基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧校園建設(shè)與研究

吳有龍 楊忠 徐楠 謝慧 張旭

摘 要：針對傳統(tǒng)的“數(shù)字校園”向“智慧校園”邁進中計算機和信息技術(shù)的發(fā)展，原有的數(shù)字校園的運行方案和技術(shù)手段都有待進一步完善。文中結(jié)合智慧校園建設(shè)過程中的現(xiàn)狀，重點論述了智慧校園的三層物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，包含傳感層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，以智慧教室為例提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建設(shè)方案，為智慧校園的智能化建設(shè)提供一種新的參考模型。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);數(shù)字校園;智慧校園;智慧教室;智能化;建設(shè)方案

中圖分類號：TP393.18文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）01-00-02

0 引 言

隨著以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能和移動互聯(lián)為代表的新一代信息技術(shù)的發(fā)展，在教育領(lǐng)域，集智能技術(shù)、智能應(yīng)用和智能管理于一體的智慧校園已成為新的研究熱點[1-4]。與傳統(tǒng)的數(shù)字校園相比，智慧校園能夠更快、更靈活、更經(jīng)濟地提供各種服務(wù)，是高校教育信息化發(fā)展的一種新模式。

目前，國內(nèi)外大學(xué)都在開展智慧校園的建設(shè)工作[5-6]。

美國南加利福尼亞大學(xué)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對校園內(nèi)建筑的供暖、送風(fēng)、空調(diào)等進行跟蹤和控制，實現(xiàn)了智慧節(jié)能的“綠色校園”[7]。浙江大學(xué)智慧校園的建設(shè)已涵蓋了安全、綠色、生態(tài)、和諧和科技等多個領(lǐng)域。上海交通大學(xué)學(xué)者提出無處不在的智慧課堂理念，將校內(nèi)圖書館電子資源嵌入到教務(wù)管理系統(tǒng)中，實現(xiàn)了課程內(nèi)容、教學(xué)內(nèi)容和電子儲備資源的實時交互。南京郵電大學(xué)學(xué)者提出建立一個開放、創(chuàng)新、合作、智慧化的綜合性信息服務(wù)平臺，基于這個平臺，教師、學(xué)生和管理人員可以定制基于角色的個性化服務(wù)，充分感知不同的教學(xué)資源，實現(xiàn)工作、生活、學(xué)習(xí)的互動、共享和合作環(huán)境，實現(xiàn)教育信息資源的有效收集、分析、應(yīng)用和服務(wù)[8]。因此，智慧校園的引入是新一代信息技術(shù)發(fā)展的必然產(chǎn)物，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入智慧校園建設(shè)，必將使智慧校園更加完善，為高校穩(wěn)定快速發(fā)展提供了便利[9-10]。

1 智慧校園的現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)

智慧校園的物聯(lián)網(wǎng)強調(diào)通過建立相關(guān)鏈接來構(gòu)建一個智慧服務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)人員、機器、樓宇和管理之間的數(shù)據(jù)信息交互，實現(xiàn)對人、物的定位、管理和控制。圖1所示是基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園具體模型框架，其主要包括傳感層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

傳感層位于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的底部，是數(shù)據(jù)信息采集的關(guān)鍵部分，能用分布計算的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合，為各類數(shù)據(jù)的推送和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)支持。傳感層包括各種智能終端接入設(shè)備，如手機、平板等，以及其他環(huán)境傳感器設(shè)備，如視頻音頻輸入設(shè)備、射頻識別系統(tǒng)、智能傳感器、GPS、傳感器網(wǎng)絡(luò)接入網(wǎng)關(guān)、中間件等。傳感層不僅可以通過接口從硬件設(shè)備和環(huán)境條件中獲取信息，還可以提供所有收集信息的人工反饋，實現(xiàn)對身份、環(huán)境、位置和需求的信息采集、捕獲和對象識別。

網(wǎng)絡(luò)層是由傳感設(shè)備接入的通信網(wǎng)絡(luò)，其功能主要是將互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)（3G和4G）和衛(wèi)星通信網(wǎng)等融合在一起，建立統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)平臺，提供穩(wěn)定、安全的網(wǎng)絡(luò)傳輸，使各項業(yè)務(wù)的協(xié)作成為可能。網(wǎng)絡(luò)層主要通過網(wǎng)絡(luò)訪問所有感知設(shè)備，將從環(huán)境中感知到的所有信息轉(zhuǎn)換為相關(guān)的語義信息。然后對感知信息進行分析，通過校園云存儲和計算相關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對服務(wù)的記錄和云服務(wù)的發(fā)現(xiàn)與組合。

