基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧校園系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葉 飛，王亞芳

（延安大學(xué)西安創(chuàng)新學(xué)院，陜西 西安 710100）

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，當(dāng)前社會(huì)基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的各種“互聯(lián)網(wǎng)+”場(chǎng)景逐漸多樣化，其中基于互聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也在各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)一步崛起。智慧校園作為智慧場(chǎng)所中的一種，其智能化場(chǎng)景的應(yīng)用性和優(yōu)勢(shì)也愈加明顯。該系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動(dòng)化設(shè)備、信息化管理系統(tǒng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，充分應(yīng)用“云、物、移、智、鏈”等現(xiàn)代信息技術(shù)，打造全面感知、信息高效處理、應(yīng)用便捷靈活的校園管理新形態(tài)。智慧校園對(duì)于師生日常生活、校園學(xué)生信息管理、學(xué)生在校安全保障、餐廳食品安全監(jiān)測(cè)等具有一定意義[1]。

當(dāng)下，各高校都在聚焦智慧校園建設(shè)，加強(qiáng)校園智能化管理，提升校園師生舒適度、學(xué)生信息管理智能化水平[2]。以延安大學(xué)西安創(chuàng)新學(xué)院為例，在智慧校園建設(shè)過(guò)程中，采取更換并安裝智能書(shū)寫(xiě)板、加強(qiáng)智能多媒體教室建設(shè)、優(yōu)化校園物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室傳感器設(shè)備，以及在全校范圍內(nèi)更換智能監(jiān)控設(shè)備等措施，進(jìn)一步加強(qiáng)了學(xué)校智能化教學(xué)、學(xué)生安全化管理，預(yù)防安全事故發(fā)生，并取得了顯著效果。智慧校園建設(shè)對(duì)校園未來(lái)發(fā)展規(guī)劃、教學(xué)質(zhì)量和師生滿(mǎn)意度的提升等具有重要作用。

1 系統(tǒng)整體框架

隨著高校校園局域網(wǎng)（校園網(wǎng)-WiFi）的全覆蓋，進(jìn)一步促進(jìn)了校園物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。本文基于智能感知、嵌入式、大數(shù)據(jù)云計(jì)算等技術(shù)，以校園安全、智能監(jiān)測(cè)、智慧課堂、智慧管理、智慧考勤等為目標(biāo)，根據(jù)學(xué)校實(shí)際現(xiàn)狀需要，設(shè)計(jì)了從底層感知、檢測(cè)到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)可視化和指令下發(fā)等的校園一體化管理的智慧校園系統(tǒng)，以進(jìn)一步促進(jìn)高?，F(xiàn)代化建設(shè)，提升師生舒適度、滿(mǎn)意度與教學(xué)管理效率。

系統(tǒng)采用多傳感器，主要有溫濕度傳感器、水質(zhì)檢測(cè)傳感器、氣體檢測(cè)傳感器、指紋傳感器、熱成像體溫檢測(cè)傳感器、人臉識(shí)別模塊等，進(jìn)行校園相關(guān)數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測(cè)。利用物聯(lián)網(wǎng)中間件ESP8266-WiFi 模塊以多節(jié)點(diǎn)方式，利用校園網(wǎng)全覆蓋進(jìn)行底層感知數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)之間數(shù)據(jù)的傳輸與通信，并進(jìn)行校園傳感器所采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析，實(shí)現(xiàn)從感知到云端的智慧化管理與監(jiān)控[3]。系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)原理

2 系統(tǒng)硬件及底層傳感器設(shè)計(jì)

2.1 溫濕度傳感器

485 型溫濕度傳感器是一種網(wǎng)絡(luò)型傳感器，能夠通過(guò)校園-WiFi 全覆蓋的局域網(wǎng)進(jìn)行校園環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)，然后將感知數(shù)據(jù)上云，并進(jìn)行可視化呈現(xiàn)及數(shù)據(jù)分析。搭載校園環(huán)境溫濕度傳感器能夠進(jìn)一步改善校園環(huán)境，提升師生舒適度，具有使用便捷、維護(hù)成本低廉的特點(diǎn)，能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)智慧校園全域環(huán)境溫度與濕度的監(jiān)控。溫濕度傳感器電路如圖2所示。

圖2 溫濕度傳感器電路

2.2 水質(zhì)檢測(cè)傳感器

在智慧校園建設(shè)與安全防范中，水質(zhì)量監(jiān)測(cè)對(duì)于校園湖泊保護(hù)和師生飲水安全至關(guān)重要。水質(zhì)量監(jiān)測(cè)能夠有效防止校園湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化，防止夏季水體因溫度過(guò)高而散發(fā)出異味，還能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)校園師生飲水安全等突發(fā)性狀況。將水質(zhì)傳感器納入校園智慧化建設(shè)之中具有重要意義。水質(zhì)檢測(cè)傳感器電路如圖3所示。

圖3 水質(zhì)檢測(cè)傳感器電路

2.3 指紋傳感器

在傳統(tǒng)的學(xué)生考勤中，學(xué)生上課是否缺勤以老師點(diǎn)名為主，這樣不僅浪費(fèi)課堂時(shí)間，而且某些學(xué)生會(huì)利用考勤方式存在的漏洞進(jìn)行逃課，不利于老師統(tǒng)計(jì)學(xué)生出勤信息。在智慧校園建設(shè)中，在教學(xué)實(shí)驗(yàn)室及教室等必要場(chǎng)所安裝指紋傳感設(shè)備，并納入智慧校園管理系統(tǒng)，能夠提升學(xué)生出勤率、老師上課效率、師生滿(mǎn)意度以及校園舒適度[4]。指紋傳感器統(tǒng)計(jì)的學(xué)生考勤信息可以與教務(wù)處的學(xué)生端管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)互通，將學(xué)生的考勤數(shù)據(jù)直接作為期末成績(jī)?cè)u(píng)核的指標(biāo)。該方案可以減少老師的日常工作量，老師將會(huì)有更多精力備課、批改作業(yè)等，間接提升教學(xué)質(zhì)量。另外，還可以運(yùn)用新的技術(shù)手段，以調(diào)整和規(guī)范績(jī)效考核體系為切入點(diǎn)，從而建立新型學(xué)生課堂管理體系。

