基于物聯網的智慧校園構建

摘要：物聯網技術快速發展，在普通高校智慧校園建設過程中發揮著重要作用。以基于物聯網技術的智慧校園體系建設為載體，闡釋物聯網相關技術，分析智慧校園建設中物聯網技術應用組成部分及作用，同時對智慧校園建設中存在的問題進行梳理，并展望未來技術發展方向。

關鍵詞：物聯網技術;智慧校園;教育建設

DOI： 10. 11907/rjdk.191864

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7800（ 2020）004-0208-03

0 引言

物聯網技術推進了教育信息化發展，使教學及相關管理更加多樣化、人性化、智慧化，為智慧校園建設與實施提供了技術保障[1]，對于提升教學質量具有重要意義。基于物聯網的智慧校園體系建設及技術成為重要研究課題。

目前，關于智慧校園構建的研究分析主要集中在智慧校園信息化建設背景、設計與架構上。沈霞娟等[2]認為智慧校園信息化建設應包括網絡基礎設施、數據支持平臺和智慧應用服務3項內容;蔣東興等[3]將智慧校園體系結構劃分為智能感知層、網絡通信層、大數據層、智慧校園應用層、自適應交互平臺和支撐保障體系;任軍利[4]提出利用現代信息技術，整合高校資源，達到資源共享，實現校園智慧化功能;王凌云等[5]提出通過高速處理海量數據，為智慧校園建設提供動態服務。通過梳理國內外智慧校園建設研究現狀，發現智慧校園建設基本理念是基于信息基礎設施的完善以提供更優質的服務，通過資源整合方式實現資源共享。本文以基于物聯網技術的智慧校園體系建設為主題，總結物聯網技術在智慧校園建設中的應用，對智慧校園建設中存在的問題進行深入分析，指出未來技術發展方向。

1 物聯網技術在智慧校園建設中的應用

智慧校園建設主要面向師生，目的是搭建針對師生在校日常生活、教學教務管理和教育資源共享的數字化建設平臺[6]。智慧校園以智能感知和網絡互聯協作及與外部交流進行接口交流和感知，實踐證明物聯網技術非常適合智慧校園開發建設，以物聯網為基礎的智慧校園建設應用物聯網技術與外部相互感知及交流是物聯網的重要成分。

1.1 教學建設

在校園網建設中，對用戶設置3種類型賬戶，分別是管理員、教師及學生。管理員賬戶擁有網絡最高權限，可對教師賬戶及學生賬戶基本資料和權限進行修改與控制，同時可查看所有賬戶全部信息。教師賬戶和學生賬戶僅能查看自己的信息，且無權修改，但教師賬戶使用校園網的范圍廣于學生賬戶，教師賬戶在校園內均可使用校園網，學生賬戶只能在特定范圍內才能使用校園網。例如在教室里，教師賬戶可以在多媒體上使用校園網進行資料查詢，而學生賬戶在教室內沒有上網權限，在圖書館與自習室內則可以進行網上查詢操作。在每個教室里安裝多媒體，并且保證每個多媒體之間網絡互聯，相互之間可以訪問，進行資源共享。同時在校園中所有需要聯網操作的地方均必須使用校園網，方便實時監控校園內網絡動向，保障網絡安全。

1.2 環境建設

在教室里安裝智能窗簾與噪聲監測器，根據光線感應系統對室外光線、燈光及投影亮度的判斷，適時調整窗簾狀態，給師生營造一個良好的教學環境;聲音感應系統根據上課時的聲音大小判斷是否為噪聲，若聲音過大則會進行警報提醒，警報次數過多會有相關監督老師過來查看，進行秩序維護和課堂情況記載，扣除相應班級分數，以此可有效維護課堂秩序，培養學生課堂學習自覺性，方便學校對班級和老師進行考核打分，對教學管理起到很大幫助。

紅外線感應技術的應用可以有效節約校內資源，加強校園智能化建設。走廊燈使用紅外線感應燈，在有人時自動開燈，離開時燈熄滅，節約用電;在廁所中安裝感應式水龍頭，只有將手放在水龍頭下時才會有水流出，在手離開時，水會隨之停止，可以有效減少水資源浪費。

1.3 -卡通管理建設

一卡通是為學生在校生活提供便利的一個重要工具[7]。在卡中利用RFID電子標簽植入用戶信息，每人有且只有一張卡。校園卡既方便學生攜帶又方便管理員管理與維護。其主要功能包括：身份認證識別系統、校園餐飲收費管理系統、校園一卡通圖書館管理系統等其它管理系統。在每一收費處設置RFID閱讀器，當卡放在設備上時，后臺服務器采集用戶信息，并將卡內余額顯示在設備上，卡內金額交易根據收費員實際操作進行扣款與充值，比如在食堂用餐、超市購買物品、宿舍購買熱水及充值。若卡內余額不足，將提示余額不足信息，只有在卡內額度充足時才能進行消費操作。

