基于云架構(gòu)下智慧校園設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

丁勝和

（唐山師范學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心，河北 唐山 063000）

0 引言

近幾十年來(lái)，全球互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的高速發(fā)展，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的層層疊新，讓幾千年的人類社會(huì)生活發(fā)生了翻天覆地的變化，都在讓人們生產(chǎn)與生活中的所有一切在高速發(fā)生改變。過去，我們沒有電腦，網(wǎng)絡(luò)并不發(fā)達(dá)，我們也不能像現(xiàn)在一樣，即刻便能知道距我們數(shù)千里地方發(fā)生的事情。在通信還沒有那么發(fā)達(dá)的時(shí)代，遇到緊急的事情，也只能采取人傳人的方式進(jìn)行通知，一件事情經(jīng)過層層的傳遞，可能傳到自己這里，事情也早已結(jié)束，信息的延遲和錯(cuò)漏是時(shí)常有的事。

所以，到了今天，任何一個(gè)人都能通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)了解世界各地發(fā)生的事情，信息的高效傳輸使得社會(huì)更加注重智能化管理。從提出“智慧地球”到“智慧城市”，校園的信息發(fā)展也由過去的“數(shù)字校園”逐步發(fā)展到“智慧校園”，一種全新的結(jié)合教育、科研、管理和校園生活的管理模式應(yīng)運(yùn)而生。實(shí)現(xiàn)更加智能、便攜、簡(jiǎn)單的校園管理更加的符合大眾需求，也成為一件刻不容緩的事。

1 智慧校園需求分析

智慧校園是現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)和教育模式的結(jié)合，以物聯(lián)網(wǎng)為依托，為校園環(huán)境提供全面的感知層。運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)和 AI技術(shù)，為教育教學(xué)和管理搭建高效、開放、智能的校園平臺(tái)，智慧校園是未來(lái)教育的發(fā)展方向。最開始，學(xué)校的信息管理并不能進(jìn)行線上共享，信息化管理還不夠完善，各類信息都是相互獨(dú)立的，它們之間有獨(dú)立的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，相互之間并不關(guān)聯(lián)。使用的時(shí)候，需要通過多個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行操作查詢，很多信息只能通過線下共享的方式進(jìn)行傳輸，這給教育和管理帶來(lái)了很多的不便。于是很多高校開始追求線上信息共享，建立線上統(tǒng)一數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)，數(shù)字校園由此誕生。數(shù)字校園的主要目的是線上數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)的構(gòu)建，將線下信息升級(jí)為線上一鍵共享，建立統(tǒng)一的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，讓每個(gè)獨(dú)立的業(yè)務(wù)可以相互關(guān)聯(lián)，不用再登錄多個(gè)系統(tǒng)就可以查詢和分享數(shù)據(jù)信息。但是，數(shù)字校園依舊只能達(dá)到作為輔助的水平，雖然比以往便利了許多，但卻沒有到不可缺少的地步。

隨著網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)， 4G、5G的出現(xiàn)，人們的需求也越來(lái)越多，數(shù)字校園遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了現(xiàn)代人對(duì)于網(wǎng)絡(luò)便捷的需要，后續(xù)開始有人提出“智慧校園”。在這個(gè)階段，將實(shí)現(xiàn)面向管理的個(gè)性化服務(wù)，通過物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信的便捷，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人以及人與人之間的相互傳輸和關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)全面智能的開放式教育環(huán)境和便攜、簡(jiǎn)單的生活氛圍，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)高校教、科、研，以及生活、娛樂、交通、安防等各個(gè)方面的精細(xì)化管理。

2 智慧校園產(chǎn)品

如今，智慧校園已經(jīng)運(yùn)用到從教育、科研、管理、生活等方方面面。例如：

（1）智能校門，通過云數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行管理，涵蓋到學(xué)校的人事考勤、訪客登記、門禁安防等。應(yīng)用人臉識(shí)別技術(shù)，在校門口宿舍或其他重點(diǎn)區(qū)域等出入口安裝閘機(jī)或門禁，實(shí)現(xiàn)學(xué)生刷臉出入，從而有效的提升校園安全管理。全校區(qū)刷臉通行，可以從根本上解決校園 IC卡，忘帶卡丟卡和冒用他人 IC卡出入的情況發(fā)生，提高工作效率，保障校園安全。

