基于物聯網技術的智慧校園建設與研究

吳有龍 楊忠 徐楠 謝慧 張旭

摘 要：針對傳統的“數字校園”向“智慧校園”邁進中計算機和信息技術的發展，原有的數字校園的運行方案和技術手段都有待進一步完善。文中結合智慧校園建設過程中的現狀，重點論述了智慧校園的三層物聯網架構，包含傳感層、網絡層和應用層，以智慧教室為例提出基于物聯網技術的建設方案，為智慧校園的智能化建設提供一種新的參考模型。

關鍵詞：物聯網;數字校園;智慧校園;智慧教室;智能化;建設方案

中圖分類號：TP393.18文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）01-00-02

0 引 言

隨著以物聯網、大數據、云計算、人工智能和移動互聯為代表的新一代信息技術的發展，在教育領域，集智能技術、智能應用和智能管理于一體的智慧校園已成為新的研究熱點[1-4]。與傳統的數字校園相比，智慧校園能夠更快、更靈活、更經濟地提供各種服務，是高校教育信息化發展的一種新模式。

目前，國內外大學都在開展智慧校園的建設工作[5-6]。

美國南加利福尼亞大學利用物聯網技術，對校園內建筑的供暖、送風、空調等進行跟蹤和控制，實現了智慧節能的“綠色校園”[7]。浙江大學智慧校園的建設已涵蓋了安全、綠色、生態、和諧和科技等多個領域。上海交通大學學者提出無處不在的智慧課堂理念，將校內圖書館電子資源嵌入到教務管理系統中，實現了課程內容、教學內容和電子儲備資源的實時交互。南京郵電大學學者提出建立一個開放、創新、合作、智慧化的綜合性信息服務平臺，基于這個平臺，教師、學生和管理人員可以定制基于角色的個性化服務，充分感知不同的教學資源，實現工作、生活、學習的互動、共享和合作環境，實現教育信息資源的有效收集、分析、應用和服務[8]。因此，智慧校園的引入是新一代信息技術發展的必然產物，將物聯網技術融入智慧校園建設，必將使智慧校園更加完善，為高校穩定快速發展提供了便利[9-10]。

1 智慧校園的現狀和關鍵技術

智慧校園的物聯網強調通過建立相關鏈接來構建一個智慧服務系統，實現人員、機器、樓宇和管理之間的數據信息交互，實現對人、物的定位、管理和控制。圖1所示是基于物聯網的智慧校園具體模型框架，其主要包括傳感層、網絡層和應用層。

傳感層位于物聯網架構的底部，是數據信息采集的關鍵部分，能用分布計算的方式實現數據的融合，為各類數據的推送和系統的數據分析提供數據支持。傳感層包括各種智能終端接入設備，如手機、平板等，以及其他環境傳感器設備，如視頻音頻輸入設備、射頻識別系統、智能傳感器、GPS、傳感器網絡接入網關、中間件等。傳感層不僅可以通過接口從硬件設備和環境條件中獲取信息，還可以提供所有收集信息的人工反饋，實現對身份、環境、位置和需求的信息采集、捕獲和對象識別。

網絡層是由傳感設備接入的通信網絡，其功能主要是將互聯網、移動通信網（3G和4G）和衛星通信網等融合在一起，建立統一的網絡平臺，提供穩定、安全的網絡傳輸，使各項業務的協作成為可能。網絡層主要通過網絡訪問所有感知設備，將從環境中感知到的所有信息轉換為相關的語義信息。然后對感知信息進行分析，通過校園云存儲和計算相關數據，實現對服務的記錄和云服務的發現與組合。

應用層是各種現有數字應用系統的融合，通過將信息服務整合到各類信息系統中，實現校園門禁管理、考勤管理、便捷繳費、實時監控、教室智慧控制、圖書管理和各類公共設施管理等功能，構建和諧、生態、和平、綠色的校園，將智慧管理融入校園管理的各個方面，為教學、科研和管理提供智慧支撐。

高校信息化建設在發展的過程中，已經形成了有線網和無線網相結合的基本網絡。在此基礎上，建立具有各種應用的數字校園，如辦公自動化、各種郵件系統、卡片系統、科研管理系統和學術服務系統。但是由于各種系統都是周期性地構建，而不是統一地規劃和部署，因此缺乏統一的信息門戶和身份認證，每個系統都各自進行劃分和設置規則。因此，形成了許多信息孤島，造成數據冗余，不利于統一數據和協同工作，也不能滿足全面實現教學和教育信息現代化，以及提供各種智慧化綜合信息服務的需要。在這個信息化建設的過程中，必須整合目前的資源，建立一個基于數據融合的智慧校園，統一數據中心與數據交換系統，統一信息門戶和身份驗證。

2 基于物聯網的智慧校園發展應用

在智慧校園領域，學習、生活和工作的過程是通過在線系統進行的，這使得學生、教師和管理人員可以隨時隨地通過網絡參與學習和工作。智慧教室是智慧校園的一個典型應用，可以利用物聯網相關技術提供智慧服務。與傳統的網絡化、數字化教室相比，智慧教室最主要的特點是可以實現智能監控、反饋和管理。圖2為智慧教室整體設計方案。

智慧教室由多個模塊組成，包括智能識別、安防監控、門禁系統、環境監測、智能窗簾、燈光控制和智能遙控等模塊，可實現智慧的“教”，智慧的“學”和智慧的“管”。智慧教室的各個模塊融合構成了六大系統，可實現的主要功能包括：教務考勤管理系統、智慧教學系統、智能設備管理系統、智能環境監系統、智能安防監控系統和智能電器控制系統。

智慧教學系統的主要設備包括電子白板、投影儀、教師和學生計算機、音頻輸入/輸出設備、多媒體控制器等，可實現教師和學生的在線互動，資源共享和分發，以及遠程/本地視頻通信。智能設備管理系統采用高頻讀卡設備對教室內的設備進行監控管理，通過有線或無線方式進行遠程登錄控制及儀器設備的管理。智能環境監控系統利用各類傳感器采集的數據，可達到實時監測當前環境具體數據的效果，并反饋至上位機設備，上位機對數據分析后，將下達相應調整及控制命令，使得控制過程更加智能高效。智能安防監控系統在教室中安裝煙霧傳感器、門禁傳感器、紅外傳感器、聲光報警器和煙霧監測傳感器，實時監測周圍的環境信息，當有危險發生時，傳感設備將監測到具體數據并向主機發出報警信號。智能電器控制系統利用傳感器感知教室內情況，當房間里沒有人時，燈光會自動熄滅，如果有人時，燈就會自動亮起來，根據光照的強弱，室內窗簾可以自動拉開或閉合等。物聯網技術可被應用在智慧校園的各個方面，如智慧教室的建設、推廣和應用能夠大大優化教學資源的配置，通過物聯網、云計算等技術構建的網絡平臺可實現對校園內教室、實驗室、學生、教師和管理人員等教學資源進行統計、分析和管理。