智慧校園環境下無線傳感器網絡的監測系統需求研究

王世運 石煥玉

摘要：無線傳感器網絡監測系統包括管理節點、匯聚節點和傳感器節點，大量的網絡傳感器節點根據智慧校園監測的需求部署在相關區域。在智慧校園內部署無線傳感器節點要重點考慮節點的微型化、可靠性和較低的維護成本，同時也要兼顧靈活的可擴展性。本文基于無線傳感器網絡技術、3G/4G通信技術，分析建立覆蓋智慧校園的無線傳感器網絡監測系統的應用需求，實現對智慧校園中教學管理、實驗室管理、校園管理等環境數據、使用數據以及監控視頻等數據的采集、傳輸和分析。

關鍵詞：智慧校園；無線傳感器網絡；節點；應用需求

中圖分類號：TP393.18 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）08-0049-02

2017年，教育部辦公廳關于印發《2017年教育信息化工作要點》的通知中明確指出：引導各級各類學校開展數字校園、智慧校園建設與應用。智慧校園成了學校進行信息化建設的代名詞，而無線傳感器網絡作為智慧校園的建設基礎，承擔起智慧校園內所有教學活動、師生活動、校園管理等工作的業務數據的采集與分析，為科學管理校園提供了數據依據。無線傳感器網絡監測系統設計作為智慧校園建設的重點內容，涉及節點選址、監測內容的需求、數據傳輸網絡的需求、數據管理平臺的需求等。

1 發展現狀

1998年，美國在先進國防研究項目局（DARPA）的一個研究項目中第一次提出無線自組織傳感器網絡的概念。無線傳感器網絡是一種新興的傳感器網絡，基于近幾年無線通信技術、微處理器和3G/4G通信技術的高速發展，它也逐漸從國防軍事領域走向民用，隨著相關技術研究的深入，傳感器網絡技術逐步走向成熟，其應用范圍也越來越廣，涉及環境監測、智慧交通管理、森林火災監測、智慧出行等，其中智慧校園就是它最近研究的熱點之一。

無線傳感器網絡技術發展到現在可以分為追蹤和監測兩種類型。具有跟蹤功能的無線傳感器網絡包括人的識別與跟蹤、汽車識別與跟蹤、動物跟蹤等；具有監測功能的無線傳感器網絡包括環境監測（主要是溫度、濕度的監測與預警等）、醫療衛生監測（血壓、心率的監測與預警等）、抗災（包括森林或水資源環境變化監測與預警、空氣污染監測與預警等）、國防軍事防御等。現有的無線傳感器網絡的研究基本是集合了追蹤和監測兩種功能，同時還集成了數據分析與預測、預警功能，能為科學管理提供數據與預警。

無線傳感器網絡的關鍵技術研究包括定位、同步、覆蓋、數據融合、網絡安全等，實現了無線傳感器網絡能夠準確有效地獲取相關信息與數據，同時也能加強對監測范圍內各種因素的實時監控，并將所有獲取到的數據傳到的網絡的處理節點，時時分析獲取到的數據，并作出相關的動作或預警。但目前來說無線傳感器網絡還沒有高效的技術算法和通信協議，在進行大規模部署與數據分析時有較大的困難。

近幾年無線傳感器網絡研究的熱點包括：

（1）無線傳感器網絡的能效問題。研究如何針對不同的應用需求去設計或應用相關運行算法，從而進一步提高網絡性能、延長使用壽命、降低整個網絡的能耗等。

（2）網絡中所有節點或設備的大范圍時間同步。

（3）無線傳感器網絡的數據壓縮、傳輸、存儲等。

（4）無線傳感器網絡自身原安全檢測。包括相關的安全協議標準設計以及自身能抵御非法入侵與攻擊等。

（5）無線傳感器網絡的兼容性和靈活的可擴展性。

（6）無線傳感器的網絡體系結構和節點部署設計。

2 智慧校園環境下的無線傳感器監測系統的應用需求分析

從早期的校園信息化建設到數字校園建設，再發展到智慧校園建設，將校園的信息化提升到了智慧化層面，旨在讓師生的校園學習與生活更加簡單，管理更加智慧，服務更加個性化，最終從基礎硬件環境、教學業務應用和校園管理三個維度來構造智慧校園服務管理體系。

智慧校園體現是一種全新的校園管理與服務模式，它應能實現學生管理、校園全程監控、校園消費管理、教學業務管理、行政管理等無縫整合，通過無線傳感器網絡將獲取到的數據進行集中管理，能為師生的學習與工作提供服務，也能為學校管理決策提供數據依據。

總的來說，智慧校園環境下無線傳感器監測系統的應用的需求主要有：

（1）一站式服務需求。需要實現師生校園學習與工作業務的整合貫通，通過信息門戶，師生合法認證一次，就可以提供面向師生的一站式服務。一站式服務主要包括師生通過信息門戶合法認證一次，就能享受校園所有信息化的服務，主要有教室/實驗室的智能化管理與使用、移動網絡教學、教學信息管理等。提供一站式服務不光是對使用者進行身份認證，也包括通過無線傳感器網絡收集大量教室/實驗室相關信息，如教室光照度、溫度、課程信息、教師/學生信息等，為師生使用教學資源提供更加精細化的服務。

