基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園研究

李冰

一、前言

（一）物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)概述

物聯(lián)網(wǎng)利用通訊技術(shù)如互聯(lián)網(wǎng)將物體和微控制器、傳感器、通信收發(fā)器等連在一起，并配置協(xié)議實(shí)現(xiàn)物體之間的相互作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人類對(duì)物體的遠(yuǎn)程管理控制。一般物聯(lián)網(wǎng)通過射頻識(shí)別（RFID，Radio Frequency Identification）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描等信息傳感設(shè)備將任何物品和互聯(lián)網(wǎng)相連，進(jìn)行信息交換和通信，從而對(duì)物體進(jìn)行智能化識(shí)別、定位、監(jiān)控和管理。物聯(lián)網(wǎng)在用途方面極為廣泛，可與多種設(shè)備進(jìn)行連接。比如機(jī)器人、無人機(jī)、暖氣與空調(diào)系統(tǒng)、安全警報(bào)裝置、家用電器、辦公設(shè)備等，并產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)用于相關(guān)部門。盡管物聯(lián)網(wǎng)仍處于初期階段，但在許多領(lǐng)域已經(jīng)開發(fā)了一些初步的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，包括家庭和工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療保健檢測和輔助設(shè)備、智能電網(wǎng)和智能能源管理、智能車輛、交通管制等。然而，物聯(lián)網(wǎng)目前面臨兩個(gè)主要挑戰(zhàn)：第一，技術(shù)上的困難，物聯(lián)網(wǎng)缺乏新穎性和異質(zhì)性。第二，缺乏完整的獲得批準(zhǔn)的商業(yè)模式從而導(dǎo)致商業(yè)困難。而事實(shí)上，將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用到智慧校園是不可避免的。智能校園是物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要研究方向，并且物聯(lián)網(wǎng)在智慧校園中的應(yīng)用可以為城市互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用提供有價(jià)值的見解。

（二）物聯(lián)網(wǎng)與智慧校園

盡管將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用到智慧校園還沒有得到廣泛的普及，但它的主要理念是開發(fā)利用校園的資源，將學(xué)校的應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行整合，為師生提供高質(zhì)量的校園服務(wù)。將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用到智慧校園帶來一系列的優(yōu)勢：智能感知的學(xué)習(xí)環(huán)境、智能能源管理、有效的監(jiān)控系統(tǒng)和實(shí)時(shí)事件預(yù)警系統(tǒng)、智能化的業(yè)務(wù)流程、高效的停車場管理和安全透明的財(cái)務(wù)管理系統(tǒng)等。

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

（一）智慧校園相關(guān)概念

智慧校園是指向教職工學(xué)生基于自身不同角色的需求提供個(gè)性化服務(wù)，這樣可以降低成本并提供高質(zhì)量服務(wù)。智慧校園所提供的服務(wù)不僅局限在學(xué)術(shù)方面，還涉及校園社交、財(cái)政和環(huán)境等方面。所以智慧校園具有三個(gè)主要特點(diǎn)：一是提供一個(gè)全面感知的智能環(huán)境和綜合信息服務(wù)平臺(tái)，提供基于角色的定制服務(wù)；二是基于通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)融入到學(xué)校的個(gè)個(gè)服務(wù)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)資源和人員之間的互聯(lián)協(xié)作；三是通過智能感知環(huán)境為學(xué)校和外部環(huán)境提供一個(gè)相互交流感知的窗口。

（二）基于物聯(lián)網(wǎng)智慧校園概念及其應(yīng)用

1. 智能樓宇

智慧樓宇被譽(yù)為“一個(gè)將最好的概念、材料、系統(tǒng)和技術(shù)結(jié)合起來滿足建設(shè)者需要的性能要求的智能化建筑”。我們可以從以下兩個(gè)方面研究智能建筑。

第一，信息和通信技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施。智能樓宇系統(tǒng)至少需要一個(gè)快速后端網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)器用來處理由大規(guī)模植入的傳感器收集的數(shù)據(jù)。使用各種不同類型的傳感器是建筑制動(dòng)化必不可少的一部分。傳感器可以遠(yuǎn)程關(guān)閉不需要的服務(wù)，檢測教室或辦公室的二氧化碳濃度，調(diào)節(jié)建筑內(nèi)溫度和濕度，測量周圍污染的AR-EAS和開放空間。此外，適當(dāng)?shù)恼饎?dòng)傳感器將有助于檢測建筑物的承壓能力。智慧樓宇可以生成完整的環(huán)境參數(shù)報(bào)告，并且在需要時(shí)提供警報(bào)，這樣可以減少昂貴的建筑測試需求。

