基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園構(gòu)建

摘要：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，在普通高校智慧校園建設(shè)過程中發(fā)揮著重要作用。以基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧校園體系建設(shè)為載體，闡釋物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，分析智慧校園建設(shè)中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用組成部分及作用，同時(shí)對智慧校園建設(shè)中存在的問題進(jìn)行梳理，并展望未來技術(shù)發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);智慧校園;教育建設(shè)

DOI： 10. 11907/rjdk.191864

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-7800（ 2020）004-0208-03

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推進(jìn)了教育信息化發(fā)展，使教學(xué)及相關(guān)管理更加多樣化、人性化、智慧化，為智慧校園建設(shè)與實(shí)施提供了技術(shù)保障[1]，對于提升教學(xué)質(zhì)量具有重要意義?；谖锫?lián)網(wǎng)的智慧校園體系建設(shè)及技術(shù)成為重要研究課題。

目前，關(guān)于智慧校園構(gòu)建的研究分析主要集中在智慧校園信息化建設(shè)背景、設(shè)計(jì)與架構(gòu)上。沈霞娟等[2]認(rèn)為智慧校園信息化建設(shè)應(yīng)包括網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)支持平臺和智慧應(yīng)用服務(wù)3項(xiàng)內(nèi)容;蔣東興等[3]將智慧校園體系結(jié)構(gòu)劃分為智能感知層、網(wǎng)絡(luò)通信層、大數(shù)據(jù)層、智慧校園應(yīng)用層、自適應(yīng)交互平臺和支撐保障體系;任軍利[4]提出利用現(xiàn)代信息技術(shù)，整合高校資源，達(dá)到資源共享，實(shí)現(xiàn)校園智慧化功能;王凌云等[5]提出通過高速處理海量數(shù)據(jù)，為智慧校園建設(shè)提供動(dòng)態(tài)服務(wù)。通過梳理國內(nèi)外智慧校園建設(shè)研究現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)智慧校園建設(shè)基本理念是基于信息基礎(chǔ)設(shè)施的完善以提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，通過資源整合方式實(shí)現(xiàn)資源共享。本文以基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧校園體系建設(shè)為主題，總結(jié)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧校園建設(shè)中的應(yīng)用，對智慧校園建設(shè)中存在的問題進(jìn)行深入分析，指出未來技術(shù)發(fā)展方向。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧校園建設(shè)中的應(yīng)用

智慧校園建設(shè)主要面向師生，目的是搭建針對師生在校日常生活、教學(xué)教務(wù)管理和教育資源共享的數(shù)字化建設(shè)平臺[6]。智慧校園以智能感知和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)作及與外部交流進(jìn)行接口交流和感知，實(shí)踐證明物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)非常適合智慧校園開發(fā)建設(shè)，以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的智慧校園建設(shè)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與外部相互感知及交流是物聯(lián)網(wǎng)的重要成分。

1.1 教學(xué)建設(shè)

在校園網(wǎng)建設(shè)中，對用戶設(shè)置3種類型賬戶，分別是管理員、教師及學(xué)生。管理員賬戶擁有網(wǎng)絡(luò)最高權(quán)限，可對教師賬戶及學(xué)生賬戶基本資料和權(quán)限進(jìn)行修改與控制，同時(shí)可查看所有賬戶全部信息。教師賬戶和學(xué)生賬戶僅能查看自己的信息，且無權(quán)修改，但教師賬戶使用校園網(wǎng)的范圍廣于學(xué)生賬戶，教師賬戶在校園內(nèi)均可使用校園網(wǎng)，學(xué)生賬戶只能在特定范圍內(nèi)才能使用校園網(wǎng)。例如在教室里，教師賬戶可以在多媒體上使用校園網(wǎng)進(jìn)行資料查詢，而學(xué)生賬戶在教室內(nèi)沒有上網(wǎng)權(quán)限，在圖書館與自習(xí)室內(nèi)則可以進(jìn)行網(wǎng)上查詢操作。在每個(gè)教室里安裝多媒體，并且保證每個(gè)多媒體之間網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，相互之間可以訪問，進(jìn)行資源共享。同時(shí)在校園中所有需要聯(lián)網(wǎng)操作的地方均必須使用校園網(wǎng)，方便實(shí)時(shí)監(jiān)控校園內(nèi)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)向，保障網(wǎng)絡(luò)安全。

1.2 環(huán)境建設(shè)