（2）業務數據格式的統一標準化需求。在智慧校園建設過程中，各下職能部門的信息數據由各個不同主體來建設，均是獨立建設與獨立維護，導致業務數據格式不一致，所以進行智慧校園建設首要任務是制定統一的數據格式標準，進行長遠的數據規劃。

（3）數據共享需求。智慧校園的智慧體現在數據共享上。如果數據格式標準不一致，將導致校園各個業務數據無法共享，給智慧校園的協同工作帶來數據處理上的困難，使得跨部門的業務辦理效率低下、錯誤多。

3 智慧校園環境下的無線傳感器監測硬件的需求分析

智慧校園監測終端硬件包括節點（傳感器節點、匯聚節點、管理節點）、主機 、通信/網絡和能源供應系統等構成。其中節點的數量根據監測需求數量從數百個到幾千個，每個節點都連接到一個（有時是幾個）傳感器。每一個這種傳感器網絡節點一般都包括幾個部件：一個無線電收發器，一根內置天線或外部天線連接、一個微控制器、一個傳感器接口電路和電源，一般為電池或嵌入式能量采集機制。

（1）傳感器。是一種檢測裝置，能采集或感受到被測物體的信息，并將信息以一定的數據格式和傳輸方式將信息傳遞出去。

（2）節點。包括數據采集、處理控制、無線通信、定位模塊以及能量供應等。在校園環境范圍內，節點可采用3G/4G的方式和數據主機通訊，在南方熱帶、亞熱帶地區，該節點的能量供應可以采用太陽能的方式，以方便部署、維護或替換。

（3）數據分析與處理主機。主要功能有智慧校園監控信息集中分析處理，包括視頻分析與處理功能、數據存儲、數據通信等，它可以和能源供應系統建設在同一個工作機房內。

（4）能源供應系統。傳感器節點因其功耗相對較小，常見的能源供應系統有主要太陽能、風能供電系統。而為保障管理節點、主機和重點通信系統的工作效率，需要7*24小時不間斷提供電力保障和環境保障，故這類系統或設備一般建立相關的機房或機庫，并且采用專線供電。

4 智慧校園環境下的無線傳感器的傳輸網絡需求分析

現有成熟的無線傳感器網絡通訊方式大多是采用2.4GHZ或433M/Zig Bee方式，而不同的使用環境應有不同的網絡傳輸方式，常見的無線傳感器網絡涉及到的傳輸方式有PHY/MAC 層標準、3G/4G、藍牙（Bluetooth）技術、超寬帶（UWB）技術、紅外（IrDA）技術、家用射頻（HomeRF）技術。但因校園的應用環境一般較為穩定與安全，建議采用基于3G/4G網絡的無線通信和有線網絡的結合，涉及到的通訊協議主要有物聯網協議、以太網協議，這樣它涉及到的通訊網絡相對較為成熟與穩定，組建的網絡成本和維護成本相對就較低。

采用基于3G/4G網絡的無線通信和有線網絡的結合進行傳輸網絡的建設，它主要通過若個無線傳感器節點采集相應的數據，比如溫度、溫度、密度、氣體濃度、光照條件等，然后將這些數據傳輸至管理節點，最后通過有線網絡的方式將數據上傳至終端服務器，便于相關工作人員進行數據的分析、統計、匯總或預警等。該網絡對各個設備的基本要求有：相關節點或設備具有接入3G/4G移動通信網絡的功能，部分設備自帶能量供應模塊，同時相關的物聯網應用服務平臺也能通過3G/4G網絡進行雙向的數據通信。

5 數據綜合處理平臺需求分析

智慧校園無線傳感器網絡監測系統的數據綜合管理平臺的需求主要有：

（1）收集各個節點采集來的環境數據，并進行分類、統計、匯總等；

（2）能夠根據系統預設的預警值進行災情的發現和定位，并及時將相關災情警示給值班人員或以電話、短信的方式通知值班人員；

（3）根據系統預設的警戒值，對校園內可能要發生的擁堵或可能涉及危害校園安全的事情進行提前預警，并通知給相關值班人員；

（4）識別進出校園的人員和車輛的信息，自動識別利用校園相關資源的人員信息（比如識別進出教室或實驗室的人員信息）；

（5）能分析溫度、濕度、空氣密度等環境數據之間的關系，能提前預警相關的災情（火災、有毒氣體泄露等）等；

（6）可根據客戶自身數據分析要求，利用相關的數據自定義相關的報表。

6 結語

本文的智慧校園無線傳感器網絡監測系統的系統需求研究是建立在對各種校園管理應用需求分析的基礎上，通過利用現有成熟的通訊技術和網絡技術來進行分析，力圖實現低成本的智慧校園無線傳感器網絡的建設工作，達到保障師生在使用校園資源時的安全性，同時通過對校園人員信息、環境等數據的采集、傳輸、分析，也實現了對校園環境的實時監控與預警，從而能提高學校的管理水平，同時也高水平服務師生在校園內的生活與學習。

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