融合WLAN 和移動通信的智能數(shù)字校園方案研究

吳淑坤

（唐山師范學院 計算機科學系，河北 唐山 063000）

1 引言

數(shù)字校園最基礎的核心技術(shù)是計算機網(wǎng)絡技術(shù)[1,2]，基于計算機網(wǎng)絡實現(xiàn)信息資源共享，強調(diào)合作、分享，是一種集網(wǎng)絡化、數(shù)字化、智能化為一體的新型教育、學習、辦公以及研究的教育環(huán)境。“數(shù)字校園”的出現(xiàn)使校園學習以及辦公效率大大提升。

傳統(tǒng)數(shù)字校園基于有線網(wǎng)絡，這種方式具有布線難度大、擴展性差、覆蓋面有限、設備要求高等缺點，這種校園系統(tǒng)的使用者需要被限制于計算機前。之后，數(shù)字校園建設中引入無線網(wǎng)絡，提高了校園網(wǎng)絡的覆蓋面和增加信息接入點，使辦公以及學習移動化，但WLAN 設備成本高，因此只會在師生比較密集的教學樓以及圖書館等公共場所有覆蓋，在其他地方無法使用數(shù)字校園系統(tǒng)。另外，傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)產(chǎn)生的教育大數(shù)據(jù)，不能夠高效存儲和處理，數(shù)據(jù)挖掘深度有限，信息利用不充分，難以通過移動互聯(lián)網(wǎng)推送個性化教育服務。

為解決傳統(tǒng)數(shù)字校園使用瓶頸，浙江大學提出了“智慧校園”[3]的方案，這個方案中包括不限時間和地點的網(wǎng)絡學習、全透明高效率的校務管理、多彩豐富的校園文化和生活[4]，這種新型的開放式的教育模式為學習者提供了個性化成長和發(fā)展需求環(huán)境[5]，學習者可以運用和創(chuàng)造資源，并自由選擇多種媒體整合學習資源。另外，“智慧校園”在校園的安全防護、智能教務管理及圖書館信息管理等方面具有全方位感知并能及時反映的特性。因此“智慧校園”是信息化教育產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢[6]。

本研究提出一種融合WLAN 和移動通信的智能數(shù)字校園方案，該方案借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及移動終端取得數(shù)據(jù)，利用融合WLAN 和4G 移動通信技術(shù)的移動互聯(lián)網(wǎng)層進行數(shù)據(jù)傳輸，使用大數(shù)據(jù)相關技術(shù)對大量的用戶及教學資源等數(shù)據(jù)進行存儲、分析，為師生以及學生家長提供全覆蓋的個性化服務。

2 數(shù)字校園系統(tǒng)設計

圖1 數(shù)字校園系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

如圖1 所示，融合WLAN 和移動通信技術(shù)的數(shù)字校園系統(tǒng)架構(gòu)，主要包括移動互聯(lián)網(wǎng)和校園大數(shù)據(jù)平臺兩個模塊。

移動互聯(lián)網(wǎng)模塊包括通信設備以及網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸方式，WLAN 和移動通信為數(shù)字校園系統(tǒng)中的兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，移動終端則同時包括用戶移動設備以及物聯(lián)網(wǎng)終端，移動終端通過移動互聯(lián)網(wǎng)絡層與數(shù)據(jù)平臺進行交互。

校園大數(shù)據(jù)平臺模塊包括應用展示、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)存儲三部分，其中應用展示部分為校園數(shù)據(jù)平臺給用戶所提供的應用支持，純軟件實現(xiàn)，具有實現(xiàn)代價低、可擴展性強等優(yōu)點；數(shù)據(jù)處理部分用于處理用戶數(shù)據(jù)，后臺數(shù)據(jù)平臺在獲取用戶數(shù)據(jù)并處理后可以對用戶提供個性化服務；數(shù)據(jù)存儲部分用于存儲應用數(shù)據(jù)以及用戶相關數(shù)據(jù)。

3 數(shù)字校園系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 移動互聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)

融合WLAN 和移動通信的網(wǎng)絡架構(gòu)如圖2 所示。師生在校園WLAN 覆蓋區(qū)域可以直接通過WLAN 訪問校園網(wǎng)，在覆蓋區(qū)域外自動切換到4G移動通信網(wǎng)絡訪問校園網(wǎng)。

圖2 融合WLAN 和移動通信的校園移動互聯(lián)網(wǎng)

