物聯(lián)網(wǎng)在高校智慧校園建設(shè)中的應(yīng)用

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)、云計算技術(shù)迅速發(fā)展，高校在校園網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)等信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的基礎(chǔ)上，探索引入RFID、ZigBee等物聯(lián)網(wǎng)新興技術(shù)建設(shè)“智慧校園”，文章從物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層這三個層面出發(fā)，提出了建設(shè)智慧校園的總體設(shè)計方案，探討了物聯(lián)網(wǎng)在身份識別和考勤管理、智能實驗設(shè)備管理、智慧圖書館、車輛定位追蹤、智能后勤管理等方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);智慧校園;RFID;ZigBee

中圖分類號：TP393 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：2095-1302（2015）09-00-02

0 ?引 ?言

“智慧校園”這一概念源于智慧地球、智慧城市，目前各高校信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)較完備，基本建成了以光纖為主干網(wǎng)的校園網(wǎng)，部分高校已經(jīng)完成了對教學樓、辦公樓、實驗室、圖書館和其他公共場所的無線全覆蓋，智慧校園就是利用現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)、校園網(wǎng)以及移動通信網(wǎng)絡(luò)，引進RFID、ZigBee、傳感器等物聯(lián)網(wǎng)、云計算、并行控制技術(shù)，優(yōu)化資源配置，為師生提供高效、智能的信息化服務(wù)，打造數(shù)字化校園、平安校園，并為管理決策層提供科學的決策依據(jù)和管理手段。

智慧校園的主要特征：一是通過物聯(lián)網(wǎng)整合教育資源，為教學、科研提供高效信息服務(wù)，實現(xiàn)教育資源的共享;二是整合現(xiàn)有的教務(wù)管理系統(tǒng)、學生管理系統(tǒng)、宿舍管理系統(tǒng)等，提供開放互聯(lián)的智能化綜合信息服務(wù)平臺;三是后勤管理實現(xiàn)按需服務(wù)、綠色節(jié)能;四是通過智慧校園建設(shè)，使師生全面地感知教學資源，獲得良好的學習、教學和后勤服務(wù)體驗，促進高校教學管理服務(wù)水平的提高。

1 ?物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 ?RFID

RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)即無線射頻識別技術(shù)，它是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，可在各種惡劣環(huán)境中通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，無須人工干預(yù)。RFID被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)自動化、門禁、公路收費、停車場管理、身份識別、貨物跟蹤等民用領(lǐng)域。

典型的RFID系統(tǒng)構(gòu)成由電子標簽（Tag）、讀寫器（Read /Write Device）及管理信息系統(tǒng)等組成，具有智能讀寫及加密通信的功能。當被識別物體進入讀寫器的識別范圍時，讀寫器發(fā)出射頻脈沖，電子標簽接收射頻脈沖，整流并給電容充電作為工作電壓;數(shù)據(jù)解調(diào)部分從接收到的射頻脈沖中解調(diào)出數(shù)據(jù)并送到控制邏輯;控制邏輯接受指令完成存儲、發(fā)送數(shù)據(jù)或其它操作。RFID標簽大致可分為三類：第一類是主動RFID標簽靠電池供電，自動傳輸信號;第二類是被動RFID標簽，不帶電池，需要外部源來激發(fā)信號傳輸;第三類是電池輔助的被動RFID標簽，需要外部源來喚醒電池，但具有更高的傳輸能力。如果按照所使用的無線電頻率，RFID標簽可分為低頻、高頻、超高頻和微波幾種類型。

1.2 ?ZigBee

ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用高級通信協(xié)議，由IEEE802.15.4標準描述，ZigBee設(shè)備體積較小，是低能耗和基于無線電的傳感器節(jié)點，具有低功耗、低成本、低數(shù)據(jù)傳輸率、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、安全可靠的技術(shù)特點。它與藍牙、WiFi技術(shù)相比更為易用且價格低廉，因此ZigBee在車聯(lián)網(wǎng)、智能家居、小區(qū)監(jiān)控等方面的應(yīng)用日益廣泛。

