基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧校園建設(shè)研究

張喜云，左利欽

（湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410015）

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧校園建設(shè)研究

張喜云，左利欽

（湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410015）

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一種將各種物體附著各類(lèi)傳感器而獲取相關(guān)信息，并能實(shí)現(xiàn)信息提取、傳輸、保存、分析計(jì)算等功能的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。文章探討了將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用在校園生活管理形成的智慧校園所帶來(lái)的影響，并重點(diǎn)討論以RFID和傳感網(wǎng)為物聯(lián)網(wǎng)主要技術(shù)在智慧校園的運(yùn)用。

物聯(lián)網(wǎng)；智慧校園；RFID；傳感網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)是以“萬(wàn)物相連”為核心理念，實(shí)現(xiàn)物物通信，物物有組織，可控可管理的新型網(wǎng)絡(luò)。實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)是運(yùn)用射頻甄別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）、溫度、位置、氣味等信息感知設(shè)備，遵循通信約定，將現(xiàn)實(shí)世界物體信息互聯(lián)互通，進(jìn)行信息交換、分析和存儲(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的特征信息檢測(cè)跟蹤監(jiān)控，形成可控可管網(wǎng)絡(luò)，并能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析運(yùn)算從而預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)。校園中食堂、教室、圖書(shū)館、供水系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室、圍墻等各種與師生學(xué)習(xí)生活息息相關(guān)的物體，將這些物體嵌入傳感器，獲取相關(guān)信息，并且形成物體信息連接，形成 具有智慧，能簡(jiǎn)化管理工作，整合資源，優(yōu)化配置，形成便捷、高效、人性化、安全、環(huán)保、和諧的校園使用環(huán)境。

1　以RFID為主要技術(shù)的智慧校園運(yùn)用

根據(jù)RFID的在校園場(chǎng)景中的用途可大致分為RFID電子錢(qián)包功能、RFID智能管理功能兩類(lèi)。前者對(duì)應(yīng)的具體場(chǎng)合有學(xué)校食堂、浴室熱水、宿舍電費(fèi)、學(xué)校超市；后者對(duì)應(yīng)的有如圖書(shū)館、宿舍門(mén)禁，學(xué)生出勤管理、學(xué)生考試簽到、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備使用管理等。一般的RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本類(lèi)似，圖1為一般的RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，只是不同用途中所使用的感應(yīng)刷卡終端的形式有所不同。

圖1　RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1RFID電子錢(qián)包功能的運(yùn)用

如圖1所示，用戶持有的卡上記錄有金額信息，當(dāng)消費(fèi)時(shí)，用戶需將卡靠近主機(jī)即可完成扣款，即付費(fèi)。用戶手持卡是沒(méi)有電源的，其能量是用刷卡主機(jī)通過(guò)13.56 MHz射頻提供完成用戶卡的識(shí)別、扣款，也是通過(guò)這個(gè)射頻完成信息交互的。用戶手持卡都有一個(gè)唯一的身份編號(hào)，刷卡時(shí)，主機(jī)識(shí)別到用戶編號(hào)，然后再與刷卡主機(jī)系統(tǒng)存儲(chǔ)的用戶做對(duì)比，如果刷卡主機(jī)系統(tǒng)查詢到用戶存在，則進(jìn)一步查詢賬戶余額；刷卡主機(jī)持有者（商戶）輸入扣款金額，若小于余額，則進(jìn)行扣款，即從對(duì)應(yīng)編號(hào)下的數(shù)組中減去扣款余額；若大于余額，則本次扣款失敗。充值卡則是用戶用現(xiàn)金繳費(fèi)，商家將用戶卡下的余額度加上充值金額并寫(xiě)入系統(tǒng)。充值時(shí)，用戶可以選擇輸入用戶編號(hào)或者通過(guò)刷卡識(shí)別身份。值得指出的是，一般管理用戶與用戶余額的是由上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)完成的。刷卡主機(jī)將交易信息上傳下達(dá)，最終記錄的是數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)然，刷卡主機(jī)也可以離線操作，最后再將交易數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦數(shù)據(jù)庫(kù)即可。僅當(dāng)扣款操作成功，一些服務(wù)設(shè)備才執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，如浴室刷卡熱水機(jī)會(huì)打開(kāi)熱水閥出熱水，等到水流量計(jì)統(tǒng)計(jì)出扣款金額的水后關(guān)閉水閥，停止供水。

