物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高校智慧校園建設(shè)中的實(shí)踐與分析

柯家海,陳志華

(1.廣州醫(yī)科大學(xué),廣東 廣州 511436;2.廣東技術(shù)師范大學(xué),廣東 廣州 510665)

0 引言

隨著科技的發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在許多領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是指通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將物理設(shè)備、傳感器、軟件和網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái),實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的信息交互和數(shù)據(jù)共享。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展歷程經(jīng)歷了RFID技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化、智能家居和智慧城市、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)以及邊緣計(jì)算等階段,邊緣計(jì)算是指在數(shù)據(jù)源頭的一側(cè),采用集網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用為一體的開放平臺(tái),就近提供服務(wù)[1]。在高等教育領(lǐng)域,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有潛力促進(jìn)智慧校園的建設(shè),改變教育方式,優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)施管理。

1 高校智慧校園建設(shè)存在的問題

隨著技術(shù)的發(fā)展,高校教師、學(xué)生和行政人員經(jīng)常面臨各種挑戰(zhàn),例如,教學(xué)資源的優(yōu)化分配、能源的有效管理、實(shí)時(shí)反饋和評(píng)估以及有效的安全保障等。這些問題往往會(huì)限制高校的運(yùn)作效率和教學(xué)質(zhì)量。面對(duì)日益增長(zhǎng)的學(xué)生人數(shù)和日益復(fù)雜的教學(xué)環(huán)境,高校需要找到更有效的方式來(lái)管理資源并提供高質(zhì)量的教學(xué),實(shí)現(xiàn)資源及其業(yè)務(wù)的融合和共享,促進(jìn)校園的信息服務(wù)綜合化和智慧化[2]。因此,高校智慧校園的建設(shè)需要解決以下問題:利用物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)校園的智慧出入管理、智慧停車系統(tǒng)、智慧照明系統(tǒng)、智慧教室管理、智慧實(shí)驗(yàn)室管理、智慧圖書館管理、能源管理等。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高校智慧校園建設(shè)中的應(yīng)用分析

2.1 應(yīng)用場(chǎng)景的分析

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠?yàn)楦咝Ｌ峁┤媲覍?shí)時(shí)的數(shù)據(jù),幫助高校更好地理解并解決這些問題。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備自動(dòng)控制照明、空調(diào)等,高校可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理能源消耗,減少浪費(fèi)。通過(guò)智能出入系統(tǒng),高?？梢蕴岣咝@管理的安全性,同時(shí)也可以跟蹤在校人員的動(dòng)態(tài)。通過(guò)實(shí)時(shí)課堂反饋系統(tǒng),教師可以獲取學(xué)生的學(xué)習(xí)情況,從而及時(shí)調(diào)整教學(xué)策略。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可能會(huì)成為被攻擊的目標(biāo),高校需要采取措施保護(hù)這些設(shè)備和數(shù)據(jù)的安全。針對(duì)這些應(yīng)用場(chǎng)景,高校需要在物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的成本、可行性和網(wǎng)絡(luò)安全性上進(jìn)行權(quán)衡。一方面,這類系統(tǒng)、設(shè)備可以提高能源效率,從長(zhǎng)遠(yuǎn)看可以節(jié)省大量的運(yùn)營(yíng)成本。另一方面,這些系統(tǒng)、設(shè)備的初始投資和維護(hù)成本可能相當(dāng)高。

