數(shù)字環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)可行性研究

倪雄師 林永

摘 ?要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)字孿生平臺是對智慧校園的進(jìn)一步擴(kuò)展與提升，構(gòu)建智能感知環(huán)境和新型教育教學(xué)空間，促進(jìn)教學(xué)、教研、教育管理和生活服務(wù)的流程再造與智能管理，實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，提高學(xué)校教育教學(xué)管理決策水平，形成“可感知、可診斷、可分析、可自愈”的新型校園生態(tài)管控系統(tǒng)，突出“集中、智慧、定制、個性化”四大特色，打造高效、智能、幸福的智慧校園。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);智慧校園;智能感知

中圖分類號：TP311;TN92 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）06-0164-04

Feasibility Study on the Construction of Internet of Things in Digital Environment

——Take Fuzhou Polytechnic as an Example

NI Xiongshi，LIN Yong

（Fuzhou Polytechnic，F(xiàn)uzhou ?350108，China）

Abstract：With the rapid development of the internet of things technology，the digital twins platform based on internet of things technology is the further expansion and promotion of smart campus. Constructing the intelligent perception environment and new education and teaching space，to promote the process reengineering and intelligent management of teaching，teaching and research，education management and life service，realize the interconnection of all things，improve the decision-making level of school education and teaching management，form a new campus ecological management and control system of “perceptible，diagnosable，analyzable and self-healing”，highlight the four characteristics of “centralization，wisdom，customization and personalization”，and build an efficient，intelligent and happy smart campus.

Keywords：internet of things technology;smart campus;intelligent perception

0 ?引 ?言

依托物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等新興技術(shù)，建設(shè)智能物聯(lián)的智慧校園。探討采用ZigBee/LoRa/NB-IOT等技術(shù)協(xié)議，研究建設(shè)多方聯(lián)動、提供一種環(huán)境全面感知、智慧型、數(shù)據(jù)化、網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)作一體化、可視化物聯(lián)網(wǎng)平臺的可行性。以改善學(xué)校教學(xué)、管理和服務(wù)的新模式服務(wù)體系。以福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院為例，主要對校園物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的必要性進(jìn)行細(xì)致的分析，并從多個方面論證了建設(shè)的可行性。

1 ?現(xiàn)狀與必要性

1.1 ?建設(shè)背景

教育部2020年6月發(fā)布的《職業(yè)院校數(shù)字校園規(guī)范》中明確指出，針對物聯(lián)傳感網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)當(dāng)基于LoRa、NB-IoT等技術(shù)，建立支持ZigBee、RFID、藍(lán)牙等多種物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的傳感網(wǎng)絡(luò);針對教學(xué)環(huán)境建設(shè)，需具備遠(yuǎn)程智能管控功能，實(shí)現(xiàn)對教室內(nèi)設(shè)備的統(tǒng)一管控;針對安全保障建設(shè)，需支持用電全面計量、插座惡性負(fù)載管理，需對照明系統(tǒng)進(jìn)行智能管控，節(jié)約電能、減少維護(hù)人員工作量，需對空調(diào)末端集控系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管控，同時具備空調(diào)能耗統(tǒng)計功能。

1.2 ?學(xué)?，F(xiàn)狀

1.2.1 ?需建設(shè)面向未來的物聯(lián)網(wǎng)傳感網(wǎng)絡(luò)

學(xué)校目前暫未做統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃，各系統(tǒng)建設(shè)自成一體。學(xué)校管理多采用人工形式，管理效率較低。

1.2.2 ?學(xué)校安全缺乏智能管理

校園內(nèi)門禁、監(jiān)控暫無統(tǒng)一管理平臺，學(xué)校多媒體教室、實(shí)訓(xùn)室門鎖目前均采用傳統(tǒng)門鎖開鎖方式，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作與一鍵管控，不便于管理人員進(jìn)行有效的管理。

1.2.3 ?需建設(shè)教學(xué)區(qū)上課環(huán)境智能管控

學(xué)校多媒體教室及實(shí)訓(xùn)室的空調(diào)與照明系統(tǒng)暫不具備智能控制、統(tǒng)一管理等功能，不便于管理，易造成能源浪費(fèi)。

1.2.4 ?需建設(shè)實(shí)訓(xùn)室用電安全智能管控與預(yù)警系統(tǒng)

學(xué)校實(shí)訓(xùn)室儀器設(shè)備種類繁多、用電管理復(fù)雜、電損耗大，目前暫無電流監(jiān)測、排插惡意負(fù)載等監(jiān)測、預(yù)警系統(tǒng)。