ZigBee協(xié)調(diào)器能夠存儲網(wǎng)絡(luò)的信息，而且可作為信任中心存儲安全密鑰，每個網(wǎng)絡(luò)中僅有一個協(xié)調(diào)器。ZigBee路由器的中間路由器，可在終端設(shè)備之間傳遞數(shù)據(jù);ZigBee終端設(shè)備包含和父節(jié)點（協(xié)調(diào)器或者路由器）通信的功能，不能中繼其他設(shè)備的數(shù)據(jù)，節(jié)點可以休眠很長時間，從而可保證電池的壽命。

2 ?智慧校園的總體設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園建設(shè)可以劃分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

（1）感知層是聯(lián)系師生、各類教育資源（物理世界）與綜合信息服務(wù)平臺（信息世界）的紐帶，通過RFID標簽、GPS終端設(shè)備、攝像頭……各種傳感器對師生、教學設(shè)備資源、實驗設(shè)備、圖書等提供智能感知和控制能力。

（2）網(wǎng)絡(luò)層的作用是連接感知層與應(yīng)用層，正確、快速、安全地傳輸智慧校園各類感知數(shù)據(jù)與控制指令，所有信息都要通過WiFi、4G/3G無線網(wǎng)絡(luò)接入校園網(wǎng)，一般采用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的結(jié)構(gòu)。

（3）應(yīng)用層由多樣化的應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成，如門禁系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、圖書管理系統(tǒng)、教學管理系統(tǒng)、宿舍管理系統(tǒng)、實驗設(shè)備管理系統(tǒng)等。通過對綜合信息服務(wù)平臺的數(shù)據(jù)進行集成和分析，實現(xiàn)資源合理調(diào)度、按需服務(wù)、綠色節(jié)能等需求，提高高校教學管理服務(wù)水平。

圖1 ?基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園總體設(shè)計

3 ?物聯(lián)網(wǎng)在智慧校園中的應(yīng)用

3.1 ?身份識別和考勤管理

運用RFID技術(shù)整合校園一卡通，可實現(xiàn)學校進出人員管理、宿舍管理、學生上課考勤和會議考勤等。師生在進出學校校門、宿舍樓宇時實現(xiàn)RFID卡無接觸式自動身份識別，通過屏幕顯示通過人員信息、照片，自動放行，校外人員進行來訪登記。學生處和宿管人員可即時統(tǒng)計學生在校情況，并對未按時返校、歸宿學生發(fā)送提醒。

大部分高校對學生上課的考勤管理都通過任課教師或?qū)W生考勤員完成，點名費時費力，一些教師還發(fā)明了通過拍照刷臉、微信等點名的辦法。利用教學樓安裝RFID感應(yīng)器，進入教室的學生均被識別系統(tǒng)感應(yīng)，可以完成對缺勤學生、遲到早退學生的統(tǒng)計，并將數(shù)據(jù)信息反饋到教務(wù)管理系統(tǒng)，任課教師、輔導(dǎo)員可以查看，及時了解學生的學習情況。

通過RFID技術(shù)整合一卡通，還可以實現(xiàn)教師簽到、會議考勤等功能。在會議室入口設(shè)置RFID識別裝置，當參會人員進入會場時，系統(tǒng)會自動進行身份識別，并在屏幕上顯示座位引導(dǎo)、歡迎詞等。

3.2 ?智能實驗設(shè)備管理

高校的實驗設(shè)備、精密儀器，動輒數(shù)百萬元，為了有效提高教育資源的利用率，提高實驗室管理水平，尤其是在建設(shè)開放實驗室的過程中，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實現(xiàn)門禁管理、實驗教學管理、安全防盜功能。

（1）門禁管理：結(jié)合門禁系統(tǒng)、師生校園一卡通、實驗設(shè)備管理系統(tǒng)，管理員授權(quán)用戶在規(guī)定時間才能通過門禁系統(tǒng)進入實驗室，授權(quán)用戶允許使用實驗室內(nèi)的實驗設(shè)備，并且記錄使用人員、使用和歸還時間等信息。