在教室里安裝智能窗簾與噪聲監(jiān)測器，根據(jù)光線感應(yīng)系統(tǒng)對室外光線、燈光及投影亮度的判斷，適時(shí)調(diào)整窗簾狀態(tài)，給師生營造一個(gè)良好的教學(xué)環(huán)境;聲音感應(yīng)系統(tǒng)根據(jù)上課時(shí)的聲音大小判斷是否為噪聲，若聲音過大則會進(jìn)行警報(bào)提醒，警報(bào)次數(shù)過多會有相關(guān)監(jiān)督老師過來查看，進(jìn)行秩序維護(hù)和課堂情況記載，扣除相應(yīng)班級分?jǐn)?shù)，以此可有效維護(hù)課堂秩序，培養(yǎng)學(xué)生課堂學(xué)習(xí)自覺性，方便學(xué)校對班級和老師進(jìn)行考核打分，對教學(xué)管理起到很大幫助。

紅外線感應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用可以有效節(jié)約校內(nèi)資源，加強(qiáng)校園智能化建設(shè)。走廊燈使用紅外線感應(yīng)燈，在有人時(shí)自動(dòng)開燈，離開時(shí)燈熄滅，節(jié)約用電;在廁所中安裝感應(yīng)式水龍頭，只有將手放在水龍頭下時(shí)才會有水流出，在手離開時(shí)，水會隨之停止，可以有效減少水資源浪費(fèi)。

1.3 -卡通管理建設(shè)

一卡通是為學(xué)生在校生活提供便利的一個(gè)重要工具[7]。在卡中利用RFID電子標(biāo)簽植入用戶信息，每人有且只有一張卡。校園卡既方便學(xué)生攜帶又方便管理員管理與維護(hù)。其主要功能包括：身份認(rèn)證識別系統(tǒng)、校園餐飲收費(fèi)管理系統(tǒng)、校園一卡通圖書館管理系統(tǒng)等其它管理系統(tǒng)。在每一收費(fèi)處設(shè)置RFID閱讀器，當(dāng)卡放在設(shè)備上時(shí)，后臺服務(wù)器采集用戶信息，并將卡內(nèi)余額顯示在設(shè)備上，卡內(nèi)金額交易根據(jù)收費(fèi)員實(shí)際操作進(jìn)行扣款與充值，比如在食堂用餐、超市購買物品、宿舍購買熱水及充值。若卡內(nèi)余額不足，將提示余額不足信息，只有在卡內(nèi)額度充足時(shí)才能進(jìn)行消費(fèi)操作。

1.4 圖書管理建設(shè)

圖書管理建設(shè)主要是RFID技術(shù)、定位系統(tǒng)以及紅外線感應(yīng)器的綜合運(yùn)用。圖書館門禁系統(tǒng)采用RFID技術(shù)對人館人員進(jìn)行身份識別[8]，在校園一卡通里裝有唯一可識別的芯片，在刷卡進(jìn)入時(shí)，由感應(yīng)系統(tǒng)識別芯片并確認(rèn)身份。

圖書館管理重點(diǎn)是圖書，每一本書籍貼有唯一的RFID標(biāo)簽（二維條形碼），館內(nèi)多處設(shè)有閱讀器，由閱讀器將書籍定位信息發(fā)送給主服務(wù)器，在登錄服務(wù)器之后，可以查看所有圖書信息，并且只有管理員可以進(jìn)行該操作。在大廳設(shè)置導(dǎo)航電腦，借閱人員可通過電腦查詢圖書基本信息，如書籍位置、圖書簡介、作者介紹等，電腦聯(lián)網(wǎng)操作也必須使用校園網(wǎng)，校園網(wǎng)管理員可對其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理。借閱圖書時(shí)，管理員需使用紅外線感應(yīng)器設(shè)備對圖書進(jìn)行消磁操作，方可成功借閱圖書，在圖書館門口設(shè)置相應(yīng)感應(yīng)器，若圖書未進(jìn)行消磁，設(shè)備將發(fā)出警報(bào)提醒，以免圖書丟失。同時(shí)在歸還圖書時(shí)，需要對圖書進(jìn)行充磁操作，確保圖書能及時(shí)放回原處，方便圖書下次被借閱。

1.5 安全管理建設(shè)

校園建設(shè)重點(diǎn)之一是安全建設(shè)，無論是校內(nèi)師生、工作人員還是校外人員，其人身安全在校內(nèi)都需得到有效保障。除安保人員外，門禁和讀卡設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備、安全通信控制系統(tǒng)都是安全管理建設(shè)中的關(guān)鍵應(yīng)用。其中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)揮著很大作用，其典型應(yīng)用為RFID、電子攝像頭等智能終端。在校園各個(gè)教學(xué)樓、主干道及角落處均安裝攝像監(jiān)控，將校園劃分后進(jìn)行分塊管理，每個(gè)區(qū)域均設(shè)置一個(gè)監(jiān)控室，安排工作人員實(shí)時(shí)監(jiān)控校園狀況，確保人員安全。