1.3 ?項目實(shí)施必要性分析

學(xué)校目前一共有多媒體教室81間，實(shí)訓(xùn)室113間。主要存在以下問題：（1）學(xué)校暫未搭建物聯(lián)網(wǎng)傳感網(wǎng)絡(luò);（2）教學(xué)區(qū)域門禁、監(jiān)控暫無統(tǒng)一管理平臺;（3）教學(xué)區(qū)域照明、空調(diào)暫未實(shí)現(xiàn)智能管控;（4）實(shí)訓(xùn)室暫未建設(shè)用電安全管控與預(yù)警系統(tǒng)。為提高校園電器物聯(lián)化管理、安全、節(jié)能水平，提升多媒體教室、實(shí)訓(xùn)室信息化管理水平，有必要進(jìn)行數(shù)字環(huán)境物聯(lián)改造。實(shí)現(xiàn)多媒體教室、實(shí)訓(xùn)室的智能管控，提升校園智慧化管理水平。

2 ?項目可行性

2.1 ?建設(shè)基于邊緣計算的物聯(lián)網(wǎng)大平臺

以業(yè)內(nèi)最先進(jìn)的窄帶廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)——LoRa技術(shù)作為基礎(chǔ)，利用邊緣計算技術(shù)，下沉控制單元的物聯(lián)網(wǎng)專用平臺，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析、邊緣計算、私有云、AI算法、5G等新興技術(shù)，為萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)通基礎(chǔ)。

2.2 ?搭建基于數(shù)字孿生平臺的可視可管系統(tǒng)

構(gòu)建智慧校園感知系統(tǒng)，直觀展現(xiàn)校園整體設(shè)備狀態(tài)，展示精細(xì)化的物聯(lián)網(wǎng)終端管理及數(shù)據(jù)能耗分析、用電風(fēng)險預(yù)警等信息，構(gòu)建智慧物聯(lián)信息實(shí)時感知系統(tǒng)。

2.3 ?推動教育教學(xué)實(shí)現(xiàn)全面可視化智能環(huán)境管理

實(shí)現(xiàn)實(shí)時查看教室授課教師課程進(jìn)展等相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)教學(xué)信息與教室一一匹配的管理，智能統(tǒng)計多媒體教室和實(shí)訓(xùn)室使用率，助力教學(xué)管理。

2.4 ?助力學(xué)校管理實(shí)現(xiàn)基于資產(chǎn)云技術(shù)的安全管理

根據(jù)責(zé)任范圍分配管理賬號，責(zé)任到人，管理人員對各自管理區(qū)域的日常管理和資產(chǎn)設(shè)備安全負(fù)責(zé)。

3 ?項目建設(shè)內(nèi)容

3.1 ?物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)大平臺建設(shè)

數(shù)字環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景和解決方案，由接入傳感層、物聯(lián)傳輸層和物聯(lián)開放平臺三部分組成。建立一套基于大數(shù)據(jù)分析、邊緣計算、私有云、5G、AI等新興技術(shù)，提供多種物聯(lián)網(wǎng)專用協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)大平臺，為后期物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)拓展提供基礎(chǔ)支撐。如圖1福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院物聯(lián)專網(wǎng)架構(gòu)所示。

利用物聯(lián)網(wǎng)無線低功耗、遠(yuǎn)距離、大量連接的技術(shù)優(yōu)勢，設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，解決節(jié)點(diǎn)成本，網(wǎng)絡(luò)成本，電池壽命，數(shù)據(jù)傳輸速率（吞吐率），延遲，移動性，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍等局限性問題。

采用典型的LoRa和NB-IOT低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)，解決有線KNX協(xié)議、藍(lán)牙、RFID射頻技術(shù)、Z-Wave、Wi-Fi技術(shù)、紅外傳感等技術(shù)，無法滿足遠(yuǎn)距離、大并發(fā)、低功耗的物聯(lián)網(wǎng)需求。實(shí)現(xiàn)應(yīng)用隨時可以快速上線的目標(biāo)。

平臺部署：部署1臺物聯(lián)網(wǎng)集管平臺和1臺網(wǎng)管平臺設(shè)備作為系統(tǒng)管理平臺，實(shí)現(xiàn)全校物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一管控及專網(wǎng)接入設(shè)備統(tǒng)一管理。

