“感知校園”應(yīng)用分析與設(shè)計(jì)研究

（青島理工大學(xué) 琴島學(xué)院，山東 青島 266106）

0 引言

為了更好地提高校園信息化和加強(qiáng)校園安全建設(shè)[1]，在校園的不同位置安裝視頻監(jiān)控設(shè)備，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，借助相關(guān)算法來完成視頻識別，分析采集到的數(shù)據(jù)特征，將識別出的信息數(shù)跟標(biāo)準(zhǔn)庫對比，判斷在該監(jiān)控點(diǎn)的安全值是否超出規(guī)定預(yù)警上限，從而確定校園安全風(fēng)險(xiǎn)級別。依據(jù)級別的數(shù)值，啟動預(yù)警設(shè)備，發(fā)送預(yù)警信號至校園安防控制部門，控制部門工作人員能夠及時(shí)處理收到的預(yù)警信息，去現(xiàn)場核實(shí)危險(xiǎn)性，采取有效的安全措施，防患于未然。

“感知校園”項(xiàng)目采用了4層模型，分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層，數(shù)據(jù)的采集由感知層完成，數(shù)據(jù)的傳輸通過網(wǎng)絡(luò)層完成，數(shù)據(jù)的分析由平臺層處理，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和管理由應(yīng)用層完成。

1 核心技術(shù)

1.1 NB-IoT技術(shù)

NB是窄帶的意思，具有強(qiáng)覆蓋、低功耗、低成本、大連接4個(gè)特點(diǎn)，NB-IoT的中文含義是窄帶物聯(lián)網(wǎng)[2]，用于組建蜂窩網(wǎng)絡(luò)，可以節(jié)約電量，使用的設(shè)備可以在互聯(lián)網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)連接，也可以穩(wěn)定升級；該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)超長待機(jī)和高效的網(wǎng)絡(luò)連接。NB-IoT比GSM MCL大20 dB，都可轉(zhuǎn)化為覆蓋增益。

1.2 MySQL與XML

MySQL是一種經(jīng)典的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，其主要結(jié)構(gòu)包括：表格、視圖、存儲過程、觸發(fā)器等內(nèi)容，可以存儲大量的規(guī)則數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以永久存放到不同的數(shù)據(jù)表中，這些表格之間存在N∶M的關(guān)系。

XML是一種常用的非關(guān)系型數(shù)據(jù)格式，其主要結(jié)構(gòu)是樹形結(jié)構(gòu)，存儲內(nèi)容以<>方式來分割存放，最大的優(yōu)勢就是可以存放大量不規(guī)則的數(shù)據(jù)，這是傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫所不具備的功能。

1.3 PHP技術(shù)

PHP[3]是一種經(jīng)典的Web站點(diǎn)技術(shù)，包括客戶端和服務(wù)器端，客戶可以通過瀏覽器訪問服務(wù)器端的信息，這些信息以網(wǎng)頁的形式展示；服務(wù)器端負(fù)責(zé)后臺的信息處理，對數(shù)據(jù)庫的讀寫查詢等操作。PHP技術(shù)本身是開源技術(shù)，可以免費(fèi)使用，不必考慮后期的收費(fèi)問題；開源代碼非常多，使PHP可以快速構(gòu)建Web站點(diǎn)，已經(jīng)成為當(dāng)前的一種流行Web技術(shù)。

1.4 傳感器

傳感器是一種檢測設(shè)備，能感知信號，可將信號轉(zhuǎn)換成為電信號，通常可以檢測到溫度、濕度、煙霧、紅外線等多種信號，還能夠滿足信號的傳輸，可以對信號進(jìn)行處理、能夠?qū)?shù)據(jù)存儲起來。

2 研究過程分析

通過對校園室內(nèi)外環(huán)境的調(diào)研，確定了合理的時(shí)間安排和期望目標(biāo)，對每一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)密審查，實(shí)施過程中要有完備的文檔資料，及時(shí)存檔，以備日后查閱維護(hù)。研究內(nèi)容和研究過程如下：

（1）查閱并收集資料，指定并評估可行性研究報(bào)告。

（2）針對研究報(bào)告和實(shí)際項(xiàng)目需求，進(jìn)行軟硬件需求分析，并設(shè)計(jì)出系統(tǒng)架構(gòu)。

（3）關(guān)于采集模塊，要采用恰當(dāng)?shù)膫鞲衅?，確保數(shù)據(jù)采集的正確性和可靠性。

（4）利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)完成信息的挖掘與整理。

（5）將匯總的數(shù)據(jù)上傳至校園云服務(wù)器中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的加工與深度分析。

（6）校園云服務(wù)器將對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可視化顯示所需要的圖形、圖像等信息，并導(dǎo)出到Web站點(diǎn)或智能手機(jī)應(yīng)用程序中。

