物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高校的應(yīng)用與思考

李彥武

（張家口廣播電視大學(xué)，河北 張家口 075000）

作者系張家口廣播電視大學(xué)實(shí)驗(yàn)師。

一、物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵

上世紀(jì)九十年代，比爾蓋茨在《未來(lái)之路》中最早提出了物聯(lián)網(wǎng)這一概念。1999 年麻省理工學(xué)院提出了“萬(wàn)物皆可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)”的觀點(diǎn)，即在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上利用RFID（Radio Frequency Identification，射頻識(shí)別）、無(wú)線通信等技術(shù)，構(gòu)造一個(gè)覆蓋世上萬(wàn)事萬(wàn)物的“物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IOT）”，實(shí)現(xiàn)對(duì)事物的自動(dòng)識(shí)別和信息共享。物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展，是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)的用戶端可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)延伸到任何物體。《中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展年度報(bào)告》將物聯(lián)網(wǎng)定義為：物聯(lián)網(wǎng)是指以感知為核心，實(shí)現(xiàn)物理空間和信息空間互動(dòng)融合的綜合信息系統(tǒng)。將傳感器、射頻識(shí)別、條碼、全球定位系統(tǒng)、多媒體采集系統(tǒng)等信息感知設(shè)備部署于物理實(shí)體中，結(jié)合現(xiàn)有的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，按照約定的協(xié)議采集、傳輸和處理信息，從而提升對(duì)物理世界的綜合感知能力，實(shí)現(xiàn)智能化的決策和反饋控制，為人類社會(huì)提供智慧和集約的服務(wù)[1]。

從物聯(lián)網(wǎng)在高校數(shù)字校園建設(shè)中的應(yīng)用看，物聯(lián)網(wǎng)利用射頻識(shí)別技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)等對(duì)校園中的人和物進(jìn)行感知識(shí)別和實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)人與物、物與物的信息交互，構(gòu)建以各種應(yīng)用服務(wù)為載體的集教學(xué)、科研和管理為一體的智能環(huán)境，實(shí)現(xiàn)教師、學(xué)生和管理者互動(dòng)協(xié)作的教育教學(xué)環(huán)境。

二、物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)原理

RFID、ECP（Electronic Product Code，電子產(chǎn)品代碼 ）和savant是物聯(lián)網(wǎng)的主要技術(shù)。RFID是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，無(wú)須人工干預(yù)，主要應(yīng)用在電子標(biāo)簽和讀寫(xiě)器；EPC電子編碼封存在RFID標(biāo)簽中，可以唯一的標(biāo)識(shí)物體；savant是位于標(biāo)簽閱讀器和應(yīng)用軟件之間的軟件，可提供各種計(jì)算功能[2]。信息采集主要通過(guò)傳感器和電子標(biāo)簽等方式完成，因而物聯(lián)網(wǎng)可區(qū)分為基于傳感器的物聯(lián)網(wǎng)和基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)?；趥鞲衅鞯奈锫?lián)網(wǎng)，利用傳感器實(shí)時(shí)采集熱、光、聲、位移等信息；基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)，利用讀寫(xiě)器讀取電子標(biāo)簽信息，然后將所獲信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)程終端，實(shí)現(xiàn)信息的處理、存儲(chǔ)、查詢和共享。

三、物聯(lián)網(wǎng)的特征和體系結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)的特征體現(xiàn)在三個(gè)方面：第一，是信息感知技術(shù)的廣泛應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)上部署各種類型的傳感器和RFID標(biāo)簽，隨時(shí)隨地進(jìn)行信息采集，將捕獲的信息通過(guò)各種網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程智能處理終端。第二，是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互通。物聯(lián)網(wǎng)建立在互聯(lián)網(wǎng)上，重要基礎(chǔ)和核心是互聯(lián)網(wǎng)，但能適應(yīng)各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議的通信要求，將分散的信息和數(shù)據(jù)組織起來(lái)，形成基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的信息系統(tǒng)。第三，是數(shù)據(jù)的智能化處理。物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)智能處理技術(shù)，對(duì)龐大的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行智能化分析處理，整合跨地域、跨行業(yè)的復(fù)雜數(shù)據(jù)，實(shí)施智能化跟蹤、定位和控制[3]。

物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)從上到下可分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

