基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化校園建設(shè)研究

王晶姝

摘要：基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)普通對象設(shè)備化、自治終端互聯(lián)化和普適服務(wù)智能化的重要特征，在已有的數(shù)字化校園建設(shè)基礎(chǔ)上，提出了網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備透明、有線與無線互聯(lián)、教師與學生互通、管理與服務(wù)一體的現(xiàn)代數(shù)字化校園建設(shè)方案，實現(xiàn)了數(shù)字化校園向“智慧校園”的轉(zhuǎn)變。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；云計算；智慧校園；虛擬化

1 引言

從2001年國家教育部倡導(dǎo)實施“校校通”工程至今，國內(nèi)基礎(chǔ)教育信息化經(jīng)過較長時期的投資建設(shè)，很多地區(qū)和學校的信息化建設(shè)已經(jīng)形成一定的規(guī)模。硬件、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施以及應(yīng)用軟件都已經(jīng)具備，并在教學中得到應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)和云計算技術(shù)的發(fā)展使“智慧校園”的概念應(yīng)運而生，它是支撐學校發(fā)展的智慧化環(huán)境，是一種全新的校園信息化形態(tài)。它運用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)、應(yīng)用集成、應(yīng)用層數(shù)據(jù)交換等前沿信息技術(shù)手段，把學校里分散的、各自為政的信息化系統(tǒng)整合為一個具有高度感知能力、協(xié)同能力和服務(wù)能力的有機整體，對校園管理、教學科研、校園生活等活動提供智能支撐。

2 物聯(lián)網(wǎng)與云計算

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通訊，使物、人、計算機形成互通互聯(lián)、信息同步、信息共享的智慧網(wǎng)絡(luò)，是各類傳感器和現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)相互銜接的一種新技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)（nternet of Things）是一個基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。它具有普通對象設(shè)備化、自治終端互聯(lián)化和普適服務(wù)智能化3個重要特征。作為一個新興產(chǎn)業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。物聯(lián)網(wǎng)是一種非常復(fù)雜、形式多樣的系統(tǒng)技術(shù)。根據(jù)信息生成、傳輸、處理和應(yīng)用的原則，可以把物聯(lián)網(wǎng)分為4層：感知識別層、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層、管理服務(wù)層和綜合應(yīng)用層。

（1）感知識別層。感知識別是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，是聯(lián)系物理世界和信息世界的紐帶。感知識別層既包括射頻識別（RFID）、無線傳感器等信息自動生成設(shè)備，也包括各種智能電子產(chǎn)品用來人工生成信息。信息生成方式的多樣化是物聯(lián)網(wǎng)區(qū)別于其他網(wǎng)絡(luò)的重要特征。

（2）網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層。本層將感知識別層的數(shù)據(jù)接入互聯(lián)網(wǎng)，供上層服務(wù)使用?；ヂ?lián)網(wǎng)以及下一代互聯(lián)網(wǎng)（包括IPV6等技術(shù)）是物聯(lián)網(wǎng)的核心網(wǎng)絡(luò)，處在邊緣的各種無線網(wǎng)絡(luò)則提供隨時隨地的網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。各種不同類型的無線網(wǎng)絡(luò)適用于不同的環(huán)境，合力提供便捷的網(wǎng)絡(luò)接入，是實現(xiàn)物物互聯(lián)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。

（3）管理服務(wù)層。將大規(guī)模數(shù)據(jù)高效、可靠地組織起來，為上層行業(yè)應(yīng)用提供智能的支撐平臺。面對海量信息，如何有效地組織和查詢數(shù)據(jù)是核心問題。管理服務(wù)層的主要特點是應(yīng)用運籌學原理、機器學習、數(shù)據(jù)挖掘和專家系統(tǒng)等實現(xiàn)智能化。

（4）綜合應(yīng)用層。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用以“物”或者物理世界為中心，涵蓋物品追蹤、環(huán)境感知、智能物流、智能交通、智能電網(wǎng)等。

云計算作為一種技術(shù)手段和實現(xiàn)模式，使得計算資源成為向大眾提供服務(wù)的社會基礎(chǔ)設(shè)施，將對信息技術(shù)本身及其應(yīng)用產(chǎn)生深刻影響。中國電子學會云計算專家委員會認為，云計算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的、大眾參與的計算模式，其計算資源（計算能力、存儲能力、交互能力）是動態(tài)、可伸縮、且被虛擬化的，以服務(wù)的方式提供。這種新型的計算資源組織、分配和使用模式，有利于合理配置計算資源并提高其利用率，促進節(jié)能減排，實現(xiàn)綠色計算。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化校園系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)四層架構(gòu)原理，結(jié)合數(shù)字化校園建設(shè)的實際情況，本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)字化校園四層模型，包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)層和應(yīng)用層，如圖1所示。

