基于嵌入式及RFID物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧校園系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

巴音查汗　安鵬

摘 要： 傳統(tǒng)的智慧校園系統(tǒng)，面對不斷增長的信息，存在控制效率低以及安全性差的問題?；谠摤F(xiàn)象，設計并實現(xiàn)基于嵌入式及RFID物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧校園系統(tǒng)。其由智能RFID感知模塊、網(wǎng)絡融合模塊、嵌入式硬件支持模塊、支撐站模塊、業(yè)務應用模塊以及綜合服務模塊構成。系統(tǒng)分別對這些模塊進行了設計和實現(xiàn)，完成校園的智能化管理。實驗結(jié)果表明，所設計嵌入式系統(tǒng)各項功能運行穩(wěn)定，運行效率較高。

關鍵詞： 嵌入式技術； 物聯(lián)網(wǎng)技術； 智慧校園系統(tǒng)； 智能化管理

中圖分類號： TN915?34； TP393.18 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）16?0063?03

Abstract： The traditional wisdom campus system， in the face of growing information， exists the problems of low control efficiency and poor safety. In order to eliminate this phenomenon， a wisdom campus system based on embedded and RFID IOT technology was designed and implemented. It is composed of intelligent RFID perception module， network fusion module， embedded hardware support module， supporting station module， business application module and comprehensive service modules. These modules were designed and implemented respectively， and then the campus intelligent management was completed. The eExperiment result shows that the embedded system runs stably and efficiently.

Keywords： embedded technology； IOT technology； wisdom campus system； intelligent management

隨著嵌入式技術以及物聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，智能化管理方法在當前校園管理中的應用價值逐漸增強。傳統(tǒng)的智慧校園系統(tǒng)，面對不斷增長的信息，存在控制效率低以及安全性差的問題，不能為教師、學生以及管理人員提供智能的信息服務[1]?；谇度胧郊夹g和物聯(lián)網(wǎng)技術能夠塑造智慧校園系統(tǒng)，可增強校園設施的管理效率、提高教師授課質(zhì)量、學生學習效率以及校園信息控制的安全性。

1 智慧校園系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)架構

本文采用嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)技術，設計出智慧物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構，如圖1所示，其由智能感知模塊、網(wǎng)絡融合模塊、硬件支撐模塊、支撐站模塊、業(yè)務應用模塊以及綜合服務模塊構成[2]。智慧校園系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)中的RFID，EPC等不同的傳感器配件部署到教室、食堂、圖書館、實驗室等不同設施中，采用智慧校園網(wǎng)絡平臺相連，確保不同的信息在校園不同領域進行互通，對校園中的人和物進行智能化管理。

（1） RFID智能感知模塊。智能感知模塊的硬件結(jié)構圖如圖2所示?？梢钥闯?，其采用物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器、智能手機、PDA等部件，基于智能感知平臺，通過RFID辨識、視頻提取等手段，對校園環(huán)境中的辦公室部件、宿舍部件、教室部件以及實驗室部件進行感知以及檢測。采用融合的網(wǎng)絡傳遞檢測到的結(jié)果，完成校園環(huán)境的智能控制。

（2） 網(wǎng)絡融合模塊。智慧校園中的網(wǎng)絡融合模塊采用物聯(lián)網(wǎng)中的網(wǎng)絡融合技術，融合校園中的有線網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、移動網(wǎng)絡等，完成不同網(wǎng)絡間信息的全面對接，確保校園中的人信息、物信息的暢通無阻傳輸[3]。采用一體化的信息控制方案，為智慧校園提供高效率、穩(wěn)定的校園網(wǎng)絡環(huán)境。

（3） 硬件支撐模塊。該模塊采用VMware虛擬化手段，通過交換機、服務器以及存儲部件，實現(xiàn)智慧校園系統(tǒng)中大量信息的嵌入式存儲，對智慧校園系統(tǒng)中的大規(guī)模運算和存儲資源進行全方位控制。其中的交換機用于實現(xiàn)信息的傳輸，其由視頻器、基帶處理器、功放器以及存儲器構成，通過一塊電路板則完成所有的功能。系統(tǒng)設計的交換機采用德國西門子公司生產(chǎn)的集成電路板，其型號是TC35，能夠完成語言信號行業(yè)短消息的傳遞和結(jié)束。該集成電路板是雙頻頻段，可高效率地支撐數(shù)據(jù)、語言以及傳真的傳遞，包含RS 232接口以及語言接口，具有較高的電源范圍，其硬件結(jié)構圖如圖3所示。其由6個硬件構成，其中的基帶處理器是關鍵部分，能夠?qū)崿F(xiàn)信息通信功能。

（4） 支撐站模塊。支撐站模塊依托于數(shù)字化校園系統(tǒng)內(nèi)的軟件，設計出信息整合平臺以及應用整合開發(fā)平臺，對智慧校園系統(tǒng)中不同的身份信息、感知數(shù)據(jù)以及不同類型業(yè)務應用數(shù)據(jù)進行全方位控制。

（5） 業(yè)務應用模塊。不同的校園依據(jù)自身的特征塑造的業(yè)務應用也存在較大的差異，這些業(yè)務應用采用物聯(lián)管理實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)控制，主要包括校園一卡通、視頻監(jiān)控、部件控制、處理和檢索歷史記錄等[4]。一卡通業(yè)務控制學生的一卡通和身份信息，從視頻監(jiān)控模塊中能夠看到校園各監(jiān)控站點的視頻圖像，采用部件控制模塊完成智慧校園的傳感器部分、門禁目標、警報器等部件的處理、檢索以及控制。視頻監(jiān)控部分的硬件結(jié)構如圖4所示?；谛@安防需求，采用射頻技術和AT89S51型讀卡器，完成射頻辨識，并通過TC35模塊實現(xiàn)通信傳遞，采用液晶顯示屏呈現(xiàn)監(jiān)控圖像，管理人員通過鍵盤完成視頻監(jiān)控的及時調(diào)整。 其中，AT89S51核心芯片通過RS 232接口經(jīng)TC35模塊完成信息交互。endprint