1.4 圖書管理建設

圖書管理建設主要是RFID技術、定位系統以及紅外線感應器的綜合運用。圖書館門禁系統采用RFID技術對人館人員進行身份識別[8]，在校園一卡通里裝有唯一可識別的芯片，在刷卡進入時，由感應系統識別芯片并確認身份。

圖書館管理重點是圖書，每一本書籍貼有唯一的RFID標簽（二維條形碼），館內多處設有閱讀器，由閱讀器將書籍定位信息發送給主服務器，在登錄服務器之后，可以查看所有圖書信息，并且只有管理員可以進行該操作。在大廳設置導航電腦，借閱人員可通過電腦查詢圖書基本信息，如書籍位置、圖書簡介、作者介紹等，電腦聯網操作也必須使用校園網，校園網管理員可對其進行網絡管理。借閱圖書時，管理員需使用紅外線感應器設備對圖書進行消磁操作，方可成功借閱圖書，在圖書館門口設置相應感應器，若圖書未進行消磁，設備將發出警報提醒，以免圖書丟失。同時在歸還圖書時，需要對圖書進行充磁操作，確保圖書能及時放回原處，方便圖書下次被借閱。

1.5 安全管理建設

校園建設重點之一是安全建設，無論是校內師生、工作人員還是校外人員，其人身安全在校內都需得到有效保障。除安保人員外，門禁和讀卡設備、監控設備、安全通信控制系統都是安全管理建設中的關鍵應用。其中物聯網技術發揮著很大作用，其典型應用為RFID、電子攝像頭等智能終端。在校園各個教學樓、主干道及角落處均安裝攝像監控，將校園劃分后進行分塊管理，每個區域均設置一個監控室，安排工作人員實時監控校園狀況，確保人員安全。

除校內人員人身安全外，校內貴重的教學設備安全也很重要[9]，比如教室多媒體、實驗室電腦以及其它重要實驗設備等。在不易挪動的貴重設備裝上有包含基本信息的RFID標簽，將標簽嵌入設備，并設置警報裝置，在操作不當或設備故障時可自動發出警報提醒。在機房及有重要電子設備的地方需裝上溫度、濕度及煙霧報警器，在發生事故時，可及時發現并采取有效措施，減少設備損失。

2 智慧校園建設架構

2.1 建設規劃

以物聯網為基礎的智能管理系統主要由4個技術體系層面有效整合而成，其主要包括：感知與控制層、網絡層、平臺服務層、應用服務層[10]。其中物聯網技術在智慧校園中的建設主要通過感知層、傳輸層、數據處理層3個層面的建設實現，本部分將基于這3個層面展開分析。

2.2 建設方案

2.2.1 感知層建設

（I）RFID子網。在RFID子網中，根據射頻識別獨有的特點——自動識別，可以通過閱讀器發射無線電信號讀取并獲得物體相關數據信息，主要由電子標簽和閱讀器兩部件組成。根據獲取信息數據距離的遠近，可以將RFID分為低頻、中頻、高頻以及超高頻四大類。由于大部分高校已廣泛使用校園一卡通，因此校園一卡通建設可以在RFID校園子網的基礎上實現。關于RFID校園子網建設，本次設計方案采用校園卡和移動通訊技術相結合，并基于RFID 2.4 GHz頻率融合手機SIM卡技術的特殊實現方式，使校園卡和電話卡兩卡合一，把校園卡作為內部RFID識別基本媒介。其中RF-SIM卡是可實現中短距離之間無線通信的手機智能卡，通過它可以進行消費、身份識別等操作，是一個多功能的全方位服務平臺。

（2）二維碼子網。二維條碼是按一定規律在平面上分布的黑白相間的圖形，它是一種特定的幾何圖形，用來記錄數據符號信息，通過光電掃描設備對其進行掃描，讀取和識別其中包含的信息。二維碼在校園中的應用非常廣泛，主要集中在對圖書館書籍管理、機房內重要設備管理及校內物資入庫、出庫管理、出庫內部管理和貨物配送等環節。由于圖書館各房間大小不同、機房樓層間距較大，導致二維碼分布比較分散，可以通過建設數據采集基站有效解決該問題。二維碼具體作用如下：首先是入庫管理，在物資上貼上二維條形碼標簽，通過標簽可識別物資存放信息和特征信息，并將其信息存放在數據庫;其次是出庫管理，在物資出庫時掃描上面的二維碼，確認物資信息，再確認無誤后更改庫存狀態;然后是出庫內部管理，庫存盤點和出庫備貨過程均需使用二維條碼;最后是貨物配送階段，在配送物資之前，將配送物資的資料由終端傳輸到目的地，選出待配送的物品并掃描其二維條碼，確認配送完該物品后，終端顯示出相應提示，并確認配送情況。