（1）感知層。主要實現(xiàn)信息采集功能。利用校園已有的基礎(chǔ)設(shè)備，部署和安裝新的傳感器及智能終端設(shè)備，如環(huán)境傳感器、感應(yīng)卡傳感器、視頻傳感器和位置傳感器等。這些傳感器和智能節(jié)點，可以通過有線或者無線的方式，接入網(wǎng)絡(luò)層，為整個數(shù)字化校園提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（2）網(wǎng)絡(luò)層。采用有線網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的方式，將感知層的數(shù)據(jù)接入網(wǎng)絡(luò)。本層提供不同的網(wǎng)絡(luò)接口，兼容多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，最大限度的提供便捷的網(wǎng)絡(luò)接入方式。

（3）服務(wù)層。主要包括數(shù)據(jù)中心、監(jiān)控中心、流媒體服務(wù)器和管理服務(wù)器群。其重要功能是將網(wǎng)絡(luò)層傳入的數(shù)據(jù)進行存儲和管理，利用機器學習和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，向應(yīng)用層提供智能化的服務(wù)。

（4）應(yīng)用層。依托服務(wù)層提供的智能化數(shù)據(jù)服務(wù)，開發(fā)面向教職工的智能教務(wù)管理、智能OA系統(tǒng)、智能設(shè)備管理和智能后勤管理，建設(shè)智慧圖書館，改善校園環(huán)境，為教師和學生提供便捷、友好、智慧的生活和學習條件。

4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在數(shù)字化校園建設(shè)中的實現(xiàn)途徑

基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化校園具有三大建設(shè)目標：一是為教師和學生提供環(huán)境智能感知和綜合信息服務(wù)平臺；二是利用網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)實現(xiàn)學校各服務(wù)領(lǐng)域的互聯(lián)和協(xié)作；三是提供學校與外部世界相互交流和感知的借口。為實現(xiàn)上述目標，促進高?？缭绞桨l(fā)展，應(yīng)利用云計算、虛擬化技術(shù)，構(gòu)建校園云（The Cloud of Campus），結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、RFID技術(shù)，實現(xiàn)智慧校園。

云的規(guī)?？梢詣討B(tài)伸縮，校園云滿足應(yīng)用和用戶規(guī)模增長的需要。校園云使用了數(shù)據(jù)多副本容錯、計算節(jié)點同構(gòu)可互換等措施來保障數(shù)據(jù)的高可靠性。校園云對于各種信息需求提供的最大好處在于瘦終端。利用虛擬化技術(shù)將各種資源集合在一起，提供一個巨大的資源池，進行動態(tài)伸縮調(diào)整，便可顯著提高資源的利用率。校園云為典型的云架構(gòu)，基礎(chǔ)技術(shù)主要有面向服務(wù)架構(gòu)和虛擬化。大體上可以將校園云分為3個基本層次：感知與網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)層和應(yīng)用層，分別對應(yīng)于數(shù)字化校園的四層模型。實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化校園，主要途徑如下：

（1）設(shè)備虛擬化。

首先面對的是大規(guī)模的硬件資源，這些硬件設(shè)備通過已有的校園網(wǎng)相互連接。通過對這些設(shè)備資源的虛擬化，實現(xiàn)高層次的數(shù)字化校園資源管理邏輯。

虛擬化的過程是屏蔽掉硬件產(chǎn)品上的差異的過程，也是實現(xiàn)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)對用戶透明的先決條件。通過虛擬化處理，對每一種硬件資源提供統(tǒng)一的管理邏輯和接口。虛擬化技術(shù)是數(shù)字化校園感知層的關(guān)鍵技術(shù)。虛擬化技術(shù)打破了物理結(jié)構(gòu)之間的壁壘，將物理資源轉(zhuǎn)變成了邏輯上可管理的資源。將數(shù)字化校園中的硬件資源整合成資源池，實現(xiàn)資源的動態(tài)分配、動態(tài)負載均衡，能夠提高資源利用率，節(jié)約學校的資金投入、資源投入和人力投入。同時，虛擬化技術(shù)也是實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)冗余備份、零宕機遷移和數(shù)據(jù)災(zāi)難快速恢復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)。

（2）資源監(jiān)控與負載管理。

資源監(jiān)控是保證感知層高效率工作的一個關(guān)鍵任務(wù)。在數(shù)字化校園感知層的大規(guī)模資源集群環(huán)境中，任何時刻所有節(jié)點的負載都不是均勻的，負載差異過大時，會造成資源的浪費。感知與網(wǎng)絡(luò)層的自動化負載平衡機制將負載進行轉(zhuǎn)移，從而使得所有資源在整體負載上趨于平衡。