感知層由各種傳感器、RFID、GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）以及攝像頭等終端設(shè)備，對(duì)物體及環(huán)境物理世界信息進(jìn)行采集，包括物理對(duì)象的溫度、濕度、粘度、濃度、速度、壓力、位移和轉(zhuǎn)速等。

網(wǎng)絡(luò)層由局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。物聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)技術(shù)包括蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)和低功耗、低速率的近距離無(wú)線通信技術(shù)，可依托互聯(lián)網(wǎng)和公眾電信網(wǎng)，也可依托行業(yè)專用通信網(wǎng)絡(luò)。

應(yīng)用層則包括顯示設(shè)備和管理設(shè)備，以及各種運(yùn)行軟件平臺(tái)和應(yīng)用軟件，對(duì)所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的智能化管理和應(yīng)用[4]。

四、物聯(lián)網(wǎng)在高校的應(yīng)用

（一）智能學(xué)習(xí)環(huán)境

高校傳統(tǒng)課堂教學(xué)的物理環(huán)境所包含的教學(xué)資源有限，現(xiàn)有的遠(yuǎn)程教育虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境又缺乏與現(xiàn)實(shí)世界的交互。物聯(lián)網(wǎng)的引入可使物理教學(xué)環(huán)境的每個(gè)物件都具有數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化特性，與遠(yuǎn)程虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境進(jìn)行無(wú)縫對(duì)接，充分利用豐富的網(wǎng)絡(luò)資源，有效提高教學(xué)質(zhì)量。

傳統(tǒng)紙質(zhì)教材加入物聯(lián)網(wǎng)RFID標(biāo)簽，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，可通過(guò)教室或圖書(shū)館的 RFID閱讀器，將教材信息實(shí)時(shí)展現(xiàn)在遠(yuǎn)程終端，并利用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與遠(yuǎn)端的教學(xué)管理系統(tǒng)發(fā)生交互，隨時(shí)得到數(shù)據(jù)庫(kù)中的學(xué)習(xí)資源，或?qū)?wèn)題發(fā)布到教學(xué)管理系統(tǒng)服務(wù)平臺(tái)，由教師或其他學(xué)生在平臺(tái)上進(jìn)行解答。

將移動(dòng)設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)，使物聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)有教學(xué)平臺(tái)集成，教師可以和學(xué)生進(jìn)行移動(dòng)環(huán)境下的遠(yuǎn)程交流，向遠(yuǎn)方的學(xué)生播放視頻教學(xué)畫(huà)面或提供電子教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)，且能監(jiān)督學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程：如通過(guò)學(xué)生佩戴的傳感器手表或眼鏡等設(shè)備，捕捉學(xué)生生理信息，跟蹤學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)，根據(jù)所獲信息調(diào)節(jié)教學(xué)內(nèi)容和進(jìn)程。

（二）智能實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)是教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，如混合氣體的燃爆性實(shí)驗(yàn)，海洋生物生長(zhǎng)過(guò)程實(shí)驗(yàn)等，不做實(shí)驗(yàn)難以完成教學(xué)目標(biāo)，但傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)又有許多局限性：如安全問(wèn)題、實(shí)驗(yàn)器材短缺、時(shí)間和經(jīng)費(fèi)制約等，使許多實(shí)驗(yàn)無(wú)法讓學(xué)生親手操作。而物聯(lián)網(wǎng)可以為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供安全的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。物聯(lián)網(wǎng)傳感器材安裝在實(shí)驗(yàn)器材上，實(shí)時(shí)采集溫度、濕度、濃度、壓力、頻率、位移等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)利用多媒體手段處理后，形成仿真數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳遞給實(shí)驗(yàn)者，同時(shí)結(jié)合遠(yuǎn)端傳來(lái)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，使實(shí)驗(yàn)者完成實(shí)驗(yàn)操作。仿真實(shí)驗(yàn)室突破時(shí)空限制，師生隨時(shí)隨地參與其中，對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式帶來(lái)深刻影響。

在實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理中，結(jié)合 RFID、GPS、智能傳感器、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高校實(shí)驗(yàn)設(shè)備智能化管理，提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備利用率和管理水平。實(shí)驗(yàn)設(shè)備分配有 RFID標(biāo)簽，管理員使用RFID閱讀器讀取設(shè)備信息，迅速獲知目標(biāo)設(shè)備狀態(tài)，提高盤點(diǎn)效率，將設(shè)備的閑置、維修、在用等狀態(tài)及時(shí)寫(xiě)入標(biāo)簽，為設(shè)備更新調(diào)配提供決策依據(jù)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)室的危險(xiǎn)物品進(jìn)行跟蹤、監(jiān)控和報(bào)警。