（2）安全防盜：通過在實驗設(shè)備及貴重物品上嵌入ZigBee傳感器，這些節(jié)點能夠以自組織方式組成網(wǎng)絡(luò)，當設(shè)備移動時，傳感器節(jié)點內(nèi)置定位引擎通過與預(yù)設(shè)節(jié)點比較，超出預(yù)設(shè)范圍時，第一時間通知實驗室管理員，管理員可通過管理系統(tǒng)查看設(shè)備所在位置，及時做出處置。

（3）實驗教學管理：首先，設(shè)備上的RFID標簽可以幫助學生方便地獲取實驗步驟、操作要點、使用幫助等信息。其次，通過自動控制技術(shù)干預(yù)實驗過程，操作不當時能自動警告并中斷實驗過程，避免不必要的損失和人員傷害。此外，實驗數(shù)據(jù)可以實時監(jiān)控并及時提供給實驗者，實現(xiàn)實驗教學的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化。

3.3 ?智慧圖書館

RFID 技術(shù)在圖書館領(lǐng)域也已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，目前可以實現(xiàn)自助借還圖書，圖書自動分揀、精確定位、自動整序排架、自助盤點、智能圖書車和防盜報警等一系列自動化、智能化管理功能。

RFID在圖書館自助服務(wù)應(yīng)用的工作原理：RFID 芯片式自助服務(wù)系統(tǒng)是在圖書中加入RFID 芯片，用來代替條碼+磁條。借還書時，RFID系統(tǒng)先讀取讀者證的信息，再通過讀取圖書RFID芯片中的數(shù)據(jù)完成圖書借還，RFID技術(shù)是非接觸式工作，可一次進行多本圖書借出操作，極大地提高了借還工作效率。當讀者攜帶該書通過門禁檢測系統(tǒng)時，系統(tǒng)會自動識別圖書是否已經(jīng)辦理借書手續(xù)。

3.4 ?車輛定位追蹤

車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將計算機技術(shù)、ZigBee、RFID技術(shù)有機結(jié)合起來，能夠提供自動控制、自動存儲數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)查詢等多種功能。車聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)校園區(qū)域內(nèi)車輛的進出管理、車輛防盜、停車誘導(dǎo)等，促進校園的交通秩序管理、平安校園建設(shè)。

校園入口部分主要由ZigBee協(xié)調(diào)器、感應(yīng)器、攝像頭、擋車器、電動欄桿、顯示屏組成。車輛到達校園入口，校內(nèi)車輛通過感應(yīng)器識別后電動欄桿和擋車器變?yōu)橥ㄐ袪顟B(tài)，無需人工干預(yù)，外來車輛發(fā)臨時卡，攝像頭拍攝車牌信息并記錄在車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中。車輛進入校區(qū)后，車聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)還可提供車位信息引導(dǎo)車輛停放。

3.5 ?智能后勤管理

后勤管理主要包括學校的照明、廣播、餐飲、衛(wèi)浴等。在教室、實驗室、校園廣播設(shè)備、路燈上安裝傳感設(shè)備，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使校園內(nèi)的燈、播音設(shè)備能夠無線自主組網(wǎng)，使每一盞燈、播音設(shè)備都能遙測和遙控，自動調(diào)節(jié)照明強度、播音音量。例如教室、圖書館光照較強時，燈自動關(guān)，如果發(fā)現(xiàn)教室里沒人，可以遠程控制關(guān)燈;發(fā)現(xiàn)附近沒人，校園內(nèi)播音設(shè)備會自動停止播放或降低播音音量。在浴室裝上讀卡器，刷卡后噴頭出水并進行流量計算，從而達到節(jié)能節(jié)水的目的。根據(jù)學生食堂安裝的ZigBee系統(tǒng)，監(jiān)測就餐實時人流量，分析后有助于改進餐飲服務(wù)，提高餐飲管理水平。

4 ?結(jié) ?語

通過物聯(lián)網(wǎng)在校內(nèi)的大力推廣，可成功建成身份識別和考勤管理系統(tǒng)、智能實驗設(shè)備管理系統(tǒng)、智慧圖書館及車輛定位追蹤等系統(tǒng)，大大減少了校內(nèi)工作人員的任務(wù)量，極大地提高辦事效率。

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