網(wǎng)絡(luò)配置：物聯(lián)網(wǎng)集管平臺接入校園內(nèi)網(wǎng)，獲取教務(wù)處課表信息。同時獲取固定IP地址，用于互聯(lián)網(wǎng)通訊，實(shí)現(xiàn)手機(jī)等移動設(shè)備APP遠(yuǎn)程訪問。

專網(wǎng)架構(gòu)：物聯(lián)專網(wǎng)專用核心設(shè)備1臺，部署于數(shù)據(jù)中心機(jī)房。

3.2 ?物聯(lián)整體設(shè)計架構(gòu)

智慧校園物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景和解決方案，由接入傳感層、物聯(lián)傳輸層和物聯(lián)開放平臺三部分組成，如圖2整體設(shè)計架構(gòu)所示。

底層電器終端設(shè)備，通過接入傳感器進(jìn)行統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)采集，采集數(shù)據(jù)通過多合一物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳，回傳的數(shù)據(jù)由私有云物聯(lián)網(wǎng)平臺（物聯(lián)網(wǎng)集管平臺）統(tǒng)一管理展示。

3.3 ?教學(xué)環(huán)境數(shù)字化建設(shè)

多媒體教室/實(shí)訓(xùn)室物聯(lián)網(wǎng)管控設(shè)計，包含燈光、空調(diào)、智能門鎖、智能空開、情景面板等設(shè)備管理。

3.3.1 ?智能燈光控制系統(tǒng)

建設(shè)智能燈光控制系統(tǒng)，底層傳感器通過LoRa、Zigbee物聯(lián)協(xié)議將數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸至多合一物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，通過網(wǎng)線將數(shù)據(jù)上報至物聯(lián)網(wǎng)集管平臺，進(jìn)行統(tǒng)一的物聯(lián)管控?？蓪?shí)現(xiàn)手機(jī)APP、web界面遠(yuǎn)程開關(guān)、批量控制、定時照明控制、自動巡檢等智能照明控制功能。

3.3.2 ?智能空調(diào)控制系統(tǒng)

智能空調(diào)控制系統(tǒng)由紅外遙控器、多合一物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、物聯(lián)網(wǎng)集管平臺組成?？蓪?shí)現(xiàn)手機(jī)APP、web界面遠(yuǎn)程開關(guān)空調(diào)、溫度調(diào)節(jié)、更改模式等功能，實(shí)現(xiàn)定時通斷、自動巡檢等多項功能。

3.3.3 ?智能門鎖管理系統(tǒng)

智能門鎖管理系統(tǒng)由智能門鎖、多合一物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、物聯(lián)網(wǎng)集管平臺組成?？蓪?shí)現(xiàn)門鎖狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測展示，實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP、Web界面遠(yuǎn)程開鎖，對接校園一卡通、密碼等方式開鎖，實(shí)現(xiàn)出入記錄全溯源。

3.3.4 ?物聯(lián)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

對接教室內(nèi)已有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，部署NVR設(shè)備，保持NVR、攝像頭的IP可達(dá)、網(wǎng)絡(luò)可達(dá)即可實(shí)現(xiàn)對攝像頭和NVR的對接和管理，實(shí)現(xiàn)視頻實(shí)時查看、告警聯(lián)動、事件追蹤、告警回溯等功能。

3.3.5 ?智能情景模式系統(tǒng)

通過LoRa、Zigbee等物聯(lián)協(xié)議將數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸至多合一物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)一鍵情景設(shè)定管理，方便智慧教室電器設(shè)備的統(tǒng)一管控，提高管理效率。

3.3.6 ?智慧用電管理系統(tǒng)

建立智慧用電管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)智能空開遠(yuǎn)程控制、自由分組設(shè)置定時開關(guān)等，實(shí)現(xiàn)用電智能化管控;支持用電保護(hù)，實(shí)時保障實(shí)訓(xùn)室用電安全，支持實(shí)時查詢空開用電數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析，助力學(xué)校節(jié)能減排工作。

3.4 ?可視化數(shù)據(jù)系統(tǒng)建設(shè)

3.4.1 ?物聯(lián)信息可視化

通過物聯(lián)大屏展示功能，展示學(xué)校整體物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。數(shù)據(jù)通過友好的UI大屏呈現(xiàn)，通過onvif協(xié)議，對接進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行現(xiàn)場環(huán)境視頻調(diào)用操作，學(xué)校的整體情況一目了然，真正實(shí)現(xiàn)管理可視化。