（3）冗余備份。

通過對數(shù)據(jù)的冗余備份以保證數(shù)據(jù)的高可靠性，從而滿足系統(tǒng)將數(shù)據(jù)的損壞和丟失的幾率降到最低的要求。

（4）系統(tǒng)部署。

系統(tǒng)部署包括動態(tài)部署和快速部署。動態(tài)部署的典型場景就是實現(xiàn)感知和網(wǎng)絡(luò)層的動態(tài)可伸縮性，也就是能夠根據(jù)具體用戶的需求和服務(wù)狀態(tài)的變化，在最短的時間內(nèi)進行調(diào)整和配置。動態(tài)部署的另一個典型的場景是系統(tǒng)故障的恢復(fù)和硬件設(shè)備的維護。感知和網(wǎng)絡(luò)層需要在上層的調(diào)度下實現(xiàn)將正在運行和處理的數(shù)據(jù)與環(huán)境，從一個節(jié)點動態(tài)遷移到另外一個節(jié)點上。另外，為進一步提高虛擬機的部署速度，可以采用并行部署或者協(xié)同部署技術(shù)，以實現(xiàn)快速部署。

（5）資源調(diào)度和多租戶技術(shù)。

資源調(diào)度指的是在特定的資源環(huán)境下，根據(jù)一定的資源使用規(guī)則，在不同的資源使用者之間進行資源調(diào)整的過程。在數(shù)字化校園環(huán)境中，軟件以SaaS的方式發(fā)布出去，提供給所有需要使用該軟件的師生共享使用，基于多租戶技術(shù)可以使軟硬件資源能夠更好地共享，具有良好的可伸縮性，每個用戶可以按需使用資源。

（6）海量數(shù)據(jù)處理與大規(guī)模分布式存儲。

以往的大型科學計算以及一些科研實踐中的海量數(shù)據(jù)處理，都需要購買大型機來獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理能力，代價昂貴。在校園云建設(shè)過程中，基于計算技術(shù)和虛擬技術(shù)的發(fā)展，不需要額外的硬件投資，通過進行動態(tài)資源調(diào)度實現(xiàn)一個可擴展的可靠的計算環(huán)境，就可以輕松實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)處理。

要進行海量數(shù)據(jù)處理，必然要運用海量數(shù)據(jù)處理編程模型。Google公司設(shè)計的MapReduc編程模型是一種主流的海量數(shù)據(jù)處理編程模型，可賦予程序員分布式應(yīng)用開發(fā)能力。MapReduc的出現(xiàn)將開發(fā)者所關(guān)注的業(yè)務(wù)邏輯與分布式計算涉及到的復(fù)雜細節(jié)劃分開來，讓并行應(yīng)用開發(fā)通過Map2Reduce提供的編程模型屏蔽底層實現(xiàn)細節(jié)。

隨著高校信息化的發(fā)展與完善，越來越多的項目有存儲海量數(shù)據(jù)的需求。采用分布式存儲的方式來存儲數(shù)據(jù)，采用冗余存儲的方式來保證數(shù)據(jù)的可靠性，即為同一份數(shù)據(jù)存儲多個副本。利用多臺服務(wù)器滿足其他服務(wù)器所不能滿足的存儲需求。

5 結(jié)束語

“智慧校園”是基于物聯(lián)網(wǎng)和云計算技術(shù)的數(shù)字化校園建設(shè)的高級目標，通過物聯(lián)網(wǎng)來實現(xiàn)智慧化的校園服務(wù)和管理，實現(xiàn)了校園內(nèi)任何人、任何物、任何信息載體、任何時間、任何地點的互聯(lián)互通，海量信息在物聯(lián)網(wǎng)平臺的聚合而產(chǎn)生新的信息，從而給廣大師生提供了智慧化的業(yè)務(wù)和服務(wù)模式。在“智慧校園”的建設(shè)過程中，要加強對建設(shè)規(guī)范的研究和制訂，明確“智慧校園”的概念和建設(shè)策略。同時，要充分發(fā)揮智慧校園在院校建設(shè)中的作用，必須整合各種數(shù)字資源。物聯(lián)網(wǎng)是智慧校園建設(shè)的基礎(chǔ)已經(jīng)成為共識，但智慧校園不僅僅是物與物之間的聯(lián)系，更是人與物、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的實時感知。因此，數(shù)據(jù)融合是智慧校園建設(shè)的核心，需要進一步重視資源與應(yīng)用的開發(fā)，實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施與數(shù)字資源的充分融合，這也是今后研究的熱點和難點。

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