WLAN 選用802.11g 標準，這一標準在擴頻方面采用OFDM 技術(shù)，傳輸速率最高可達54 Mbps，有效帶寬為24.7 M。4G 移動通信網(wǎng)絡這部分選用TD-LTE 標準。TD-LTE 標準下，傳輸速度能超過100 Mbps[7]，是我國第四代（4G）移動通信技術(shù)與標準。它是更適合于寬帶系統(tǒng)的OFDM 技術(shù)，提供比3G HSPA 高2-3 倍的頻譜利用效率，下行峰值速率可以達到110 Mbps、上行峰值速率達到30 MHz。另外，TD-LTE 支持1.4/3/5/10/15/20 MHz總共 6 種不同的系統(tǒng)帶寬選項，更為先進的TD-LTE-Advanced 通過載波聚合技術(shù)，可以支持以上6 種帶寬選項的不同組合，包括連續(xù)或者非連續(xù)頻率資源的組合使用，最大可以達到100 MHz的系統(tǒng)帶寬，充分滿足各種頻率資源場景和網(wǎng)絡部署帶寬的需求。

從通信系統(tǒng)角度看，4G 系統(tǒng)與WLAN 都由終端、網(wǎng)絡、業(yè)務三部分組成，包含終端融合、網(wǎng)絡融合和業(yè)務融合。每部分融合獨立且關聯(lián)。按照與移動通信關聯(lián)程度，4G 與WLAN 融合方案又分成緊耦合與松耦合兩大類。前者強調(diào)在移動、業(yè)務與應用的全面融合，后者則一般提供合并后臺賬單等功能，但由于松耦合在計費和業(yè)務方面和移動通信脫離，并沒有發(fā)揮其無線移動的作用。考慮到松耦合在無線移動中的局限性，本方案采用緊耦合方式形成智能數(shù)字校園系統(tǒng)中的移動互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。

3.2 校園大數(shù)據(jù)平臺的實現(xiàn)

校園大數(shù)據(jù)平臺使用非關系型數(shù)據(jù)庫Hbase對用戶數(shù)據(jù)進行存儲，采用并行計算和實時計算等處理技術(shù)，對教育大數(shù)據(jù)進行高效、實時處理，并進行數(shù)據(jù)挖掘和分析處理。這里應用Hadoop 集群和MapReduce 編程方法對歷史數(shù)據(jù)進行批處理，為不同用戶提供差異性的個性化服務。

4 系統(tǒng)的應用

融合WLAN 和移動通信的智能數(shù)字校園系統(tǒng)，主要針對師生、家長、校長、教學主管、社會公眾等用戶角色進行應用服務設計。為保障信息安全管理控制，不同用戶角色擁有不同的應用服務訪問權(quán)限。應用服務主要分為五類：學籍、學工人員信息管理、教務教學管理、因材施教、學校資源管理、校園生活。詳見表1。本文以教務教育管理為例對該系統(tǒng)應用進行詳細分析。

4.1 日常教學

學生可以將課堂以及課后學習中不懂的知識點記錄在手機并反饋到校園系統(tǒng)，數(shù)據(jù)平臺對該學生反饋的知識點進行分析后，將數(shù)據(jù)平臺中該知識點相關資料推送給該學生，并將該問題反饋推送給相關教師及助教，在該課程期末復習過程中，數(shù)據(jù)平臺可以對該知識點進行重點推薦。智能數(shù)字校園還能為學生提供自主學習、合作學習等支撐環(huán)境，培養(yǎng)學生自主學習的能力，拓展學生的學習空間。

4.2 實驗室的管理

實驗室的管理主要由實驗設備信息管理和實驗過程信息化管理組成。學生可以通過移動設備登陸校園網(wǎng)，取得實驗操作流程和方法，并閱讀關于設備和操作流程的詳細內(nèi)容。如果學生在實驗過程中出現(xiàn)錯誤的操作，物聯(lián)網(wǎng)設備感知后會向遠程信息化系統(tǒng)發(fā)出警告并切斷實驗設備防止發(fā)生事故。實驗過程中的實驗數(shù)據(jù)可以由物聯(lián)網(wǎng)設備自動記錄并提供給實驗者，以方便實驗者進行數(shù)據(jù)分析。學生可以將分析算法輸入到校園數(shù)據(jù)平臺，借助數(shù)據(jù)平臺完成所獲取數(shù)據(jù)的自動分析工作。另外，實驗室內(nèi)可以安裝集成物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)的智能插座，插座除了供電外還可以實時地將實驗用的設備耗電量反饋給管理人員，管理人員則可以完成實驗室設備的能耗管理。

表1 智能校園系統(tǒng)的應用

5 結(jié)論

本文設計的移動互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)將WLAN、移動通信網(wǎng)融合，為校園數(shù)字系統(tǒng)提供網(wǎng)絡支持。與傳統(tǒng)的數(shù)字校園系統(tǒng)相比，這種新的校園數(shù)字系統(tǒng)具備了感知化、互動性、個性化等優(yōu)點，使得數(shù)字校園系統(tǒng)不再受到時間地點等限制，用戶可以隨時隨地享用數(shù)字校園帶來的便捷。