物聯網在高校智慧校園建設中的應用

摘 要：物聯網、云計算技術迅速發展，高校在校園網、無線網絡等信息基礎設施建設的基礎上，探索引入RFID、ZigBee等物聯網新興技術建設“智慧校園”，文章從物聯網的感知層、網絡層、應用層這三個層面出發，提出了建設智慧校園的總體設計方案，探討了物聯網在身份識別和考勤管理、智能實驗設備管理、智慧圖書館、車輛定位追蹤、智能后勤管理等方面的應用。

關鍵詞：物聯網;智慧校園;RFID;ZigBee

中圖分類號：TP393 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：2095-1302（2015）09-00-02

0 ?引 ?言

“智慧校園”這一概念源于智慧地球、智慧城市，目前各高校信息基礎設施建設較完備，基本建成了以光纖為主干網的校園網，部分高校已經完成了對教學樓、辦公樓、實驗室、圖書館和其他公共場所的無線全覆蓋，智慧校園就是利用現有的互聯網、校園網以及移動通信網絡，引進RFID、ZigBee、傳感器等物聯網、云計算、并行控制技術，優化資源配置，為師生提供高效、智能的信息化服務，打造數字化校園、平安校園，并為管理決策層提供科學的決策依據和管理手段。

智慧校園的主要特征：一是通過物聯網整合教育資源，為教學、科研提供高效信息服務，實現教育資源的共享;二是整合現有的教務管理系統、學生管理系統、宿舍管理系統等，提供開放互聯的智能化綜合信息服務平臺;三是后勤管理實現按需服務、綠色節能;四是通過智慧校園建設，使師生全面地感知教學資源，獲得良好的學習、教學和后勤服務體驗，促進高校教學管理服務水平的提高。

1 ?物聯網的關鍵技術

1.1 ?RFID

RFID（Radio Frequency Identification）技術即無線射頻識別技術，它是一種非接觸式的自動識別技術，可在各種惡劣環境中通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，無須人工干預。RFID被廣泛應用于生產自動化、門禁、公路收費、停車場管理、身份識別、貨物跟蹤等民用領域。

典型的RFID系統構成由電子標簽（Tag）、讀寫器（Read /Write Device）及管理信息系統等組成，具有智能讀寫及加密通信的功能。當被識別物體進入讀寫器的識別范圍時，讀寫器發出射頻脈沖，電子標簽接收射頻脈沖，整流并給電容充電作為工作電壓;數據解調部分從接收到的射頻脈沖中解調出數據并送到控制邏輯;控制邏輯接受指令完成存儲、發送數據或其它操作。RFID標簽大致可分為三類：第一類是主動RFID標簽靠電池供電，自動傳輸信號;第二類是被動RFID標簽，不帶電池，需要外部源來激發信號傳輸;第三類是電池輔助的被動RFID標簽，需要外部源來喚醒電池，但具有更高的傳輸能力。如果按照所使用的無線電頻率，RFID標簽可分為低頻、高頻、超高頻和微波幾種類型。

1.2 ?ZigBee

ZigBee網絡采用高級通信協議，由IEEE802.15.4標準描述，ZigBee設備體積較小，是低能耗和基于無線電的傳感器節點，具有低功耗、低成本、低數據傳輸率、穩定性好、抗干擾能力強、安全可靠的技術特點。它與藍牙、WiFi技術相比更為易用且價格低廉，因此ZigBee在車聯網、智能家居、小區監控等方面的應用日益廣泛。

ZigBee協調器能夠存儲網絡的信息，而且可作為信任中心存儲安全密鑰，每個網絡中僅有一個協調器。ZigBee路由器的中間路由器，可在終端設備之間傳遞數據;ZigBee終端設備包含和父節點（協調器或者路由器）通信的功能，不能中繼其他設備的數據，節點可以休眠很長時間，從而可保證電池的壽命。

2 ?智慧校園的總體設計

基于物聯網的智慧校園建設可以劃分為感知層、網絡層和應用層。

（1）感知層是聯系師生、各類教育資源（物理世界）與綜合信息服務平臺（信息世界）的紐帶，通過RFID標簽、GPS終端設備、攝像頭……各種傳感器對師生、教學設備資源、實驗設備、圖書等提供智能感知和控制能力。

（2）網絡層的作用是連接感知層與應用層，正確、快速、安全地傳輸智慧校園各類感知數據與控制指令，所有信息都要通過WiFi、4G/3G無線網絡接入校園網，一般采用異構網絡互聯的結構。

（3）應用層由多樣化的應用系統構成，如門禁系統、監控系統、圖書管理系統、教學管理系統、宿舍管理系統、實驗設備管理系統等。通過對綜合信息服務平臺的數據進行集成和分析，實現資源合理調度、按需服務、綠色節能等需求，提高高校教學管理服務水平。

圖1 ?基于物聯網的智慧校園總體設計

3 ?物聯網在智慧校園中的應用

3.1 ?身份識別和考勤管理

運用RFID技術整合校園一卡通，可實現學校進出人員管理、宿舍管理、學生上課考勤和會議考勤等。師生在進出學校校門、宿舍樓宇時實現RFID卡無接觸式自動身份識別，通過屏幕顯示通過人員信息、照片，自動放行，校外人員進行來訪登記。學生處和宿管人員可即時統計學生在校情況，并對未按時返校、歸宿學生發送提醒。