（三）智能校園安全

高校校園具有人多且雜、資源集中的特點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)在加強(qiáng)校園安全管理，推進(jìn)平安校園建設(shè)過(guò)程中也發(fā)揮著重要作用。學(xué)生配戴植入個(gè)人資料信息的RFID標(biāo)簽，與GPS結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)校園定位。教師可以實(shí)時(shí)掌握學(xué)生的出勤情況，監(jiān)控學(xué)生出入各教學(xué)設(shè)施的情況及路線?？梢员O(jiān)測(cè)學(xué)生鍵康狀況，出現(xiàn)異常發(fā)出警報(bào)通知有關(guān)人員處置。在宿舍、實(shí)驗(yàn)室、教學(xué)樓、圖書(shū)館、食堂、電梯等場(chǎng)所布置探頭進(jìn)行視頻監(jiān)控，同時(shí)配置電控鎖和讀卡機(jī)等門禁管理設(shè)備，對(duì)進(jìn)出人員進(jìn)行安全控制，當(dāng)訪客進(jìn)入RFID感測(cè)的管制區(qū)域時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟監(jiān)控視頻警示相關(guān)人員。學(xué)生進(jìn)入具有不安全因素的場(chǎng)合時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)通知相關(guān)人員處理。

（四）智能圖書(shū)管理

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為創(chuàng)建智能圖書(shū)館提供了基礎(chǔ)。借閱者可利用各種終端設(shè)備如手機(jī)、移動(dòng)電腦等快速查看圖書(shū)信息，了解自己借閱起始時(shí)間、圖書(shū)書(shū)目等情況。采用RFID架標(biāo)和層標(biāo)，讀者可以輕松、準(zhǔn)確地定位相關(guān)文獻(xiàn)的物理存放位置[5]。借還圖書(shū)時(shí)，無(wú)需管理員手工操作，讀者只須將借書(shū)卡和圖書(shū)放到感應(yīng)區(qū)，利用RFID技術(shù)可快速完成圖書(shū)借還手續(xù)。RFID標(biāo)簽還能通過(guò)電磁波追蹤定位圖書(shū)，圖書(shū)出現(xiàn)異常情況時(shí)，能執(zhí)行防盜報(bào)警、影像拍照功能[6]。

購(gòu)進(jìn)大批文獻(xiàn)時(shí)，可利用 RFID技術(shù)將文獻(xiàn)資料錄入圖書(shū)館自動(dòng)化管理系統(tǒng)，圖書(shū)館編目工作人員只需在圖書(shū)后面貼上電子標(biāo)簽，就可借閱使用，提高文獻(xiàn)的上架效率。還可在館內(nèi)設(shè)置環(huán)境感應(yīng)設(shè)備對(duì)溫度、濕度、照明度和煙霧等進(jìn)行探測(cè)，配備攝像頭對(duì)圖書(shū)館進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。物聯(lián)網(wǎng)在圖書(shū)館管理方面的應(yīng)用，可極大提高圖書(shū)借閱效率，避免管理人員的浪費(fèi)及圖書(shū)管理的混亂。

（五）高校物聯(lián)網(wǎng)的其他智能應(yīng)用

高校物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用還包括優(yōu)化教學(xué)環(huán)境、校內(nèi)消費(fèi)管理、教學(xué)設(shè)備管理、機(jī)動(dòng)車管理等許多方面。

1.優(yōu)化教學(xué)環(huán)境。實(shí)時(shí)采集教學(xué)環(huán)境信息，對(duì)教學(xué)環(huán)境進(jìn)行智能化控制，通過(guò)光線傳感器自動(dòng)調(diào)節(jié)教室內(nèi)光源亮度和計(jì)算屏幕亮度，通過(guò)溫度及濕度傳感器，自動(dòng)調(diào)節(jié)教室內(nèi)溫度濕度。

2.校內(nèi)消費(fèi)管理。師生通過(guò)在手機(jī)SIM卡芯片中集成RFID模塊，使SIM卡具備非接觸式感應(yīng)功能，完成身份識(shí)別、消費(fèi)支付和信息交互功能。在校內(nèi)消費(fèi)時(shí)，消費(fèi)管理系統(tǒng)會(huì)記錄消費(fèi)值信息，從而提高師生校內(nèi)消費(fèi)的便捷性及安全性。