除校內(nèi)人員人身安全外，校內(nèi)貴重的教學(xué)設(shè)備安全也很重要[9]，比如教室多媒體、實(shí)驗(yàn)室電腦以及其它重要實(shí)驗(yàn)設(shè)備等。在不易挪動(dòng)的貴重設(shè)備裝上有包含基本信息的RFID標(biāo)簽，將標(biāo)簽嵌入設(shè)備，并設(shè)置警報(bào)裝置，在操作不當(dāng)或設(shè)備故障時(shí)可自動(dòng)發(fā)出警報(bào)提醒。在機(jī)房及有重要電子設(shè)備的地方需裝上溫度、濕度及煙霧報(bào)警器，在發(fā)生事故時(shí)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取有效措施，減少設(shè)備損失。

2 智慧校園建設(shè)架構(gòu)

2.1 建設(shè)規(guī)劃

以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的智能管理系統(tǒng)主要由4個(gè)技術(shù)體系層面有效整合而成，其主要包括：感知與控制層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺服務(wù)層、應(yīng)用服務(wù)層[10]。其中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧校園中的建設(shè)主要通過感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)處理層3個(gè)層面的建設(shè)實(shí)現(xiàn)，本部分將基于這3個(gè)層面展開分析。

2.2 建設(shè)方案

2.2.1 感知層建設(shè)

（I）RFID子網(wǎng)。在RFID子網(wǎng)中，根據(jù)射頻識別獨(dú)有的特點(diǎn)——自動(dòng)識別，可以通過閱讀器發(fā)射無線電信號讀取并獲得物體相關(guān)數(shù)據(jù)信息，主要由電子標(biāo)簽和閱讀器兩部件組成。根據(jù)獲取信息數(shù)據(jù)距離的遠(yuǎn)近，可以將RFID分為低頻、中頻、高頻以及超高頻四大類。由于大部分高校已廣泛使用校園一卡通，因此校園一卡通建設(shè)可以在RFID校園子網(wǎng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)。關(guān)于RFID校園子網(wǎng)建設(shè)，本次設(shè)計(jì)方案采用校園卡和移動(dòng)通訊技術(shù)相結(jié)合，并基于RFID 2.4 GHz頻率融合手機(jī)SIM卡技術(shù)的特殊實(shí)現(xiàn)方式，使校園卡和電話卡兩卡合一，把校園卡作為內(nèi)部RFID識別基本媒介。其中RF-SIM卡是可實(shí)現(xiàn)中短距離之間無線通信的手機(jī)智能卡，通過它可以進(jìn)行消費(fèi)、身份識別等操作，是一個(gè)多功能的全方位服務(wù)平臺。

（2）二維碼子網(wǎng)。二維條碼是按一定規(guī)律在平面上分布的黑白相間的圖形，它是一種特定的幾何圖形，用來記錄數(shù)據(jù)符號信息，通過光電掃描設(shè)備對其進(jìn)行掃描，讀取和識別其中包含的信息。二維碼在校園中的應(yīng)用非常廣泛，主要集中在對圖書館書籍管理、機(jī)房內(nèi)重要設(shè)備管理及校內(nèi)物資入庫、出庫管理、出庫內(nèi)部管理和貨物配送等環(huán)節(jié)。由于圖書館各房間大小不同、機(jī)房樓層間距較大，導(dǎo)致二維碼分布比較分散，可以通過建設(shè)數(shù)據(jù)采集基站有效解決該問題。二維碼具體作用如下：首先是入庫管理，在物資上貼上二維條形碼標(biāo)簽，通過標(biāo)簽可識別物資存放信息和特征信息，并將其信息存放在數(shù)據(jù)庫;其次是出庫管理，在物資出庫時(shí)掃描上面的二維碼，確認(rèn)物資信息，再確認(rèn)無誤后更改庫存狀態(tài);然后是出庫內(nèi)部管理，庫存盤點(diǎn)和出庫備貨過程均需使用二維條碼;最后是貨物配送階段，在配送物資之前，將配送物資的資料由終端傳輸?shù)侥康牡兀x出待配送的物品并掃描其二維條碼，確認(rèn)配送完該物品后，終端顯示出相應(yīng)提示，并確認(rèn)配送情況。

（3）傳感器子網(wǎng)。傳感器是物聯(lián)網(wǎng)核心元件，就像人體神經(jīng)末梢，它對外界變化的感知最迅速、敏感，是感知外界變化的關(guān)鍵，而且傳感器配備是基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園建設(shè)完整構(gòu)成的必備條件。傳感器的作用是存儲擁有二維碼及RFID識別工作物品的關(guān)鍵信息，在物品信息發(fā)生改變時(shí)，通過傳感器可及時(shí)更新，改變物品信息，即時(shí)檢測物品實(shí)時(shí)信息。傳感器不僅在物品信息改變的識別上體現(xiàn)了敏感性，更重要的是傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的可靠傳輸，這對物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)與應(yīng)用具有重大意義。