（2）手機(jī)借書，傳統(tǒng)的圖書館借書都需要有借閱證或者學(xué)生證，一不小心忘帶借閱證就沒辦法去圖書館自習(xí)、借閱了，如今，借助物聯(lián)網(wǎng)線上通信，智慧校園系統(tǒng)全面對(duì)接圖書館系統(tǒng)，通過手機(jī)就可以查詢到所有的借閱、歸還信息，應(yīng)用人臉技術(shù)配合攝像頭，學(xué)生還可實(shí)現(xiàn)圖書館刷臉自助借還書籍，運(yùn)用人臉技術(shù)可解決學(xué)生自助結(jié)賬和圖書借閱場(chǎng)景中傳統(tǒng) Ic卡忘帶或丟失盜刷的問題，同時(shí)可以避免傳統(tǒng)的人工排隊(duì)造成效率低下的情況提升校園生活便利性，大大降低學(xué)校的人工管理成本。

（3）智慧教室，相較于傳統(tǒng)課堂，學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和教學(xué)決策智能依賴于老師的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，而智慧教室可以通過學(xué)生的行為和各類數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，用更直觀的方式全面了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，從而調(diào)整教學(xué)策略。另外，傳統(tǒng)教室環(huán)境比較差，經(jīng)常一個(gè)教室容納有幾十甚至上百人，空氣不夠清新，燈光昏暗，教室里面，冬天冷夏天熱，坐在教室里根本無(wú)心學(xué)習(xí)。而這些問題，通過智慧教室就可以得以解決，因?yàn)橹腔劢淌铱梢愿鶕?jù)學(xué)生不同時(shí)段身體狀況，自動(dòng)檢測(cè)環(huán)境溫度、濕度，調(diào)節(jié)室外景觀照明自動(dòng)設(shè)置，為學(xué)生提供一個(gè)安全舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境，將自然因素降到最低。

3 智慧校園云架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)云計(jì)算的服務(wù)模式，整個(gè)智慧校園支撐服務(wù)平臺(tái)采用云架構(gòu)，其體系架構(gòu)圖如圖1所示。將智慧校園支撐服務(wù)平臺(tái)的體系架構(gòu)劃分為基礎(chǔ)設(shè)施、平臺(tái)支撐層、軟件應(yīng)用層。

圖1 智慧校園支撐服務(wù)平臺(tái)體系架構(gòu)

3.1 基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層主要包括服務(wù)器、存儲(chǔ)集群、基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備，構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備資源，基礎(chǔ)設(shè)施層對(duì)智慧校園平臺(tái)和應(yīng)用提供基礎(chǔ)服務(wù)支撐，利用云計(jì)算的特性，為數(shù)據(jù)計(jì)算提供強(qiáng)大的支撐力，并且可以在不影響上層結(jié)構(gòu)的情況下隨時(shí)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施層進(jìn)行擴(kuò)充和升級(jí)。

3.2 平臺(tái)支撐層

平臺(tái)支撐層主要包括分布式存儲(chǔ)與計(jì)算平臺(tái)、統(tǒng)一身份認(rèn)證平臺(tái)、服務(wù)訪問平臺(tái)，提供計(jì)算和數(shù)據(jù)服務(wù)，為用戶注冊(cè)、單點(diǎn)登錄、服務(wù)查找、服務(wù)注冊(cè)提供功能支撐，利用云計(jì)算的特性，可以做到負(fù)載均衡、備份容災(zāi)和提供接口服務(wù)。平臺(tái)支撐層是整個(gè)智慧校園建設(shè)的核心，支撐服務(wù)平臺(tái)提供核心的平臺(tái)服務(wù)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)計(jì)算、用戶認(rèn)證等進(jìn)行集中的控制和管理，統(tǒng)一為上層應(yīng)用服務(wù)。

3.3 軟件應(yīng)用層

軟件應(yīng)用層主要包括課程管理、設(shè)備管理、服務(wù)管理、虛擬實(shí)驗(yàn)室、電子檔案中心、電子文件中心等。通過基礎(chǔ)設(shè)施層和平臺(tái)支撐層的支撐，軟件應(yīng)用層構(gòu)建了智慧校園的智慧學(xué)習(xí)、校園智慧管理、安防設(shè)施、手機(jī)借書、AI人臉識(shí)別、智慧教室等智慧產(chǎn)品，滿足了教學(xué)和科研的應(yīng)用，并為教職工和學(xué)生的校園生活提供了便利。

4 智慧校園的實(shí)現(xiàn)

在建立好整個(gè)云架構(gòu)服務(wù)平臺(tái)基礎(chǔ)上，平臺(tái)與數(shù)據(jù)服務(wù)支撐已經(jīng)完成，接下來(lái)學(xué)校需要對(duì)整個(gè)學(xué)校資源、數(shù)據(jù)平臺(tái)、教學(xué)場(chǎng)所等進(jìn)行測(cè)試和實(shí)驗(yàn)性改造。主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行實(shí)現(xiàn)：