3.4.2 ?教學(xué)場景可視可管

通過物聯(lián)網(wǎng)平臺對接學(xué)校教務(wù)系統(tǒng)，實(shí)時查看教室、教師、班級、課程等信息，上課實(shí)時視頻，教室使用率等，做到教學(xué)信息與教室一一匹配的管理，以此構(gòu)建完善的智慧校園教學(xué)可視管理系統(tǒng)，助力學(xué)校教學(xué)管理。

3.4.3 ?數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

可通過物聯(lián)網(wǎng)平臺，實(shí)現(xiàn)告警策略分析、巡檢策略分析、事件日志分析等多個維度的分析，分析結(jié)果支持UI界面展示，以表格形式導(dǎo)出。通過分析報表，助力學(xué)校做出正確的管理決策，如圖3數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)所示。

3.5 ?數(shù)據(jù)安全保障

3.5.1 ?傳輸安全保障

在傳輸層，MQTT使用TLS加密不但可以確保安全通信，還可以使用X509證書作為身份憑證去驗(yàn)證設(shè)備。

在應(yīng)用層，MQTT提供了客戶標(biāo)識、用戶名密碼以及X509證書，在應(yīng)用層驗(yàn)證設(shè)備，以提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

3.5.2 ?數(shù)據(jù)存儲保障

數(shù)據(jù)采用加密存儲，運(yùn)用私有云平臺部署方式，讓學(xué)校掌握自身所有的數(shù)據(jù)。

3.5.3 ?運(yùn)維管理保障

在防盜方面，通過雙因子認(rèn)證和手機(jī)令牌等技術(shù)支持賬號防盜、防暴力破解。

在加密方面，通過APP及Web管理平臺的數(shù)據(jù)均采用安全防護(hù)加密傳輸。

4 ?建設(shè)預(yù)期成效

4.1 ?全校所有物終端數(shù)據(jù)化

校園內(nèi)除了傳統(tǒng)的智能終端有線、無線聯(lián)網(wǎng)外，后期所有的啞終端、物終端大部分都可以通過物聯(lián)網(wǎng)接入校園網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)全校所有終端信息化，可IT管理。

4.2 ?教學(xué)空間智能化可視化

在教室內(nèi)可實(shí)現(xiàn)對門禁、燈光、空調(diào)等單一設(shè)備的可視化管理，可以通過APP或Web網(wǎng)頁進(jìn)行教室智能情景化控制，一鍵實(shí)現(xiàn)上課、下課等情景。實(shí)時查看各個區(qū)域設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境信息、用電信息、能耗狀態(tài)、監(jiān)控信息、門禁信息等。

4.3 ?實(shí)現(xiàn)全面綠色校園、平安校園

建設(shè)完后采用物聯(lián)網(wǎng)用電管理，可對學(xué)校所有區(qū)域、樓棟、房間、所有設(shè)備類型進(jìn)行時間段用電分析，并且可以設(shè)定對應(yīng)的策略實(shí)現(xiàn)智能調(diào)控，達(dá)到學(xué)校節(jié)能管理目的。

4.4 ?學(xué)校管理全面進(jìn)入數(shù)字化時代

物聯(lián)網(wǎng)將全校所有終端數(shù)據(jù)收集并上傳，可以沉淀到校園大數(shù)據(jù)管理平臺中，和學(xué)校相應(yīng)的智慧校園應(yīng)用平臺聯(lián)動。從而為學(xué)校后期的管理決策，校園應(yīng)用提供更多的數(shù)據(jù)支撐。

5 ?結(jié) ?論

以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)字孿生平臺，以智能泛在環(huán)境為支撐，以融合創(chuàng)新為核心，整合校內(nèi)信息資源，形成開放協(xié)同的現(xiàn)代化智能校園生態(tài)環(huán)境。實(shí)現(xiàn)對校園的全面感知（智能化）、態(tài)勢監(jiān)測（可視化）、事件預(yù)警（可控化），生成校園運(yùn)行態(tài)勢的“一張圖”，提升校園的綜合治理服務(wù)能力。本文探討了物聯(lián)網(wǎng)在輔助管理、構(gòu)建智能化教學(xué)環(huán)境、拓展決策等方面的可行性，希望可以為智慧校園物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的研究者與實(shí)踐者們提供可供借鑒的參考。

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作者簡介：倪雄師（1970.04—），男，漢族，福建福州人，高級實(shí)驗(yàn)師，本科，研究方向：教育技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng);林永（1990.12—），女，漢族，福建福州人，實(shí)驗(yàn)師，碩士研究生，研究方向：教育技術(shù)、數(shù)字資源。