3.教學(xué)設(shè)備管理。學(xué)校的教學(xué)儀器、空調(diào)、計(jì)算機(jī)、投影儀、會(huì)議設(shè)備、體育器材等粘貼RFID標(biāo)簽或傳感器進(jìn)行統(tǒng)一管理。

4.機(jī)動(dòng)車管理。即安裝傳感設(shè)備和 RFID標(biāo)簽，識(shí)別并控制機(jī)動(dòng)車的進(jìn)出，對(duì)進(jìn)出校園的車輛和校園內(nèi)車輛行駛速度、?？繒r(shí)間、?？课恢玫刃畔⑦M(jìn)行監(jiān)督管理。

五、高校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的思考

（一）技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)層面的思考

物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)手段RFID芯片以及讀寫(xiě)器模塊高端產(chǎn)品主要靠進(jìn)口，國(guó)內(nèi)只能開(kāi)發(fā)低端產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)核心技術(shù)的缺失，導(dǎo)致國(guó)外專利技術(shù)大行其道，我國(guó)在該領(lǐng)域的專利僅占美國(guó)6.5%，現(xiàn)有專利只在 RFID低端有一定競(jìng)爭(zhēng)力。事實(shí)上在RFID標(biāo)簽的推廣中，最大問(wèn)題就是制作成本。目前每枚RFID標(biāo)簽的價(jià)格在0.3到0.6美元。高校物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中，大量植入上述功能的芯片顯然會(huì)增加巨額成本，有效解決這一問(wèn)題還要依靠國(guó)內(nèi)RFID技術(shù)的進(jìn)步。

此外，缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也影響物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)各個(gè)層面的技術(shù)，不同國(guó)家和機(jī)構(gòu)往往以各自利益為中心采用不同的技術(shù)方案，缺乏協(xié)調(diào)機(jī)制，沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，研發(fā)出的技術(shù)產(chǎn)品難以兼容，從而影響產(chǎn)品間的相互識(shí)別和感應(yīng)。高校物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建需要多技術(shù)、多設(shè)備、多領(lǐng)域進(jìn)行整合，統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化體系是高校物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的前提。加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)的制定和實(shí)施，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，是政府部門、科研機(jī)構(gòu)和高校的共同任務(wù)。

（二）倫理和道德層面的思考

長(zhǎng)久以來(lái)，人們對(duì)技術(shù)過(guò)度關(guān)注，往往會(huì)忽略人類自身發(fā)展的需要。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使人和物品處于互聯(lián)狀態(tài)，其所構(gòu)筑的行為空間比互聯(lián)網(wǎng)更加復(fù)雜，物聯(lián)網(wǎng)在給高校帶來(lái)便利的同時(shí)，也產(chǎn)生了隱私、數(shù)據(jù)保護(hù)方面的風(fēng)險(xiǎn)，使高校面臨著一系列的人文倫理與社會(huì)道德問(wèn)題。在物聯(lián)網(wǎng)射頻識(shí)別系統(tǒng)中，任意一個(gè)標(biāo)簽或識(shí)別碼都可能被遠(yuǎn)程非法掃描，使我們面臨黑客和病毒的威脅，甚至被定位、跟蹤[7]。美國(guó)學(xué)者理查德·A·斯皮內(nèi)洛指出：“社會(huì)和道德方面通常很難跟上技術(shù)革命的迅猛發(fā)展。而像中國(guó)這樣的發(fā)展中國(guó)家，在抓住信息時(shí)代機(jī)遇的同時(shí)，卻并不總是能意識(shí)到和密切關(guān)注各種風(fēng)險(xiǎn)，為迅猛的技術(shù)進(jìn)步所付出的日漸增長(zhǎng)的社會(huì)代價(jià)。”高校面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)帶來(lái)的倫理挑戰(zhàn)，如何才能有效抵御和防范，確保信息安全和隱私不受侵犯，成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中異常緊迫的問(wèn)題。因而要研究高校物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行機(jī)制和內(nèi)在規(guī)律，捕捉這一領(lǐng)域所出現(xiàn)的問(wèn)題，構(gòu)建高校物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的倫理基礎(chǔ)，積極參與物聯(lián)網(wǎng)信息安全保護(hù)，樹(shù)立正確的物聯(lián)網(wǎng)倫理道德意識(shí)。

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