大部分高校對學生上課的考勤管理都通過任課教師或學生考勤員完成，點名費時費力，一些教師還發明了通過拍照刷臉、微信等點名的辦法。利用教學樓安裝RFID感應器，進入教室的學生均被識別系統感應，可以完成對缺勤學生、遲到早退學生的統計，并將數據信息反饋到教務管理系統，任課教師、輔導員可以查看，及時了解學生的學習情況。

通過RFID技術整合一卡通，還可以實現教師簽到、會議考勤等功能。在會議室入口設置RFID識別裝置，當參會人員進入會場時，系統會自動進行身份識別，并在屏幕上顯示座位引導、歡迎詞等。

3.2 ?智能實驗設備管理

高校的實驗設備、精密儀器，動輒數百萬元，為了有效提高教育資源的利用率，提高實驗室管理水平，尤其是在建設開放實驗室的過程中，借助物聯網技術可以實現門禁管理、實驗教學管理、安全防盜功能。

（1）門禁管理：結合門禁系統、師生校園一卡通、實驗設備管理系統，管理員授權用戶在規定時間才能通過門禁系統進入實驗室，授權用戶允許使用實驗室內的實驗設備，并且記錄使用人員、使用和歸還時間等信息。

（2）安全防盜：通過在實驗設備及貴重物品上嵌入ZigBee傳感器，這些節點能夠以自組織方式組成網絡，當設備移動時，傳感器節點內置定位引擎通過與預設節點比較，超出預設范圍時，第一時間通知實驗室管理員，管理員可通過管理系統查看設備所在位置，及時做出處置。

（3）實驗教學管理：首先，設備上的RFID標簽可以幫助學生方便地獲取實驗步驟、操作要點、使用幫助等信息。其次，通過自動控制技術干預實驗過程，操作不當時能自動警告并中斷實驗過程，避免不必要的損失和人員傷害。此外，實驗數據可以實時監控并及時提供給實驗者，實現實驗教學的數字化、網絡化與智能化。

3.3 ?智慧圖書館

RFID 技術在圖書館領域也已經有了廣泛的應用，目前可以實現自助借還圖書，圖書自動分揀、精確定位、自動整序排架、自助盤點、智能圖書車和防盜報警等一系列自動化、智能化管理功能。

RFID在圖書館自助服務應用的工作原理：RFID 芯片式自助服務系統是在圖書中加入RFID 芯片，用來代替條碼+磁條。借還書時，RFID系統先讀取讀者證的信息，再通過讀取圖書RFID芯片中的數據完成圖書借還，RFID技術是非接觸式工作，可一次進行多本圖書借出操作，極大地提高了借還工作效率。當讀者攜帶該書通過門禁檢測系統時，系統會自動識別圖書是否已經辦理借書手續。

3.4 ?車輛定位追蹤

車聯網系統將計算機技術、ZigBee、RFID技術有機結合起來，能夠提供自動控制、自動存儲數據、數據查詢等多種功能。車聯網可以實現校園區域內車輛的進出管理、車輛防盜、停車誘導等，促進校園的交通秩序管理、平安校園建設。

校園入口部分主要由ZigBee協調器、感應器、攝像頭、擋車器、電動欄桿、顯示屏組成。車輛到達校園入口，校內車輛通過感應器識別后電動欄桿和擋車器變為通行狀態，無需人工干預，外來車輛發臨時卡，攝像頭拍攝車牌信息并記錄在車聯網系統中。車輛進入校區后，車聯網管理系統還可提供車位信息引導車輛停放。

3.5 ?智能后勤管理

后勤管理主要包括學校的照明、廣播、餐飲、衛浴等。在教室、實驗室、校園廣播設備、路燈上安裝傳感設備，利用物聯網技術，使校園內的燈、播音設備能夠無線自主組網，使每一盞燈、播音設備都能遙測和遙控，自動調節照明強度、播音音量。例如教室、圖書館光照較強時，燈自動關，如果發現教室里沒人，可以遠程控制關燈;發現附近沒人，校園內播音設備會自動停止播放或降低播音音量。在浴室裝上讀卡器，刷卡后噴頭出水并進行流量計算，從而達到節能節水的目的。根據學生食堂安裝的ZigBee系統，監測就餐實時人流量，分析后有助于改進餐飲服務，提高餐飲管理水平。

4 ?結 ?語

通過物聯網在校內的大力推廣，可成功建成身份識別和考勤管理系統、智能實驗設備管理系統、智慧圖書館及車輛定位追蹤等系統，大大減少了校內工作人員的任務量，極大地提高辦事效率。

參考文獻

[1] Kai Hwang，Geoffrey C.Fox，Jack J.Dongarra，et al.云計算與分布式系統：從并行處理到物聯網[M].武永衛，秦中元，等，譯.北京：機械工業出版社，2013.

[2]張永波.RFID技術在“智慧校園”中的應用[J].軟件導刊，2011，10（5）：132-134.

[3]王瑾.基于物聯網的實驗室管理技術[J].電腦知識與技術，2010，21（6）：5471-5472.

[4]閆曉妍.高校圖書館應用RFID技術的SWOT分析[J].內蒙古科技與經濟，2013（7）：57-58，60.

[5]嚴大虎，陳明選.物聯網在智慧校園中的應用[J].現代教育技術，2011，21（6）：123-125.

[6]宋承繼.物聯網技術在智慧校園建設中的應用[J].自動化與儀器儀表，2015（3）：208-210.