4.1 網(wǎng)絡(luò)層面的實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)是建設(shè)智慧校園的基礎(chǔ)，所有的系統(tǒng)和數(shù)據(jù)都需要通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸和運(yùn)行，沒有網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)就不能流動(dòng)，因此，建設(shè)智慧校園，沒有網(wǎng)絡(luò)是無(wú)法進(jìn)行的。

（1）校園網(wǎng)的建設(shè)。在學(xué)校的多個(gè)地方，例如教學(xué)樓、圖書館、行政樓、學(xué)生宿舍、操場(chǎng)、機(jī)房等建立多個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)，安裝無(wú)線路由器等設(shè)備，在各個(gè)區(qū)域搭建無(wú)線局域網(wǎng)，使校園的各個(gè)終端都可以通過校園網(wǎng)進(jìn)行鏈接。

（2）物聯(lián)網(wǎng)的搭建。物聯(lián)網(wǎng)的搭建是整個(gè)智慧校園的核心。物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是通過各類傳感器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并集中傳輸?shù)街腔坌@管理終端進(jìn)行統(tǒng)一處理和分析，所以，物聯(lián)網(wǎng)是支撐智慧校園數(shù)據(jù)的重要一環(huán)。物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備主要有煙霧傳感器、紅外傳感器、空氣傳感器、雨水傳感器、智能攝像頭、智能開關(guān)、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、溫度傳感器、濕度傳感器、亮度傳感器等，通過各個(gè)傳感器收集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)接入智慧校園平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)智慧教室、身份識(shí)別、門禁安防、手機(jī)借閱等動(dòng)能。

（3）網(wǎng)絡(luò)融合。在學(xué)校數(shù)字化校園的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)人臉識(shí)別、AI技術(shù)，通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行高效互聯(lián)，從而在學(xué)校原有的基礎(chǔ)上打造升級(jí)成智慧校園。另外，通過增加無(wú)線 AP、網(wǎng)絡(luò)終端，提高校園帶寬，使校園內(nèi)的各種終端都可以暢通無(wú)阻的連接校園網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)校園的高效溝通。

4.2 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

在整個(gè)智慧校園的設(shè)計(jì)規(guī)劃、云架構(gòu)確定下來(lái)后，接下來(lái)需要對(duì)整個(gè)智慧校園的各個(gè)功能模塊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。下文將以智慧教室、智慧教學(xué)為例。

（1）智慧教室的實(shí)現(xiàn)。將教師、學(xué)生、智慧平臺(tái)相互打通成云共享空間，教師在共享空間進(jìn)行課前備課和上傳導(dǎo)學(xué)資料，學(xué)生通過共享空間進(jìn)行預(yù)習(xí)。授課時(shí)老師通過掃碼獲取備課課件并與學(xué)生互動(dòng)教學(xué)，課后的作業(yè)及習(xí)題學(xué)生通過共享空間學(xué)習(xí)測(cè)試，整個(gè)過程智慧平臺(tái)將全程收集，并用于教學(xué)數(shù)據(jù)分析。另外，還需對(duì)教室環(huán)境和設(shè)備進(jìn)行管控，通過傳感器對(duì)教室的溫度、濕度、亮度進(jìn)行采集，系統(tǒng)根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)對(duì)溫度、濕度、亮度和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行控制，保證整個(gè)教室環(huán)境的舒適。智慧教室通過紅外線，智能開關(guān)等方式來(lái)遠(yuǎn)程和智能的管理控制教室內(nèi)的所有設(shè)備。如教室投影儀、顯示器、電腦幕布，空調(diào)、電風(fēng)扇，燈光，窗簾、門窗和排氣系統(tǒng)。通過環(huán)境感知或講臺(tái)上的控制終端以及智慧教室管理平臺(tái)自動(dòng)或手動(dòng)的進(jìn)行設(shè)備的調(diào)節(jié)和開關(guān)，真正做到人來(lái)即開，人走即關(guān)，節(jié)約能源。

（2）智慧教學(xué)的實(shí)現(xiàn)。智慧校園最終目的以教學(xué)服務(wù)為主，通過線上教學(xué)和線下教學(xué)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智慧教學(xué)的目的。首先，利用云架構(gòu)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和搭建的基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施，將學(xué)校所有的資源進(jìn)行整合，搭建一個(gè)線上訪問共享平臺(tái)，讓學(xué)生和教師可以通過線上平臺(tái)登錄訪問教育資源。教師可以將平常上課的筆記、教學(xué)資料、PPT課件、錄播課以及課后作業(yè)上傳到線上系統(tǒng)平臺(tái)，學(xué)生可以通過自己的賬號(hào)，在電腦或者手機(jī)上隨時(shí)隨地進(jìn)行登錄查看，從而實(shí)現(xiàn)智慧教學(xué)的目的。