低功耗廣域物聯網在高校智慧校園中的應用研究

曹紅芳，王 青，步宏飛

（1.河海大學 基建處，江蘇 南京 211100；2.江西賽特智能科技有限公司，江西 鷹潭 338000）

0 引 言

2018年6月，國家市場監督管理總局中國國家標準化管理委員會發布了《智慧校園總體框架》，對智慧校園的總體架構及建設進行了明確規范。這標志著高校智慧校園的建設有了統一的國家標準文件指導，高校智慧校園的建設進入一個全新快速發展的階段。物聯網是現代社會互聯網技術飛速發展的產物，實質上是一種實現物品和物品有效連接的網絡[1]。將物聯網應用到智慧校園中，勢必將顯著地提高校園的智慧管理能力及辦事效率，進一步加強師生間及同學間的相互交流，為其提供更加便捷、高效的智慧化服務[2]。

1 高校智慧校園物聯網建設的現狀和問題分析

1.1 高校智慧校園物聯網建設的現狀

全球物聯網正從碎片化、孤立化應用為主的起步階段進入“重點聚焦、跨界融合、集成創新”的新階段，市場快速啟動，在諸多領域加速滲透，物聯網正處于跨越式增長的前夜[3]。高校智慧校園是指以促進信息技術與教育教學融合、提高學與教的效果為目的，以物聯網、云計算、大數據分析、人工智能等新技術為核心技術，提供一種環境全面感知、智慧型、數據化、網絡化、協作型一體化的教學、科研、管理和生活服務，并能對教育教學、教育管理進行洞察和預測的智慧學習環境。高校智慧校園具有互聯性、智能化、交互性、移動性、開放性、共享性等特點[4]，主要有三個核心功能：一是為廣大師生提供一個全面的智能感知環境和綜合信息服務平臺，提供基于角色的個性化定制服務；二是將基于計算機網絡的信息服務融入學校的各個應用與服務領域，實現互聯和協作；三是通過智能感知環境和綜合信息服務平臺，為學校與外部世界提供一個相互交流和感知的接口。

高校智慧校園旨在打造一個智能的校園工作、學習和生活一體化環境，這個一體化環境以各種應用服務系統為載體，將教學、科研、管理和校園生活進行充分融合。高校智慧校園是在數字校園的基礎上發展起來的，是數字校園發展的高級階段。數字校園解決了校園管理的電子化、信息化和網絡化的問題，但是智能化的校園管理需要更多的動態化信息和數據，并且需要將范圍擴展到校園內的萬事萬物和每一個角落。物聯網技術將現實世界與虛擬世界融合到一起，進一步推動人類社會信息化和智能化發展，能夠為人類提供更加智能的生活環境和更加精細的管理方式[5]。高校智慧校園的建設與時下物聯網技術的高速發展密不可分，其需要通過物聯網技術去連接各類人員、設備、物體和環境，進行實時動態的各類數據采集和信息通信，從而實現智能化識別、定位、追蹤、監控和管理，這樣才能真正實現智慧校園一體化智能感知環境和綜合信息服務平臺的目標[6]。

經過近幾年的發展建設，當前高校智慧校園中物聯網實際部署應用的方案已經有很多，技術上主要是通過兩大方面來實現。一方面是對原有的傳統有線數據采集方案的改造利用，通過打通數據接口利用有線網絡或WiFi等無線通信技術轉發數據采集終端的各類數據，上報到高校統一的綜合信息服務平臺，實現大數據的收集、分析和利用。另一方面是通過引入部署新的無線傳感器物聯網數據采集方案，實現對傳統有線方案的替代或全新應用場景的拓展。這些新的無線傳感器物聯網采集方案的各類數據采集發送，涉及到的常見無線通信技術主要有RFID、WiFi、ZigBee、藍牙、3G/4G等。這些無線通信技術相對比較成熟，在市場上也已經有很多消費類和工業類場景的應用。把應用場景擴展到高校智慧校園里，可以快速實現開發部署和應用，促進高校智慧校園的建設。較為常見的典型應用場景主要有：利用RFID技術實現的校園一卡通，在食堂、校園超市、浴室、水電卡、圖書館借閱、上課考勤等場景的應用，利用WiFi、ZigBee、藍牙等技術實現的建筑物室內照明管理、實驗室用電設備安全管理、能耗監控等場景的應用，利用3G/4G技術實現的校園視頻安防監控等場景的應用。

