tài)、航標(biāo)定義和終端列表。實時狀態(tài)，可以按航標(biāo)處、航標(biāo)類型等參數(shù)搜索航標(biāo)的實時狀態(tài)信息。歷史狀態(tài)，根據(jù)歷史時間范圍查看某個航標(biāo)的狀態(tài)信息。航標(biāo)定義、添加、刪除和修改航標(biāo)基本數(shù)據(jù)。終端列表，查看所有在用終端設(shè)備的情況，以及終端歷史狀況等。

航標(biāo)報警包括當(dāng)前報警、未處置報警和報警歷史三個模塊。當(dāng)前報警，由監(jiān)測人員上報報警后，方可在此處按航標(biāo)處、航標(biāo)名稱等條件搜索到各個航標(biāo)的報警情況。未處置報警，單獨成立一塊，方便查找待處理的航標(biāo)，并及時對報警航標(biāo)做出處置。報警歷史，查看航標(biāo)歷史報警信息等。

航標(biāo)維護(hù)包括三個子模塊，分別是接收任務(wù)、完成任務(wù)和維護(hù)歷史。航標(biāo)員在接收任務(wù)頁面接收待維修航標(biāo)的任務(wù)，待現(xiàn)場維修任務(wù)完成后，再在完成任務(wù)頁面上報任務(wù)完成情況，涉及上傳視頻或圖片等信息。航標(biāo)員可以按時間范圍查看維護(hù)歷史信息等。

分析統(tǒng)計，就是各種信息的統(tǒng)計報表輸出，包括：航標(biāo)基本信息、航標(biāo)失常、同期間航標(biāo)失常對比、航標(biāo)失常周期環(huán)比、航標(biāo)維護(hù)、同期間航標(biāo)維護(hù)對比和航標(biāo)維護(hù)周期環(huán)比等。

系統(tǒng)管理主要輔助系統(tǒng)運行的，包括部門管理、菜單管理、用戶管理、海圖管理、字典管理、參數(shù)設(shè)置、通知公告和日志管理等。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

由于系統(tǒng)功能模塊較多，受篇幅限制，這里僅對部分模塊簡單描述。

3.1 git協(xié)作工作流

如圖3所示，項目開發(fā)時，使用git初始化項目，默認(rèn)存在一個主分支(master) ，表示項目的最終產(chǎn)品。根據(jù)開發(fā)的需要，需要創(chuàng)建更多的分支。從上到下，由三部分組成：主分支、開發(fā)分支和功能分支，它們就像是三條流水線。在主分支的基礎(chǔ)上，建立出開發(fā)分支，項目開發(fā)完成后，將開發(fā)分支合并到主分支上。當(dāng)出現(xiàn)新的功能需求時，在開發(fā)分支上建立功能分支，功能分支上的功能完成后合并到開發(fā)分支，最后一起合并到主分支。

圖3 git工作流圖

3.2 航標(biāo)管理實時狀態(tài)

如圖4 所示，用戶進(jìn)入系統(tǒng)，先選擇航標(biāo)管理菜單，再選擇實時狀態(tài)子項。在此頁面，用戶可以按航標(biāo)處、航標(biāo)名稱、航標(biāo)類型為搜索條件查詢航標(biāo)實時狀態(tài)數(shù)據(jù)和導(dǎo)出航標(biāo)實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，實時狀態(tài)數(shù)據(jù)包括：航標(biāo)號、航標(biāo)名稱、航標(biāo)類型、工作狀態(tài)、燈光狀態(tài)等。此外，頁面還展示了航標(biāo)狀態(tài)統(tǒng)計信息，包括目前在用航標(biāo)總數(shù)，航標(biāo)在線、通信失常、燈光失常、標(biāo)志失常、標(biāo)位失常和參數(shù)失常數(shù)量。表格中的每一行數(shù)據(jù)都支持查看航標(biāo)的明細(xì)狀態(tài)信息以及歷史航標(biāo)狀態(tài)信息，以及通過控制可以實時操控航標(biāo)。當(dāng)頁面收到來自通信服務(wù)發(fā)送的航標(biāo)狀態(tài)更新時，自動更新頁面數(shù)據(jù)。

圖4 實時狀態(tài)圖

3.3 系統(tǒng)部署

如圖5所示，系統(tǒng)部署階段，建立了一個私有云環(huán)境，將系統(tǒng)的不同組成部分放置在這個網(wǎng)絡(luò)中的不同主機(jī)上，用戶通過開放的一個節(jié)點固定訪問系統(tǒng)內(nèi)的資源。

圖5 系統(tǒng)部署圖

4 結(jié)束語

本文提出了一種開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的解決方案，采用了Go 1.18作為后端開發(fā)語言，使用MySQL 8.0作為數(shù)據(jù)庫和Vue 3 作為前端，根據(jù)航道相關(guān)部門對航標(biāo)遙測遙控管理的實際情況，結(jié)合業(yè)務(wù)流程，確定了前后端分離的系統(tǒng)框架，對功能模塊、數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了深入分析與研究，切實完成了系統(tǒng)設(shè)計、代碼編寫、測試和部署，使用現(xiàn)代主流的git 分布式代碼托管方式，與項目組分工完成系統(tǒng)實現(xiàn)。