基于物聯網的智慧校園研究

李冰

一、前言

（一）物聯網相關概述

物聯網利用通訊技術如互聯網將物體和微控制器、傳感器、通信收發器等連在一起，并配置協議實現物體之間的相互作用，進而實現人類對物體的遠程管理控制。一般物聯網通過射頻識別（RFID，Radio Frequency Identification）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描等信息傳感設備將任何物品和互聯網相連，進行信息交換和通信，從而對物體進行智能化識別、定位、監控和管理。物聯網在用途方面極為廣泛，可與多種設備進行連接。比如機器人、無人機、暖氣與空調系統、安全警報裝置、家用電器、辦公設備等，并產生海量數據用于相關部門。盡管物聯網仍處于初期階段，但在許多領域已經開發了一些初步的物聯網應用，包括家庭和工業自動化、醫療保健檢測和輔助設備、智能電網和智能能源管理、智能車輛、交通管制等。然而，物聯網目前面臨兩個主要挑戰：第一，技術上的困難，物聯網缺乏新穎性和異質性。第二，缺乏完整的獲得批準的商業模式從而導致商業困難。而事實上，將物聯網應用到智慧校園是不可避免的。智能校園是物聯網的一個重要研究方向，并且物聯網在智慧校園中的應用可以為城市互聯網的應用提供有價值的見解。

（二）物聯網與智慧校園

盡管將物聯網應用到智慧校園還沒有得到廣泛的普及，但它的主要理念是開發利用校園的資源，將學校的應用系統進行整合，為師生提供高質量的校園服務。將物聯網應用到智慧校園帶來一系列的優勢：智能感知的學習環境、智能能源管理、有效的監控系統和實時事件預警系統、智能化的業務流程、高效的停車場管理和安全透明的財務管理系統等。

二、物聯網在高校智慧校園建設中的應用

（一）智慧校園相關概念

智慧校園是指向教職工學生基于自身不同角色的需求提供個性化服務，這樣可以降低成本并提供高質量服務。智慧校園所提供的服務不僅局限在學術方面，還涉及校園社交、財政和環境等方面。所以智慧校園具有三個主要特點：一是提供一個全面感知的智能環境和綜合信息服務平臺，提供基于角色的定制服務；二是基于通過計算機網絡和物聯網融入到學校的個個服務領域，實現資源和人員之間的互聯協作；三是通過智能感知環境為學校和外部環境提供一個相互交流感知的窗口。

（二）基于物聯網智慧校園概念及其應用

1. 智能樓宇

智慧樓宇被譽為“一個將最好的概念、材料、系統和技術結合起來滿足建設者需要的性能要求的智能化建筑”。我們可以從以下兩個方面研究智能建筑。

第一，信息和通信技術基礎設施。智能樓宇系統至少需要一個快速后端網絡，服務器用來處理由大規模植入的傳感器收集的數據。使用各種不同類型的傳感器是建筑制動化必不可少的一部分。傳感器可以遠程關閉不需要的服務，檢測教室或辦公室的二氧化碳濃度，調節建筑內溫度和濕度，測量周圍污染的AR-EAS和開放空間。此外，適當的震動傳感器將有助于檢測建筑物的承壓能力。智慧樓宇可以生成完整的環境參數報告，并且在需要時提供警報，這樣可以減少昂貴的建筑測試需求。

第二，報告和協作。使用報告生成工具智能生成匯報，包括教室或辦公室使用率、學生或教職工出勤率、空間使用模式、實時報警或能源使用等情況。在校園中，部門間的協作是改善跨部門業務流程至關重要的一步，實現這一目標的方式是通過信息共享，用來加強相關部門的溝通和聯系。伯明翰大學（BCU）投資近1.28億美元用于建設新的智慧樓宇，此后每年為建筑方面開支節省105萬美元，并且二氧化碳排放量減少40%。同時，智慧樓宇提高了校園的舒適度和建筑的使用效率。

2. 學校智能電網

智能電網是利用新的信息和通信技術（ICT）改革電子電氣系統。事實上，在世界各地有許多大學采用智能電網或微電網。例如，俄勒岡州立大學采用基于同步相量技術的監控和報警系統，這是大學采用智能電網用于應對日益增加的能量需求、保護環境、渴望使用可再生資源邁出的重要一步。然而，從同步相量測量技術得出的最優化結果并不理想，原因歸結為這項技術仍處于起步階段，需要更加全面深入的研究。研究指出可采用一些成熟的技術比如數據采集與監視控制系統（SCADA），專家建議在大學校園里將恢復供電集成的自動化程序依靠于SCADA和OPC共同完成，其中包含檢測、隔離和自愈性的恢復。通過在大學校園內利用SCADA系統收集的數據研究，提出了一種基于拓撲結構的自組織映射（SOM）算法，SOM可分析當前配電網，提出微電網設計方法，并未對大學校園智能電網的發展提供建議。