應(yīng)用層是各種現(xiàn)有數(shù)字應(yīng)用系統(tǒng)的融合，通過將信息服務(wù)整合到各類信息系統(tǒng)中，實現(xiàn)校園門禁管理、考勤管理、便捷繳費、實時監(jiān)控、教室智慧控制、圖書管理和各類公共設(shè)施管理等功能，構(gòu)建和諧、生態(tài)、和平、綠色的校園，將智慧管理融入校園管理的各個方面，為教學(xué)、科研和管理提供智慧支撐。

高校信息化建設(shè)在發(fā)展的過程中，已經(jīng)形成了有線網(wǎng)和無線網(wǎng)相結(jié)合的基本網(wǎng)絡(luò)。在此基礎(chǔ)上，建立具有各種應(yīng)用的數(shù)字校園，如辦公自動化、各種郵件系統(tǒng)、卡片系統(tǒng)、科研管理系統(tǒng)和學(xué)術(shù)服務(wù)系統(tǒng)。但是由于各種系統(tǒng)都是周期性地構(gòu)建，而不是統(tǒng)一地規(guī)劃和部署，因此缺乏統(tǒng)一的信息門戶和身份認證，每個系統(tǒng)都各自進行劃分和設(shè)置規(guī)則。因此，形成了許多信息孤島，造成數(shù)據(jù)冗余，不利于統(tǒng)一數(shù)據(jù)和協(xié)同工作，也不能滿足全面實現(xiàn)教學(xué)和教育信息現(xiàn)代化，以及提供各種智慧化綜合信息服務(wù)的需要。在這個信息化建設(shè)的過程中，必須整合目前的資源，建立一個基于數(shù)據(jù)融合的智慧校園，統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心與數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)，統(tǒng)一信息門戶和身份驗證。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園發(fā)展應(yīng)用

在智慧校園領(lǐng)域，學(xué)習(xí)、生活和工作的過程是通過在線系統(tǒng)進行的，這使得學(xué)生、教師和管理人員可以隨時隨地通過網(wǎng)絡(luò)參與學(xué)習(xí)和工作。智慧教室是智慧校園的一個典型應(yīng)用，可以利用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)提供智慧服務(wù)。與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化教室相比，智慧教室最主要的特點是可以實現(xiàn)智能監(jiān)控、反饋和管理。圖2為智慧教室整體設(shè)計方案。

智慧教室由多個模塊組成，包括智能識別、安防監(jiān)控、門禁系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測、智能窗簾、燈光控制和智能遙控等模塊，可實現(xiàn)智慧的“教”，智慧的“學(xué)”和智慧的“管”。智慧教室的各個模塊融合構(gòu)成了六大系統(tǒng)，可實現(xiàn)的主要功能包括：教務(wù)考勤管理系統(tǒng)、智慧教學(xué)系統(tǒng)、智能設(shè)備管理系統(tǒng)、智能環(huán)境監(jiān)系統(tǒng)、智能安防監(jiān)控系統(tǒng)和智能電器控制系統(tǒng)。

智慧教學(xué)系統(tǒng)的主要設(shè)備包括電子白板、投影儀、教師和學(xué)生計算機、音頻輸入/輸出設(shè)備、多媒體控制器等，可實現(xiàn)教師和學(xué)生的在線互動，資源共享和分發(fā)，以及遠程/本地視頻通信。智能設(shè)備管理系統(tǒng)采用高頻讀卡設(shè)備對教室內(nèi)的設(shè)備進行監(jiān)控管理，通過有線或無線方式進行遠程登錄控制及儀器設(shè)備的管理。智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)利用各類傳感器采集的數(shù)據(jù)，可達到實時監(jiān)測當(dāng)前環(huán)境具體數(shù)據(jù)的效果，并反饋至上位機設(shè)備，上位機對數(shù)據(jù)分析后，將下達相應(yīng)調(diào)整及控制命令，使得控制過程更加智能高效。智能安防監(jiān)控系統(tǒng)在教室中安裝煙霧傳感器、門禁傳感器、紅外傳感器、聲光報警器和煙霧監(jiān)測傳感器，實時監(jiān)測周圍的環(huán)境信息，當(dāng)有危險發(fā)生時，傳感設(shè)備將監(jiān)測到具體數(shù)據(jù)并向主機發(fā)出報警信號。智能電器控制系統(tǒng)利用傳感器感知教室內(nèi)情況，當(dāng)房間里沒有人時，燈光會自動熄滅，如果有人時，燈就會自動亮起來，根據(jù)光照的強弱，室內(nèi)窗簾可以自動拉開或閉合等。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可被應(yīng)用在智慧校園的各個方面，如智慧教室的建設(shè)、推廣和應(yīng)用能夠大大優(yōu)化教學(xué)資源的配置，通過物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)平臺可實現(xiàn)對校園內(nèi)教室、實驗室、學(xué)生、教師和管理人員等教學(xué)資源進行統(tǒng)計、分析和管理。