2.2.2 傳輸層建設(shè)

校園網(wǎng)建設(shè)是傳輸層建設(shè)的基礎(chǔ)，目前大部分高校已建立校園網(wǎng)。加快無線校園網(wǎng)建設(shè)的步伐，使基于物理網(wǎng)技術(shù)的管理范圍更廣，同時(shí)還應(yīng)加大移動(dòng)服務(wù)構(gòu)建頻率、無線傳輸通道建設(shè)和路由器建設(shè)，這三者是無線傳輸通道建設(shè)的主要內(nèi)容，也是傳輸層中的重要傳輸媒介。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理層建設(shè)

數(shù)據(jù)處理層建設(shè)是智慧校園建設(shè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，通過對用戶信息的分析處理實(shí)現(xiàn)信息判斷。在已有技術(shù)基礎(chǔ)上通過對各種軟件的有效利用與融合，建立智慧校園軟件平臺，通過對軟件平臺的使用實(shí)現(xiàn)校園管理智能化，在這個(gè)過程中有兩個(gè)重要應(yīng)用。

首先是校內(nèi)管理應(yīng)用，包含學(xué)生教學(xué)管理、后勤管理、學(xué)生管理、圖書館管理、教職工和學(xué)生考勤等，建立完善的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，同時(shí)構(gòu)建統(tǒng)一的信息平臺。比如教務(wù)管理系統(tǒng)、智能后勤管理系統(tǒng)、圖書管理系統(tǒng)等，利用這些系統(tǒng)可以有效提高教學(xué)質(zhì)量與水平。

其次是對校內(nèi)人員身份識別的應(yīng)用，主要是門禁身份識別系統(tǒng)，其中包含實(shí)驗(yàn)室、教室、圖書館、車禁，學(xué)生宿舍等門禁身份系統(tǒng)，在校園內(nèi)建立一套完整的身份識別系統(tǒng)，通過RFID、校園一卡通和二維條碼識別確認(rèn)身份，加強(qiáng)安全建設(shè)。

3 問題及發(fā)展方向

智慧校園建設(shè)相關(guān)研究表明，在實(shí)際構(gòu)建過程中還存在諸多問題。目前智慧校園研究集中于技術(shù)應(yīng)用層面，對物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的意義和作用強(qiáng)調(diào)得較多，對教育教學(xué)方面考慮較少。智慧校園概念還需普及，相關(guān)技術(shù)也有待進(jìn)一步發(fā)展，智慧校園不會在短時(shí)間內(nèi)取代數(shù)字校園。在教育領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用還需加強(qiáng)，其上升空間較大。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧校園建設(shè)促使數(shù)字校園向智慧校園轉(zhuǎn)化，對教育質(zhì)量的提高有重要作用，同時(shí)也開拓了教育信息化與智能化的新邊界。目前教育正處于變革階段，教育信息化與智能化起著重要促進(jìn)作用，它們既提升了教學(xué)和管理質(zhì)量，也加快了教育科研、秩序管理和政策的實(shí)施與融合。教育管理信息化與智能化還需在實(shí)踐中繼續(xù)積累經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建更好的環(huán)境和更完善的建設(shè)體系。

目前在智慧校園建設(shè)中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與其它技術(shù)之間的聯(lián)系并不密切，大部分應(yīng)用使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，技術(shù)應(yīng)用單一，應(yīng)著力打破技術(shù)壁壘。人工智能與云計(jì)算技術(shù)已逐漸在智慧校園中得到應(yīng)用，具體措施包括在校園安保中設(shè)置基于人臉識別的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在圖書館內(nèi)設(shè)置自動(dòng)借書還書系統(tǒng)等，既節(jié)約人力成本，同時(shí)也可進(jìn)一步確保校園安全，提高工作效率。未來智慧校園建設(shè)必將融合更多的智能技術(shù)。

4 結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行智慧校園建設(shè)是高等院校智慧校園建設(shè)發(fā)展的主要方向。相關(guān)技術(shù)改進(jìn)依賴于人工智能與云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[11]，未來應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)之間的深度融合，探索新的建設(shè)方式，以創(chuàng)造更高價(jià)值。

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（責(zé)任編輯：江艷）

作者簡介：朱倩（1983-），女，碩士，武漢科技大學(xué)城市學(xué)院信息工程學(xué)部講師，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)、信息技術(shù)教育。