終端系統(tǒng)主要由RFID識(shí)別單元、微控制單元、人機(jī)交互單元、無(wú)線通信單元構(gòu)成。RFID單元電路負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)用戶RFID卡的識(shí)別以及信息讀寫(xiě)等功能；微控制單元電路實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)終端系統(tǒng)的控制；人機(jī)交互單元由鍵盤(pán)、顯示器以及揚(yáng)聲器組成，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)終端的操作輸入和機(jī)器給人信息的反饋輸出；無(wú)線通信單元實(shí)現(xiàn)終端與網(wǎng)絡(luò)通信功能，可實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)管理。

1.2RFID電子智能管理的運(yùn)用

圖1給出了RFID電子智能管理的運(yùn)用的系統(tǒng)一般組成，但不同于電子錢(qián)包其在于管理系統(tǒng)方面?zhèn)戎赜谟脩羯矸莸臋?quán)限，而不是用戶賬戶的金額。可以運(yùn)用在校園的考勤管理、日常教學(xué)、智慧圖書(shū)館、實(shí)驗(yàn)室管理等方面。當(dāng)用戶使用特定的IC卡接近感應(yīng)終端時(shí)，感應(yīng)終端就能讀出用戶的身份，判斷其權(quán)限，然后做出相應(yīng)的動(dòng)作，如圖書(shū)館的閘機(jī)，當(dāng)識(shí)別出是本校學(xué)生，則打開(kāi)閘機(jī)使其通過(guò)，且每張卡只能通過(guò)一人；若是管理員刷卡，可通過(guò)多人。

（1）人員管理。在日常的教學(xué)中，人員管理占據(jù)了大量的工作量，如日常的學(xué)生考勤、學(xué)籍管理、考試管理等。采取RFID技術(shù)，給每個(gè)學(xué)生發(fā)放一張具有學(xué)生詳細(xì)信息的IC卡，涉及考勤時(shí)，學(xué)生持IC卡在刷卡器上刷一遍，刷卡器將信息傳送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，由服務(wù)器匯總整理，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)學(xué)生的考勤信息，教師或教學(xué)管理人員通過(guò)訪問(wèn)服務(wù)器即可了如指掌。同樣的，學(xué)生開(kāi)學(xué)注冊(cè)，也只需刷卡就可以統(tǒng)計(jì)到校人數(shù)，學(xué)生進(jìn)入考場(chǎng)刷卡就能知道考試人員信息是否匹配，防止替考，偽造證件等現(xiàn)象。

（2）物品管理。RFID技術(shù)運(yùn)用在學(xué)校物品管理也能大顯身手。如給實(shí)驗(yàn)設(shè)備貼上RFID標(biāo)簽，給每個(gè)對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽設(shè)備的使用教程、使用記錄、維修記錄等在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)中關(guān)聯(lián)起來(lái)，可以通過(guò)標(biāo)簽識(shí)別設(shè)備清楚地知道設(shè)備的狀態(tài)情況。又比如，將圖書(shū)館的數(shù)據(jù)攜帶RFID標(biāo)簽，在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中同樣將書(shū)籍的相關(guān)信息（書(shū)架號(hào)、借用記錄、館藏本數(shù)、配套光盤(pán)等）加以關(guān)聯(lián)，同樣方便了書(shū)籍的流通，減小管理工作量。