第二，報(bào)告和協(xié)作。使用報(bào)告生成工具智能生成匯報(bào)，包括教室或辦公室使用率、學(xué)生或教職工出勤率、空間使用模式、實(shí)時(shí)報(bào)警或能源使用等情況。在校園中，部門間的協(xié)作是改善跨部門業(yè)務(wù)流程至關(guān)重要的一步，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方式是通過信息共享，用來加強(qiáng)相關(guān)部門的溝通和聯(lián)系。伯明翰大學(xué)（BCU）投資近1.28億美元用于建設(shè)新的智慧樓宇，此后每年為建筑方面開支節(jié)省105萬美元，并且二氧化碳排放量減少40%。同時(shí)，智慧樓宇提高了校園的舒適度和建筑的使用效率。

2. 學(xué)校智能電網(wǎng)

智能電網(wǎng)是利用新的信息和通信技術(shù)（ICT）改革電子電氣系統(tǒng)。事實(shí)上，在世界各地有許多大學(xué)采用智能電網(wǎng)或微電網(wǎng)。例如，俄勒岡州立大學(xué)采用基于同步相量技術(shù)的監(jiān)控和報(bào)警系統(tǒng)，這是大學(xué)采用智能電網(wǎng)用于應(yīng)對(duì)日益增加的能量需求、保護(hù)環(huán)境、渴望使用可再生資源邁出的重要一步。然而，從同步相量測量技術(shù)得出的最優(yōu)化結(jié)果并不理想，原因歸結(jié)為這項(xiàng)技術(shù)仍處于起步階段，需要更加全面深入的研究。研究指出可采用一些成熟的技術(shù)比如數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA），專家建議在大學(xué)校園里將恢復(fù)供電集成的自動(dòng)化程序依靠于SCADA和OPC共同完成，其中包含檢測、隔離和自愈性的恢復(fù)。通過在大學(xué)校園內(nèi)利用SCADA系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)研究，提出了一種基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自組織映射（SOM）算法，SOM可分析當(dāng)前配電網(wǎng)，提出微電網(wǎng)設(shè)計(jì)方法，并未對(duì)大學(xué)校園智能電網(wǎng)的發(fā)展提供建議。

開發(fā)一個(gè)能夠用于分析和處理智能電網(wǎng)設(shè)備收集的大量數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)是至關(guān)重要的。Kusakabe提供了一個(gè)實(shí)例研究，如何在大學(xué)校園中發(fā)展能源管理系統(tǒng)的需求?？紤]到提高成員的認(rèn)知和參與目標(biāo)，作者聲明他們?nèi)〉昧肆钊藵M意的成果，實(shí)現(xiàn)了校園可持續(xù)發(fā)展?；赪eb的系統(tǒng)在云平臺(tái)包括能耗分析和行為模式、控制需求響應(yīng)的目的、對(duì)未來需求的預(yù)測以及如何使用機(jī)器學(xué)習(xí)模型已經(jīng)形成一個(gè)巨大的數(shù)據(jù)集訓(xùn)練。此外，Newaz提出了一個(gè)基于云平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，用于分析和理解大學(xué)校園內(nèi)的能源消耗、未來需求預(yù)測和遠(yuǎn)程控制設(shè)備。盡管如此，它仍處于發(fā)展階段。此外，技術(shù)細(xì)節(jié)并不是設(shè)計(jì)和開發(fā)校園智能電網(wǎng)的唯一必要條件，影響設(shè)計(jì)和開發(fā)校園智能電網(wǎng)的還有經(jīng)濟(jì)、政治和環(huán)境等因素。最后，一些大學(xué)已經(jīng)開始結(jié)合智能電網(wǎng)技術(shù)和當(dāng)前電網(wǎng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)使政府、教職工、學(xué)生以及參與者控制和監(jiān)控校園能源消耗變?yōu)榱丝赡堋?/p>