（6） 綜合服務模塊。綜合服務模塊是對智慧校園系統(tǒng)中的全部模塊進行統(tǒng)一管理，塑造控制決策站、自主學習站以及交流站等服務站，為校園中的教師、學生以及管理者提供綜合信息服務平臺。

1.2 智慧校園系統(tǒng)中各模塊的設計與實現(xiàn)

1.2.1 網(wǎng)絡融合模塊設計與實現(xiàn)

塑造校園物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是智慧校園系統(tǒng)的關鍵部分，塑造的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應覆蓋校園教學樓、辦公樓、實驗室以及圖書館等區(qū)域，并且還在學生宿舍設置了1 800個AP，增益天線2 800多個，無線傳感器3 400多個，完善校園不同區(qū)域的物聯(lián)網(wǎng)的全面覆蓋，確保人們在校園的任何地方都可上網(wǎng)，實現(xiàn)校園信息的全面?zhèn)鬟f。

1.2.2 硬件支持模塊設計與實現(xiàn)

塑造校園物聯(lián)網(wǎng)主干網(wǎng)。塑造網(wǎng)絡部件的關鍵部分，部署多層交換機9306和核心交換機TC35，路由器NE40，將校園的出口帶寬提高到3 400 Mb/s，設置電信、聯(lián)通、移動以及教育網(wǎng)絡4個出口，通過防火墻對出口進行NAT變換以及向服務器提供帶寬服務[5]。將華為S13400以及S8204交換機當成核心控制器，對校園物聯(lián)網(wǎng)中的鏈路冗余以及復制進行控制，塑造的智慧校園網(wǎng)絡硬件拓撲如圖5所示。

塑造35個智慧教室。教師采用手機驅(qū)動教室管理平臺，在校園的教室中塑造高速無線網(wǎng)絡，為智慧教室中的不同職能部件提供網(wǎng)絡服務，確保教室和學生間進行信息的及時交流和互動[6]。智慧教室的集中聯(lián)網(wǎng)管理過程，需要驅(qū)動服務器對教室中的相關部件進行監(jiān)測，并且通過服務器還可對不同智慧教室的運行情況進行檢索。

1.2.3 支撐站模塊設計與實現(xiàn)

支撐站模塊設計的校園信息標準規(guī)范如圖6所示?？梢钥闯銎浒ㄖ腔坌@總體規(guī)劃、數(shù)據(jù)標準、技術標準、管理規(guī)范以及管理水平分析等的數(shù)據(jù)標準。

支撐站模塊還塑造統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺采用數(shù)據(jù)變換工具，消除數(shù)據(jù)中的噪聲、對數(shù)據(jù)進行分析和傳輸，完成不同業(yè)務系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的共享以及交互[7]；塑造統(tǒng)一身份認證平臺是統(tǒng)一身份認證和接口平臺基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)分析平臺，對不同應用系統(tǒng)進行統(tǒng)一認證，形成統(tǒng)一的應用系統(tǒng)接口以及集中認證接口技術規(guī)范，增強智慧校園的安全性。

2 實驗分析

2.1 系統(tǒng)有效性檢測

實驗對本文塑造的基于嵌入式及物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧校園系統(tǒng)的性能進行檢測，某院校的物聯(lián)網(wǎng)技術、計算機網(wǎng)絡技術和信息安全技術3個專業(yè)的2013級以及2014級6個班186名同學對本文系統(tǒng)使用6周的操作情況進行檢查，并且在業(yè)余時間組織同學對系統(tǒng)的智慧教室以及培訓功能等子應用系統(tǒng)進行并發(fā)訪問，統(tǒng)計6周檢測過程中本文系統(tǒng)的檢測結(jié)果，如表1所示。

分析表1可以看出，本文設計的智慧校園系統(tǒng)運行正常，并且運行效率較高，可為學生提供相關的服務，是有效的校園信息智能化管理系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡服務性能檢測

實驗對本文設計的智慧校園系統(tǒng)網(wǎng)絡服務性能進行檢測，分析網(wǎng)絡服務性能中的網(wǎng)絡部件拓撲控制、網(wǎng)絡狀態(tài)以及流量控制的檢測結(jié)果，檢測用例為： 網(wǎng)絡部件拓撲控制用例，如表2所示。

網(wǎng)絡狀態(tài)與流量控制測試用例如表3所示。

綜合分析上述檢測結(jié)果可得，本文設計的智慧校園系統(tǒng)的網(wǎng)絡部件拓撲控制以及網(wǎng)絡狀態(tài)和流量控制等功能都正常運行，并且系統(tǒng)運行效率較高。如果校園網(wǎng)絡產(chǎn)生故障，則系統(tǒng)會及時向網(wǎng)絡控制人員反饋報警信息，提高智慧校園系統(tǒng)的管理效率和穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

本文設計并實現(xiàn)了基于嵌入式及物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧校園系統(tǒng)。分析實驗檢測結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)的網(wǎng)絡性能以及其他功能都運行穩(wěn)定，具有較高的運行效率，實現(xiàn)了校園系統(tǒng)的智能化管理。

參考文獻

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