2　以傳感網(wǎng)為主要技術(shù)的智慧校園運(yùn)用

傳感器可以將物理世界的許多物理信息采集轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，這種直接獲得的電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換后又可以進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)、傳輸?shù)龋瑢⑦@種具有特點(diǎn)功能的節(jié)點(diǎn)通過(guò)一系列的布置形成龐大的網(wǎng)絡(luò)，則將信息世界與物理時(shí)間融為一體，可以為人類(lèi)生活帶來(lái)巨大的效益與便利。傳感網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。每個(gè)節(jié)點(diǎn)由電源、傳感部件、處理單元、通信部件以及軟件組成，還可以配置其他單元，如定位系統(tǒng)、移動(dòng)系統(tǒng)、電源自動(dòng)電系統(tǒng)等。傳感單元將物理數(shù)據(jù)采集經(jīng)處理單元處理后通過(guò)通信單元發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)輸入到節(jié)點(diǎn)管理數(shù)據(jù)中心。節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)直接可以通信，節(jié)點(diǎn)能根據(jù)策略尋找一條策略最優(yōu)路徑將數(shù)據(jù)匯總傳輸。

在智慧校園中，傳感網(wǎng)可將照明、校園圍墻是否有人出入狀態(tài)、存在安全隱患的建筑、植物等實(shí)施監(jiān)控，并能根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)做出相應(yīng)策略措施，節(jié)約能源，將安全隱患消滅在萌芽之中。

圖2　傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.1智能照明

路燈或者教室燈通常是學(xué)校用電大戶，實(shí)際上，在沒(méi)有人經(jīng)過(guò)或無(wú)人在教室的情況下，這些燈以最大的功率工作著，顯然是一種不必要的浪費(fèi)。通過(guò)給教室、路面等場(chǎng)所，安裝光照度、人體紅外傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)則可以通過(guò)檢測(cè)光照與是否有人使用等狀態(tài)，將信息反饋給控制中心，由控制中心按照預(yù)定的策略，選擇最優(yōu)路徑，發(fā)送控制命令，調(diào)節(jié)不同地方所需要的光照度來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能，又不會(huì)影響正常使用。

2.2校園安全布控

保證校園內(nèi)的師生安全是開(kāi)展正常教學(xué)的基本條件，關(guān)系到千家萬(wàn)戶的幸福。傳統(tǒng)的校園安保措施中或多或少地存在一些隱患，如不法分子翻越圍墻作案、校園內(nèi)設(shè)施存在倒塌、墜落等隱患。將帶有人體紅外檢測(cè)的傳感器節(jié)點(diǎn)布置在圍墻上，將帶有煙霧、傾斜度、振動(dòng)、次聲波傳感器節(jié)點(diǎn)布置在建筑物、大樹(shù)枝上，可通過(guò)檢測(cè)到的微小的角度變化、振動(dòng)、次聲波等物理量，通過(guò)傳感網(wǎng)傳送到控制管理中心，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，可提前預(yù)知火情、墻體倒塌、樹(shù)枝斷裂等危險(xiǎn)的存在，從而提前排除。

3　結(jié)語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)在校園中運(yùn)用的前景誘人，物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)組成復(fù)雜多樣，本文介紹了RFID和傳感網(wǎng)兩種技術(shù)在校園中的運(yùn)用。RFID技術(shù)已經(jīng)在實(shí)際智慧校園建設(shè)中占有重要地位，而傳感網(wǎng)還在起步階段。智慧校園離不開(kāi)物聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與應(yīng)用也面臨著技術(shù)和成本的限制。

[1]高建芳，胡明.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2014（6）：62.

[2]任穎，李華偉，呂海燕.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2014（14）：3252-3253.

[3]周寶石.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的校園卡管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2012.

[4]閆曉妍.物聯(lián)網(wǎng)在高校智慧校園建設(shè)中的應(yīng)用[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015（9）：93-94.

Research on smart campus construction based on Internet of things technology

Zhang Xiyun, Zuo Liqin
（Hunan Post and Telecommunication College, Changsha 410015, China）

Internet of things technologies refer to the Internet technology that attaches different objects to various sensors to acquire relevant information and realize such functions as information extraction, transmission, saving, analyzing and computing. This paper aims to exploring the impacts of the Internet of things technology on the campus life management of smart campus and focuses on how to use RFID and sensor network as the major Internet of things technology in smart campus.

Internet of things; smart campus; RFID; sensor network

張喜云（1967— ），女，湖南長(zhǎng)沙，碩士，講師；研究方向：IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用。