2.2 應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)保障

盡管面臨挑戰(zhàn),但通過(guò)適當(dāng)?shù)牟呗院图夹g(shù),高?？梢酝ㄟ^(guò)采取以下措施進(jìn)行智慧校園建設(shè)的保障。高校要投資足夠的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施,以支撐大量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸,要根據(jù)設(shè)備數(shù)量和數(shù)據(jù)流量的預(yù)測(cè),進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)容量規(guī)劃,確保網(wǎng)絡(luò)帶寬和吞吐量能夠滿足大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的通信需求,并根據(jù)實(shí)際情況擴(kuò)容網(wǎng)絡(luò)帶寬和資源。高校要建立網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)措施,包括設(shè)備身份驗(yàn)證、數(shù)據(jù)加密、訪問控制、漏洞管理等,采用防火墻、入侵檢測(cè)和防御系統(tǒng)等技術(shù),監(jiān)測(cè)和阻止?jié)撛诘木W(wǎng)絡(luò)攻擊和入侵,監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)和漏洞,定期進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全審計(jì)和評(píng)估,發(fā)現(xiàn)潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)和漏洞,及時(shí)修復(fù)發(fā)現(xiàn)的問題。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高校智慧校園建設(shè)中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供海量設(shè)備的接入與管理能力,可以將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接到云平臺(tái),支撐設(shè)備數(shù)據(jù)采集上云和云端下發(fā)命令給設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景,可以快速制定物聯(lián)網(wǎng)高校智慧校園解決方案,形成一個(gè)完整的物聯(lián)網(wǎng)高校智慧校園構(gòu)建思路,主要分為設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、具體應(yīng)用3個(gè)部分。

3.1 設(shè)備

設(shè)備即物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的感知層和網(wǎng)絡(luò)層。感知層是物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中的底層部分,主要功能是收集、監(jiān)測(cè)和感知物理世界中的數(shù)據(jù),并將其轉(zhuǎn)化為可用的數(shù)字信息,為上層提供準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),以支持物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的各項(xiàng)應(yīng)用和功能。高?？衫眠吘売?jì)算網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理,邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的核心功能是上下行協(xié)議的轉(zhuǎn)換,可以針對(duì)不同的設(shè)備進(jìn)行適配[3]。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)將感知層收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌麑?以便進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析。對(duì)于各類傳感設(shè)備,高?？梢酝ㄟ^(guò)ZigBee/LoRa/RS485等通信方式接入傳感網(wǎng)或通過(guò)4G/5G/NB-IoT/以太網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)接入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),并使用MQTT協(xié)議將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上報(bào)到平臺(tái),平臺(tái)也可以將控制命令下發(fā)給設(shè)備。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)作為承接設(shè)備與具體應(yīng)用的中間服務(wù),承載了抽象的業(yè)務(wù)邏輯及標(biāo)準(zhǔn)的核心數(shù)據(jù)模型,實(shí)現(xiàn)設(shè)備的快速接入,同時(shí)提供強(qiáng)大的模塊化能力,支撐具體應(yīng)用場(chǎng)景下的各類需求。處理層的主要功能是接收、處理、存儲(chǔ)和管理物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù),并提供數(shù)據(jù)分析、規(guī)則引擎、設(shè)備管理和安全管理等功能。應(yīng)用層的主要功能是解析、處理和應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù),為用戶和應(yīng)用程序提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能決策等功能[4]。

為實(shí)現(xiàn)集中管理和監(jiān)控大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,平臺(tái)提供了設(shè)備注冊(cè)、配置管理等功能,同時(shí)還提供了大數(shù)據(jù)分析和可視化工具,以幫助管理員更好地了解設(shè)備的運(yùn)行情況,優(yōu)化管理策略。平臺(tái)通過(guò)收集設(shè)備傳感器數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)和其他指標(biāo),結(jié)合數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù),可以預(yù)測(cè)設(shè)備故障,使管理員提前采取維修措施,并優(yōu)化設(shè)備使用和維護(hù)策略。為實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的集成及管理,平臺(tái)要簡(jiǎn)化管理流程,降低復(fù)雜性,并提供統(tǒng)一的界面和工具來(lái)監(jiān)控和管理各個(gè)系統(tǒng),選擇符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和開放標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

3.3 具體應(yīng)用

具體應(yīng)用即物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的應(yīng)用層,通過(guò)調(diào)用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供的API接口,快速構(gòu)建滿足高校智慧校園需求的功能模塊。應(yīng)用層允許用戶通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)或應(yīng)用程序?qū)B接的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和管理,可以幫助用戶了解和分析數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)智能決策和優(yōu)化[5]。在高校智慧校園建設(shè)中,主要有以下具體應(yīng)用:

