物聯網技術環境下的智慧校園系統設計

宋果昇 周春萍

（山東青年政治學院 山東省濟南市 250103）

1 物聯網技術及智慧校園概述

1.1 物聯網技術

物聯網技術是信息技術發展到一定階段的重要標志，是對互聯網的延伸和拓展，簡單來說就是將現實世界事物重新建立在虛擬世界的一種技術，主要通過二維碼、傳感技術、掃描技術等技術手段來實現[1]。物聯網概念在2005年正式提出，主要指借助信息傳感設備，在遵循一定規則和約定協議的基礎上，實現人與物、物與人、物與物之間的相互聯系，并借助互聯網進行信息采集、傳輸和交互，以便準確感知物質世界，為智能化實現提供支持。目前，物聯網技術被廣泛應用在各個領域，如生產、運輸、存儲和銷售，醫療衛生，公共安全及環保等，在一定程度上代表了一個國家綜合實力和技術實力。物聯網應用主要涉及三個層次：

（1）網絡層：核心網、通信網、云計算、人工智能、數據存儲處理等，確保校園的全覆蓋、安全穩定、便捷快速；

（2）感知層：傳感器、GPS、數據庫及智能終端等，收集校園環境中各種信息，為定位、識別與監控、數據分析與決策提供輔助；

（3）應用層：智慧校園、智慧交通、智慧城市等，實現各項業務系統的建設與數據共享，個性化服務定制、推送與智能推薦。

1.2 智慧校園

智慧校園主要通過物聯網技術實現，利用各種計算機應用系統創建智慧化的學習、生活和工作一體化環境，實現校園內教學、管理、科研與生活的相互融合。智慧校園與數字化校園有一定相似性，但智慧校園相較于數字化校園更加智能化，需要在數字化校園基礎上進行發展[2]。2018年，我國正式出臺關于智慧校園創建框架，指出創建智慧校園能夠為師生提供一個更加系統全面的感知環境和綜合信息處理平臺，還能實現校園內部各項工作的協同發展、加強校園內外的溝通交流。

2 智慧校園系統整體設計思路及技術支撐

2.1 整體設計思路

智慧校園系統是對互聯網技術的拓展和延伸，能夠將校園基礎設施，如教學樓、辦公樓、實驗樓、體育館、餐飲樓等，智慧設備，如多媒體教室、多媒體設備、一卡通等、教職工及學生等相互連通，創建信息共享、協同發展的智慧校園系統，為校內各項事務發展提供支持[3]。想實現這一目標，一方面要構建一個統一基礎設施系統，確保有線網絡、無線網絡、局域網等全面覆蓋校園，具有強大計算分析能力和功能的數據共享處理服務，因此，需要將各種傳感設備、EPC、RFID 等安裝在校園內不同設備中，形成完整的物聯網體系。另一方面，智慧校園的載體是各種應用服務，業務邏輯較為繁雜，涉及基礎設施也難以計數，要建立統一門戶系統，為用戶提供便捷訪問。所有應用服務都需要經過門戶系統的認證才能訪問，以保障門戶服務安全性。此外，還應遵循同一信息標準體系，對不同系統和功能進行控制，具體包括三方面：依據國際或國家標準進行軟件設計與開發；健全信息編碼及數據規范；依據實際制定適宜學校的硬件設施標準。

2.2 技術支撐

硬件支撐。智慧校園系統需要處理海量信息，并對這些信息進行深入挖掘、分析與存儲，需要功能強大的服務器、交換機、存儲設備等硬件設施[4]。同時，不同應用服務的實現，也需要相關硬件設施的支撐，如智慧照明系統，便需要MCU 作為核心控制部件、微波探測技術、光敏三極管、時鐘模塊等；自習室查詢需要人體紅外識別傳感器等。

網絡支撐。校園內的無線網、局域網等組網模式、數據格式和通信協議存在差異，不利于信息高效傳輸，學校應當制定統一信息體系，可以6LoWPAN 為基礎，構建IPv6 物聯網網絡，充分發揮其傳輸效率高、高性能、可拓展及地址無限量的優勢，實現校園內部網絡全方位、無死角、統一化。

智能感知支撐。智能感知層發揮著感知校園環境，識別、提煉與篩選各項信息的關鍵作用，是物聯網技術環境下智慧校園系統必須具備的技術。要根據實際環境和需求，合理設置傳感器節點，如教學樓、宿舍樓、校醫院、體育館等，確保環境感知及信息獲取的全面性；可利用6LoWAPN 將各傳感器組網，并利用RFID、攝像監控等智能感知校園環境，并將感知到的信息實時傳遞給系統。

3 智慧校園系統整體功能模塊

3.1 智慧教學

學校的主要工作是教學，智慧校園系統必須重視智慧教學管理，包括教室管理、師生管理、設備管理及實訓管理。教室管理根據傳感器感知教室使用情況，將教室使用頻率、使用時長、空缺教室等信息傳送至系統，便于進行教室管理與安排；師生管理對教學上課整體情況進行動態化監控，包括上課考勤、考核成績、課堂表現等[5]；設備管理體現使用設備的具體情況，如損耗、故障等，便于進行養護維修，避免教學設備故障或缺失；實訓管理，通過傳感器監控實訓教室，實時了解實訓情況，便于教師優化教學方案。