2.4 熱成像體溫檢測(cè)傳感器

自新冠疫情以來(lái)，疫情防控在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)將維持常態(tài)化。學(xué)校是人流量較大的場(chǎng)所，對(duì)于疾病的預(yù)防十分重要，尤其在諸多疫情防控中，體溫監(jiān)測(cè)一直都被作為篩查感染者的首要體征參數(shù)。熱成像體溫檢測(cè)傳感器是一種微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）芯片，波長(zhǎng)在8～14 μm 之間，能夠在日常生活中無(wú)接觸式感知和監(jiān)測(cè)人體體溫狀況。應(yīng)用在校園防疫工作中，可減少人流量，實(shí)現(xiàn)校園防疫智慧化管理。熱成像體溫檢測(cè)不僅可以用于疫情防控，而且可以用于季節(jié)更替時(shí)的流感防控。

3 系統(tǒng)中間件與安全防護(hù)

隨著5G 物聯(lián)網(wǎng)的普及，智慧校園系統(tǒng)建設(shè)的步伐也在進(jìn)一步加快，物聯(lián)網(wǎng)硬件通信成為首要解決的問(wèn)題[5]。校園網(wǎng)全覆蓋環(huán)境下，采用物聯(lián)網(wǎng)中間件ESP8266 WiFi 模塊進(jìn)行底層多節(jié)點(diǎn)傳感器感知數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)之間的通信。ESP8266 WiFi 模塊作為局域網(wǎng)通信方式之一，在智慧校園建設(shè)之中能夠起到關(guān)鍵作用，并且具有良好的實(shí)用性。

基于互聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)安全防護(hù)也同等重要，主要通過(guò)底層硬件安全、數(shù)據(jù)傳輸安全及云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全三個(gè)部分來(lái)保障。在智慧校園建設(shè)中，底層多節(jié)點(diǎn)傳感器處于校園內(nèi)，受到校園監(jiān)控保護(hù)，能夠保證硬件安全。ESP8266 WiFi 模塊在局域網(wǎng)環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，需要對(duì)校園局域網(wǎng)進(jìn)行安全技術(shù)防護(hù)，防止數(shù)據(jù)傳輸被滲透而產(chǎn)生安全隱患等，避免校園財(cái)產(chǎn)損失。云數(shù)據(jù)安全對(duì)于高校相當(dāng)重要，主要涉及各高校局域網(wǎng)防火墻以及所選物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，一般情況下在高校局域網(wǎng)防火墻與云平臺(tái)足夠安全時(shí)，校園數(shù)據(jù)也將足夠安全[6]。

4 系統(tǒng)方案架構(gòu)

智慧校園管理平臺(tái)集物聯(lián)網(wǎng)感知、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)、圖像處理、信息安全等技術(shù)于一體。傳感器多節(jié)點(diǎn)布置，在校園無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全覆蓋的環(huán)境下，能夠有效實(shí)時(shí)感知和監(jiān)測(cè)校園環(huán)境、監(jiān)測(cè)校園安全漏洞，提升校園師生舒適度與教學(xué)效率；聚集、融合校園各類(lèi)信息，綜合處理感知到的校園數(shù)據(jù)，以預(yù)判校園意外事件的發(fā)生[7]。

在智慧校園的建設(shè)中，校園餐廳智慧煙感、學(xué)生宿舍樓智慧門(mén)禁、校園智慧圖像識(shí)別及師生智慧停車(chē)等相關(guān)設(shè)備被不斷接入智慧校園設(shè)備層中，能夠有效提升學(xué)校辦學(xué)質(zhì)量、校園知名度及校園智能化教學(xué)水平，并且減少校園安全巡查等方面的人力成本。智慧校園建設(shè)對(duì)推進(jìn)智慧中國(guó)建設(shè)具有一定的作用[8-10]。智慧校園系統(tǒng)方案架構(gòu)如圖4所示。

圖4 智慧校園系統(tǒng)方案架構(gòu)

5 結(jié)語(yǔ)

智慧校園系統(tǒng)基于多傳感器融合、信息安全、圖像識(shí)別等技術(shù)，根據(jù)智慧校園實(shí)際建設(shè)，利用底層傳感器對(duì)校園環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)中間件將感知的數(shù)據(jù)上傳至校園物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總、分析及可視化呈現(xiàn)。微控制器根據(jù)預(yù)定的程序?qū)⑾嚓P(guān)指令下發(fā)至底層硬件，從而實(shí)現(xiàn)校園設(shè)備層面的智能化控制。就目前而言，很多高校還未建立完善的智慧校園體系，高校全面建立新的智慧校園體系將會(huì)給校園整體管理及學(xué)校向更高的教育水平發(fā)展注入強(qiáng)大動(dòng)力。智慧校園系統(tǒng)能夠在學(xué)校智慧教學(xué)、辦學(xué)、管理及疫情防控等方面發(fā)揮重要作用，并能夠進(jìn)一步提升校園智慧化場(chǎng)景建設(shè)及師生舒適度等，對(duì)高校智慧化發(fā)展具有重要意義。