（7）對整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行軟硬件調(diào)試，調(diào)試通過后，再高效運(yùn)行。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

“感知校園”項(xiàng)目是一個(gè)綜合性項(xiàng)目，其后臺部署在校園云服務(wù)器中，整個(gè)項(xiàng)目涉及多種軟硬件知識。本項(xiàng)目主要包括數(shù)據(jù)采集與通信模塊、信息處理模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊和可視化交互模塊，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4 數(shù)據(jù)采集模塊

在“感知校園”項(xiàng)目中，需要使用傳感器采集大量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)主要來源于室內(nèi)（教室、宿舍）和室外，采集模塊主要包括教室信息采集模塊、宿舍防火防盜模塊和室外采集模塊。其解決方案為在校園里安裝各類不同傳感器，使用NB-IoT技術(shù)采集數(shù)據(jù)，并提取出有用的信息存儲起來，借助智能手機(jī)或Web軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)自動化控制及防盜、防火的基本安全控制。

采集模塊的主要工作原理是：通過室內(nèi)外的各類傳感器，采集到一些不規(guī)則的文本數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過格式化處理，并通過COM通信線實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信，解析后的信息上傳到服務(wù)器，服務(wù)器存儲轉(zhuǎn)發(fā)信息，分別傳輸?shù)浇虒W(xué)樓終端顯示屏、宿舍樓終端顯示屏、各類智能手機(jī)等設(shè)備上。

數(shù)據(jù)采集模塊中各類傳感器需要24小時(shí)運(yùn)行，由傳感器構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備耗電量很大，因此可以從技術(shù)環(huán)節(jié)達(dá)到節(jié)能省電目的。這里采用NB的節(jié)電技術(shù)，從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，裁減不必要的硬件，簡化物理層、優(yōu)化協(xié)議棧，采用多緩沖技術(shù)防止卡頓，從而節(jié)約了電能，提高了效率。

5 數(shù)據(jù)庫管理模塊

在“感知校園”項(xiàng)目中，各類傳感器[4]會從校園里采集到大量的數(shù)據(jù)，包括文本數(shù)據(jù)、語音數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要存儲到可靠的數(shù)據(jù)庫中。對于格式規(guī)范的信息，本項(xiàng)目采用了MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲和管理；鑒于數(shù)據(jù)格式可能有些雜亂，本項(xiàng)目采用了非關(guān)系數(shù)據(jù)庫來存儲。

結(jié)合前期調(diào)研和需求資料，將采集到的信息經(jīng)過處理后，分類存儲到用戶信息表、教師信息表、宿舍信息表、空閑教室表、設(shè)備狀況表、風(fēng)險(xiǎn)管理表。在設(shè)計(jì)時(shí)，要確保數(shù)據(jù)格式規(guī)范，將一些不規(guī)范的信息存儲到XML格式的非關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，這樣可以確保數(shù)據(jù)庫能夠安全存儲各類信息。

傳感器采集到的各類數(shù)據(jù)，都要經(jīng)過格式化處理，規(guī)范數(shù)據(jù)存儲到MySQL數(shù)據(jù)庫中，無法格式化數(shù)據(jù)將以XML或者普通文件存儲，其數(shù)據(jù)處理模塊原理如圖2所示。

6 可視化交互實(shí)現(xiàn)

在“感知校園”項(xiàng)目中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化交互是一個(gè)非常重要的模塊。項(xiàng)目后臺是構(gòu)建在校園Linux[5]云服務(wù)器中的，系統(tǒng)開發(fā)采用了PHP+MySQL技術(shù)。目前，云服務(wù)器可以實(shí)時(shí)查看教室的溫度、濕度、學(xué)生的出勤人數(shù)，也可以動態(tài)查詢宿舍區(qū)的安全防火等信息；教師可以通過平臺編輯教工工作量，實(shí)時(shí)處理工作日志管理工作；學(xué)生可以在線查詢圖書的借閱信息，平臺可以利用大數(shù)據(jù)分析學(xué)生對閱覽書籍的喜好，推送最新圖書動態(tài)及學(xué)生可能感興趣的圖書書目等，這些功能都可以手機(jī)上便捷操作。

可視化交互模塊很好地實(shí)現(xiàn)了校園數(shù)據(jù)的可視化展示，Linux云服務(wù)器端提供了大量的可供查詢的信息，其主要查詢的信息如圖3所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理模塊

圖3 校園查詢信息

7 結(jié)語

通過系統(tǒng)的分析，“感知校園”項(xiàng)目主要設(shè)計(jì)理念就是：做好調(diào)研工作，進(jìn)行科學(xué)的系統(tǒng)的可行性與需求分析，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出項(xiàng)目的主要功能模塊，詳細(xì)描述每一個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)過程，給出有效的解決方案。