3.2 智慧應用

智慧消費，利用RFID 技術或數據庫技術升級一卡通功能，智慧管理中心可以了解師生一卡通使用情況，通過一卡通定位師生位置和卡內金額變動情況，保障師生財產安全[6]；將一卡通與圖書館、教學樓系統相互連接，通過一卡通實現上課考勤、圖書借閱、座位預約、交通使用等功能，為師生生活提供便利。自習室查詢，在教室內安裝紅外識別傳感器，通過人體紅外識別技術判斷教室內是否有人，為社團活動、講座開辦、教師補課等提供便利。

3.3 智慧后勤管理

智慧后勤管理主要包含智能照明、安防警報、智慧交通等功能模塊，其中，智能照明系統利用MCU 作為核心控制部件和微波探測技術檢測人體存在，利用光敏三極管檢測環境光，系統根據人體存在和環境光情況，合理設置條件，對照明系統進行智能控制。

安防警報系統，設計安防專網為基礎，集采集層、傳輸層、處理層與應用層于一體的校園智能安防平臺，保證平臺數據的安全性與實時性（具體見圖1），通過視頻監控、門禁、GPS、圖像識別、圖像傳導等技術全面采集校園環境、人員及物體情況，將收集到的信息數據傳輸至中心數據庫，利用大數據技術進行監測和分析，為校園安全提供保障[7]。任何區域傳感器異常、進入校園人員發生危險，安防系統將會發出警報信息，并加強這一區域監控，安防人員可根據警報迅速進行處理。

圖1：校園智慧安防系統整體架構

智慧交通系統，實現校園內車輛運行、道路管理及車位管理，校園車輛動態情況發布至校園網，可進行車位預定和取消、停車費支付、交通狀態查詢及數據管理。以停車為例，校園內會出現無法預測車輛數量，服務器顯示有空位實際上沒有空位的情況，使用智慧車位預定，能實時查詢校內空余車位情況，系統會根據預定信息在一定時間內預留車位。借助物聯網采集到的信息對校內交通情況進行數據管理，能夠精確管理校內交通情況、車輛停放信息、停車費管理及車輛使用信息等。

3.4 智慧學生管理

智慧學生管理，能夠對學生在校活動、學習情況、學生檔案等進行管理，也有利于畢業后學生就業情況的跟蹤管理。

3.5 身份認證管理

物聯網技術環境下智慧校園系統，應用覆蓋師生各種校園活動，含有大量個人隱私信息，一旦泄漏將會造成嚴重后果。因此，必須加強身份認證管理，建立具有強大身份認證和數據加密功能的統一認證系統，充分保障信息安全。

4 物聯網技術背景下智慧校園系統實踐成果

4.1 提供移動學習平臺

信息化時代，學生獲取信息的途徑更加多元和便捷，在構建智慧校園時，教師應當充分利用多媒體優勢，為學生提供更加優質教學資源、更加自由靈活學習空間，打破傳統線下教學時空限制，深入挖掘學生潛力，致力于培養復合型高素質人才。教師利用智慧校園系統中在線互動課堂功能，根據教學大綱、教學內容和目標錄制課件，將其上傳至系統中，便于學生學習和下載，還可以利用實時互動功能，解答學生問題[8]。根據學生專業、喜好構建學生信息庫，為學生智能推送相關學習資源，學習資源應當綜合專業知識與拓展資料兩方面，充分滿足學習需求和拓展需求。如：利用智慧校園中圖書信息管理系統，采集學生進入圖書館頻次、時長、借閱書籍、檢索信息等，借助大數據技術繪制學生畫像，建立學生閱讀行為與內在需求關聯，為學生推薦智能化、個性化書目與資料。

4.2 提供智能化教學指導平臺

智慧課堂系統是智慧校園系統中十分重要的內容，能夠在一定程度上緩解教師壓力，學生利用手機掃碼進入課堂，老師直觀掌握學生到課情況，后臺智能統計學生出勤率，教師在線布置課堂測試和作業，提前設置好問題和標準答案，系統自動評閱和總結，迅速知曉高頻錯誤，并據此進行課堂講解[9]。通過智慧課堂系統，教師和學生網絡教育資源的使用頻次也可一目了然，不僅可以檢驗教師信息技術應用能力，還能掌握學生學習需求和興趣，幫助教師調整教學大綱，深入挖掘學生潛能，從而提高教學質量和學生綜合素質。

5 結束語

總而言之，物聯網技術環境下智慧校園系統的設計與構建，能夠顯著提高學校管理效率，為師生校園學習和生活提供更加優質的服務，本文從物聯網技術及智慧校園概念出發，分析了當下智慧校園設計整體思路和技術支撐，并從教學管理、應用管理、后勤管理、學生管理及身份認證管理等方面設計功能模塊，推動智慧校園創建工作。