（3）傳感器子網。傳感器是物聯網核心元件，就像人體神經末梢，它對外界變化的感知最迅速、敏感，是感知外界變化的關鍵，而且傳感器配備是基于物聯網的智慧校園建設完整構成的必備條件。傳感器的作用是存儲擁有二維碼及RFID識別工作物品的關鍵信息，在物品信息發生改變時，通過傳感器可及時更新，改變物品信息，即時檢測物品實時信息。傳感器不僅在物品信息改變的識別上體現了敏感性，更重要的是傳感器能夠實現節點與節點之間的可靠傳輸，這對物聯網建設與應用具有重大意義。

2.2.2 傳輸層建設

校園網建設是傳輸層建設的基礎，目前大部分高校已建立校園網。加快無線校園網建設的步伐，使基于物理網技術的管理范圍更廣，同時還應加大移動服務構建頻率、無線傳輸通道建設和路由器建設，這三者是無線傳輸通道建設的主要內容，也是傳輸層中的重要傳輸媒介。

2.2.3 數據處理層建設

數據處理層建設是智慧校園建設的一個重要環節，通過對用戶信息的分析處理實現信息判斷。在已有技術基礎上通過對各種軟件的有效利用與融合，建立智慧校園軟件平臺，通過對軟件平臺的使用實現校園管理智能化，在這個過程中有兩個重要應用。

首先是校內管理應用，包含學生教學管理、后勤管理、學生管理、圖書館管理、教職工和學生考勤等，建立完善的物聯網架構，同時構建統一的信息平臺。比如教務管理系統、智能后勤管理系統、圖書管理系統等，利用這些系統可以有效提高教學質量與水平。

其次是對校內人員身份識別的應用，主要是門禁身份識別系統，其中包含實驗室、教室、圖書館、車禁，學生宿舍等門禁身份系統，在校園內建立一套完整的身份識別系統，通過RFID、校園一卡通和二維條碼識別確認身份，加強安全建設。

3 問題及發展方向

智慧校園建設相關研究表明，在實際構建過程中還存在諸多問題。目前智慧校園研究集中于技術應用層面，對物聯網相關技術的意義和作用強調得較多，對教育教學方面考慮較少。智慧校園概念還需普及，相關技術也有待進一步發展，智慧校園不會在短時間內取代數字校園。在教育領域的技術應用還需加強，其上升空間較大。

基于物聯網技術的智慧校園建設促使數字校園向智慧校園轉化，對教育質量的提高有重要作用，同時也開拓了教育信息化與智能化的新邊界。目前教育正處于變革階段，教育信息化與智能化起著重要促進作用，它們既提升了教學和管理質量，也加快了教育科研、秩序管理和政策的實施與融合。教育管理信息化與智能化還需在實踐中繼續積累經驗，構建更好的環境和更完善的建設體系。

目前在智慧校園建設中，物聯網技術與其它技術之間的聯系并不密切，大部分應用使用物聯網技術實現，技術應用單一，應著力打破技術壁壘。人工智能與云計算技術已逐漸在智慧校園中得到應用，具體措施包括在校園安保中設置基于人臉識別的視頻監控系統，在圖書館內設置自動借書還書系統等，既節約人力成本，同時也可進一步確保校園安全，提高工作效率。未來智慧校園建設必將融合更多的智能技術。

4 結語

基于物聯網技術進行智慧校園建設是高等院校智慧校園建設發展的主要方向。相關技術改進依賴于人工智能與云計算技術的發展與應用[11]，未來應加強技術之間的深度融合，探索新的建設方式，以創造更高價值。

參考文獻：

[1] 劉永峰.物聯網技術在智慧校園建設中的應用[J].中國戰略新興產業，2018（12）：73.

[2] 沈霞娟，高東懷，劉健，等.面向智慧校園的第四軍醫大學新校區信息化建設方案初探[J].華東師范大學學報（自然科學版），2015（1）：45-46.

[3] 蔣東興，付小龍.大數據背景下的高校智慧校園建設探討[J].華東師范大學學報（自然科學版），2015（3）：119-125。

[4]任軍利.基于信息化的“智慧校園”建設方案與實施[J].信息系統工程，2016（4）：124-125.

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[8] 孟勛.基于物聯網的智慧校園建設[J].中國科技信息，2019（7）：19-20.

[9]周蕾.智慧校園建設的現狀、問題與對策[J].現代職業教育，2017 （3）：105.

[10] 讓金鵬.物聯網技術在智慧校園建設中的應用現狀與發展趨勢[J].計算機產品與流通，2017（12）：222.

[11] 周彥偉.智慧校園建設中的物聯網技術研究[J].科技風，2018（36）：104.

（責任編輯：江艷）

作者簡介：朱倩（1983-），女，碩士，武漢科技大學城市學院信息工程學部講師，研究方向為物聯網、信息技術教育。