3. 學(xué)習(xí)環(huán)境

在過去幾十年中，隨著先進(jìn)技術(shù)的變革和推廣，教學(xué)發(fā)生了巨大的變化。研究者提出了一種基于學(xué)習(xí)者在校園范圍內(nèi)的社交網(wǎng)絡(luò)提供情景的個(gè)性化學(xué)習(xí)體驗(yàn)方法。該方法利用傳感器和移動(dòng)學(xué)習(xí)進(jìn)行簡單配置Web服務(wù)器從而實(shí)現(xiàn)全面學(xué)習(xí)。然而，這還需要相應(yīng)的教學(xué)設(shè)計(jì)和學(xué)習(xí)者正確的學(xué)習(xí)行為?；谖锫?lián)網(wǎng)的智慧校園在教學(xué)設(shè)計(jì)方面有著重要的應(yīng)用價(jià)值，比如構(gòu)建了智能化教學(xué)環(huán)境、豐富的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和多樣的擴(kuò)展教學(xué)活動(dòng)等?；谖锫?lián)網(wǎng)的學(xué)習(xí)環(huán)境不僅可以高效整合信息、社會(huì)、技術(shù)和物理相關(guān)的學(xué)習(xí)資源，還可以為學(xué)習(xí)者提供個(gè)性化智能學(xué)習(xí)服務(wù)。在智能環(huán)境中的學(xué)習(xí)過程分為四個(gè)階段：學(xué)習(xí)遞歸過程、評(píng)價(jià)、互動(dòng)性和分析，這四個(gè)階段映射了智能系統(tǒng)的遞歸性和可持續(xù)性。智能學(xué)習(xí)的主要目標(biāo)是結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)愿望、智力水平和知識(shí)水平，為學(xué)習(xí)者提供個(gè)性化的定制學(xué)習(xí)服務(wù)。

在微軟公司的協(xié)助下，麻省理工學(xué)院開始基于智慧校園的若干個(gè)項(xiàng)目開發(fā)，稱之為MIT iCampus。例如，研究課堂溝通系統(tǒng)（CCS）和班級(jí)學(xué)習(xí)伙伴（CLP）用來客服教師和學(xué)生在課堂上的交流問題，并通過練習(xí)和實(shí)時(shí)反饋及分析來提高學(xué)習(xí)效率。此外，基于游戲的教育項(xiàng)目（GTT）也在開發(fā)概念模型用于下一代的游戲教育平臺(tái)。Adamko等人開發(fā)了提供問題、評(píng)估解決方案并收集數(shù)據(jù)的平臺(tái)，以進(jìn)一步研究用戶在智能校園里的學(xué)習(xí)行為。綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的學(xué)習(xí)環(huán)境是一個(gè)多維交互空間的整合體，這個(gè)整合體包含數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化空間和由各種實(shí)物組成的物理空間。

三、挑戰(zhàn)和機(jī)遇

智慧校園目前面臨三種障礙：技術(shù)、預(yù)算和管理障礙。技術(shù)壁壘主要涉及：安全性，隱私性、互操作性和標(biāo)準(zhǔn)化配置。在采用任何促進(jìn)校園服務(wù)的技術(shù)之前，必須需要確認(rèn)這項(xiàng)技術(shù)在校園和公共使用中是安全的。滿足安全性和隱私性這兩個(gè)要求是在當(dāng)前異構(gòu)環(huán)境下最難實(shí)現(xiàn)的。這種異構(gòu)環(huán)境下的互操作性和標(biāo)準(zhǔn)化將最大限度的提高用戶利益，其結(jié)構(gòu)將對(duì)不同設(shè)備之間進(jìn)行評(píng)估和比較，促進(jìn)制造商之間的競爭。把物聯(lián)網(wǎng)引入到校園建設(shè)中需要的成百上千的傳感器、執(zhí)行器和其他設(shè)備，學(xué)校對(duì)這些設(shè)備的配置將會(huì)是一個(gè)巨大的負(fù)擔(dān)，在此情況下，基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園應(yīng)開發(fā)或引入物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的自動(dòng)化配置系統(tǒng)來解決問題。在預(yù)算方面，公共設(shè)施預(yù)算的縮水、世界經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)狀和大學(xué)有限的資源成為阻礙智慧校園推廣的原因。管理問題雖然沒有技術(shù)和預(yù)算問題嚴(yán)重，但也是存在的。智慧校園為研究人員利用創(chuàng)新解決方案調(diào)查和提升校園服務(wù)打開了大門。目前來講，基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園建設(shè)主要集中在智能樓宇、學(xué)習(xí)環(huán)境等，校園服務(wù)種類眾多，還有許多其他校園服務(wù)沒有得到足夠的重視，比如智能就餐、智能宿舍等。通過合理的規(guī)劃、投資和管理，物聯(lián)網(wǎng)可以幫助校園提供更好的自動(dòng)化和更高質(zhì)量的服務(wù)。

四、總結(jié)

本文從智能樓宇、智能電網(wǎng)和學(xué)習(xí)環(huán)境等角度，對(duì)智慧校園使用物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了研究，為校園內(nèi)的社區(qū)提供有效、高效和優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。此外，我們還從技術(shù)、預(yù)算和管理三個(gè)不同的維度，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園建設(shè)遇到的阻礙和挑戰(zhàn)。最后，強(qiáng)調(diào)了未來智慧校園研究和建設(shè)可能遇到的機(jī)遇。