開發一個能夠用于分析和處理智能電網設備收集的大量數據的計算機系統對于實現預期目標是至關重要的。Kusakabe提供了一個實例研究，如何在大學校園中發展能源管理系統的需求。考慮到提高成員的認知和參與目標，作者聲明他們取得了令人滿意的成果，實現了校園可持續發展。基于Web的系統在云平臺包括能耗分析和行為模式、控制需求響應的目的、對未來需求的預測以及如何使用機器學習模型已經形成一個巨大的數據集訓練。此外，Newaz提出了一個基于云平臺的網絡架構，用于分析和理解大學校園內的能源消耗、未來需求預測和遠程控制設備。盡管如此，它仍處于發展階段。此外，技術細節并不是設計和開發校園智能電網的唯一必要條件，影響設計和開發校園智能電網的還有經濟、政治和環境等因素。最后，一些大學已經開始結合智能電網技術和當前電網技術。物聯網使政府、教職工、學生以及參與者控制和監控校園能源消耗變為了可能。

3. 學習環境

在過去幾十年中，隨著先進技術的變革和推廣，教學發生了巨大的變化。研究者提出了一種基于學習者在校園范圍內的社交網絡提供情景的個性化學習體驗方法。該方法利用傳感器和移動學習進行簡單配置Web服務器從而實現全面學習。然而，這還需要相應的教學設計和學習者正確的學習行為。基于物聯網的智慧校園在教學設計方面有著重要的應用價值，比如構建了智能化教學環境、豐富的實驗教學和多樣的擴展教學活動等。基于物聯網的學習環境不僅可以高效整合信息、社會、技術和物理相關的學習資源，還可以為學習者提供個性化智能學習服務。在智能環境中的學習過程分為四個階段：學習遞歸過程、評價、互動性和分析，這四個階段映射了智能系統的遞歸性和可持續性。智能學習的主要目標是結合學生的學習愿望、智力水平和知識水平，為學習者提供個性化的定制學習服務。

在微軟公司的協助下，麻省理工學院開始基于智慧校園的若干個項目開發，稱之為MIT iCampus。例如，研究課堂溝通系統（CCS）和班級學習伙伴（CLP）用來客服教師和學生在課堂上的交流問題，并通過練習和實時反饋及分析來提高學習效率。此外，基于游戲的教育項目（GTT）也在開發概念模型用于下一代的游戲教育平臺。Adamko等人開發了提供問題、評估解決方案并收集數據的平臺，以進一步研究用戶在智能校園里的學習行為。綜上所述，物聯網技術下的學習環境是一個多維交互空間的整合體，這個整合體包含數字化、網絡虛擬化空間和由各種實物組成的物理空間。

三、挑戰和機遇

智慧校園目前面臨三種障礙：技術、預算和管理障礙。技術壁壘主要涉及：安全性，隱私性、互操作性和標準化配置。在采用任何促進校園服務的技術之前，必須需要確認這項技術在校園和公共使用中是安全的。滿足安全性和隱私性這兩個要求是在當前異構環境下最難實現的。這種異構環境下的互操作性和標準化將最大限度的提高用戶利益，其結構將對不同設備之間進行評估和比較，促進制造商之間的競爭。把物聯網引入到校園建設中需要的成百上千的傳感器、執行器和其他設備，學校對這些設備的配置將會是一個巨大的負擔，在此情況下，基于物聯網的智慧校園應開發或引入物聯網設備的自動化配置系統來解決問題。在預算方面，公共設施預算的縮水、世界經濟的現狀和大學有限的資源成為阻礙智慧校園推廣的原因。管理問題雖然沒有技術和預算問題嚴重，但也是存在的。智慧校園為研究人員利用創新解決方案調查和提升校園服務打開了大門。目前來講，基于物聯網的智慧校園建設主要集中在智能樓宇、學習環境等，校園服務種類眾多，還有許多其他校園服務沒有得到足夠的重視，比如智能就餐、智能宿舍等。通過合理的規劃、投資和管理，物聯網可以幫助校園提供更好的自動化和更高質量的服務。

四、總結

本文從智能樓宇、智能電網和學習環境等角度，對智慧校園使用物聯網進行了研究，為校園內的社區提供有效、高效和優質的服務。此外，我們還從技術、預算和管理三個不同的維度，提出了基于物聯網的智慧校園建設遇到的阻礙和挑戰。最后，強調了未來智慧校園研究和建設可能遇到的機遇。