(1)智慧出入管理。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被用于出入管理,通過(guò)安裝在門禁處的傳感器,配合學(xué)生或教師的RFID卡,可以實(shí)現(xiàn)快速、便捷的出入管理,同時(shí)也能實(shí)時(shí)追蹤在校人員的動(dòng)態(tài),提高安全性。

(2)智慧停車系統(tǒng)。

智能停車系統(tǒng)可以幫助解決停車難的問題,通過(guò)安裝在停車位上的傳感器,可以實(shí)時(shí)獲取停車位的使用情況。教師通過(guò)手機(jī)App就能找到空閑的停車位。

(3)智慧照明系統(tǒng)。

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)照明設(shè)備的智能控制。例如,當(dāng)檢測(cè)到教室無(wú)人時(shí),照明設(shè)備會(huì)自動(dòng)關(guān)閉,可以有效節(jié)省能源。

(4)智慧教室管理。

通過(guò)使用標(biāo)識(shí)符實(shí)現(xiàn)追蹤和管理教室的電子班牌,可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài),包括所在教室編號(hào)、教室名稱、連接狀態(tài)、門狀態(tài)、鎖狀態(tài)、可用狀態(tài)等,詳細(xì)情況如表1所示。

表1 智慧教室管理系統(tǒng)信息

(5)智慧實(shí)驗(yàn)室管理。

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,高校可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和維護(hù),提高設(shè)備的使用效率。通過(guò)權(quán)限管理,管理人員能夠確定可以訪問這些設(shè)備的人員以及這些設(shè)備的使用方法。

(6)智慧圖書館。

智慧圖書館系統(tǒng)可以跟蹤書籍和其他資源,在學(xué)生想要的書籍可用時(shí)通知學(xué)生,甚至根據(jù)他們的學(xué)習(xí)模式建議資源。此外,通過(guò)自動(dòng)簽入和簽出,圖書館工作人員可以更加專注于為學(xué)生提供幫助。

(7)能源管理。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可用于監(jiān)視和控制校園的能源使用情況,識(shí)別能源浪費(fèi)的區(qū)域并提出減少消耗的方法,如可以根據(jù)占用情況和一天中的使用時(shí)間控制空調(diào)以及實(shí)時(shí)跟蹤用電情況。這就提高了高校基礎(chǔ)設(shè)施的使用效率,減少了維護(hù)成本。

(8)智能自助餐廳。

物聯(lián)網(wǎng)可用于管理自助餐廳的庫(kù)存,確保學(xué)生需要時(shí)始終有食物可用。傳感器可以提供最受歡迎的食品信息,有助于減少浪費(fèi)。智能支付系統(tǒng)可以使交易變得更快、更容易。

(9)智能垃圾管理。

垃圾箱裝滿并需要清空時(shí),傳感器可以向校園管理人員發(fā)出警報(bào),這可以提高校園的效率和清潔度。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,人們很可能會(huì)在高校校園中看到更多物聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新應(yīng)用場(chǎng)景。

4 結(jié)語(yǔ)

在高校智慧校園建設(shè)實(shí)踐過(guò)程中,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)揮了重要作用,實(shí)現(xiàn)了校園內(nèi)大部分環(huán)節(jié)的智能化和自動(dòng)化,提高了設(shè)備的利用率和維護(hù)效率,為學(xué)生提供了更好的學(xué)習(xí)和生活環(huán)境,提升了校園管理的效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。高校智慧校園將逐步形成一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng),各個(gè)智能設(shè)備和系統(tǒng)之間將實(shí)現(xiàn)更緊密的互聯(lián)互通、更高效的資源共享和管理、更智能的校園管理和服務(wù)[6]。

總之,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高校智慧校園建設(shè)中有著廣闊的應(yīng)用前景和巨大的潛力,但在實(shí)施的同時(shí),必須考慮到成本、安全性和隱私等問題。通過(guò)合理的規(guī)劃和管理,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以幫助高校實(shí)現(xiàn)智慧校園的目標(biāo),提高教育質(zhì)量,優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)施管理。