1.2 高校智慧校園物聯網建設的問題分析

大部分高校早已經實現了數字校園的建設，特別是近幾年隨著大數據、云計算、人工智能的發展，數字校園的建設也都得到了很大提升。在往智慧校園建設轉型的過程中，物聯網作為重要的核心基礎和數據來源被廣泛運用。很多高校雖然已經部署和實施了很多的物聯網方案，但是這些方案在場景上和實際的智慧校園對于數據的需求全面性上還不夠豐富，已經部署和實施的很多物聯網方案在功能、性能、成本、可維護性等方面還有較大需提升的空間，這些都大大限制了智慧校園的智能化建設和效能發揮。終上所述，當前高校智慧校園物聯網建設中的問題主要有以下兩大方面：

（1）傳統有線通信技術部署方案。有些本身已經具備了數據采集和通過有線網絡發送數據到服務器平臺的功能，有些則需要適當加以改造，打通數據接口通過有線或無線的方式將數據發送到服務器平臺。這兩種情況的借助傳統有線通信方案實施的物聯網應用，在高校智慧校園物聯網建設中的推廣應用都會由于有線通信采集數據的原因帶來一定的落地困難，部署和施工難度大，后期改造維護也比較麻煩，而且在某些區域由于不具備有線部署的條件，還無法實施應用，造成在高校智慧校園物聯網應用中的推廣局限性。

（2）傳統無線通信技術部署的方案，在性能和適用性場景上也存在一些局限性。例如WiFi、3G/4G等無線通信技術的物聯網方案一般功耗都比較大，因而很多需要外部有線供電，導致部署和施工難度大、綜合成本高、維護麻煩；也有一些WiFi、3G/4G通信的方案雖然使用了電池供電，但是較大的功耗導致電池壽命續航時間短，往往每隔幾個月或不到一年就要更換電池，導致后續的維護成本高和工作量增加。此外，還有一些傳統無線通信技術的傳輸距離比較近，例如RFID一般只有幾厘米到幾十厘米，藍牙有幾米到幾十米距離，WiFi也就幾十米到一百米之間，而國內大部分高校的校園面積都在幾百畝到幾千畝之間。這些無線通信距離較近將導致很多時候無法實現整個校園范圍的深度覆蓋和數據可靠穩定上報，從而導致智慧校園物聯網應用場景豐富性不夠，有時候就只能通過增加物聯網終端傳感器設備的數量去彌補覆蓋率的問題，因此方案的綜合成本高，后期遠程升級維護也會比較麻煩。ZigBee無線通信技術在智能家具領域已經比較普遍成熟，雖然總體功耗比較低，通過中繼組網的方式也能實現幾百米甚至1 km以上的通信距離，但是由于其需要通過中繼方式組網，實時性和多終端傳感器數據并發應用時就會比較困難，不便于規模化應用，綜合部署成本也相對較高。

2 低功耗廣域物聯網技術介紹

物聯網被認為是繼計算機和互聯網后世界信息技術發展的第三次浪潮。物聯網是伴隨著各類傳感器技術的發展和互聯網技術的普及而誕生的，一般由感知層、網絡層、平臺層和應用層組成[7]。物聯網與云計算、人工智能和大數據分析的結合，可以為人類社會的發展帶來深遠而巨大的影響。圖1所示為全球物聯網的聯網設備數量及預測，從圖中可以看到自2013—2020年，全球物聯網的聯網設備數量持續增長，特別是自2016年以來隨著低功耗廣域網技術的出現和普及更是呈現爆發式增長。

基于前文的分析可知，傳統的有線或無線通信技術物聯網方案有其自身的價值和優勢，但是在很多智高校慧校園里的場景應用中都存在功耗、傳輸距離、規模組網等方面的局限性，因此需要尋找一種新的無線通信物聯網解決方案，能夠同時滿足以上要求。低功耗廣域網技術的出現剛好能很好的解決這些問題。

低功耗廣域網是近年來出現的面向物聯網應用的一種低功耗、遠距離無線通信技術，LoRa、NB-IoT是其中的典型代表。低功耗廣域網技術的特點主要有：首先，傳感器節點模塊功耗非常低，大部分場景下只需要一塊幾千毫安時的電池就可以實現3～5年的電池續航使用壽命，某些場景下甚至可以達到8～10年。這對于很多的物聯網應用場景就顯得尤為重要，因為在整個方案部署實施后，幾乎整個產品的生命周期都不需要更換電池，帶來后期人力維護成本和電池更換成本的雙重節約。其次，通信傳輸距離遠，通常低功耗廣域網技術的物聯網傳感器節點到網關或基站之間的無線通信距離在城市區域可以達到2～3 km，在市郊或空曠區域可以達到5～10 km，這一優勢使得在高校智慧校園應用時可以輕松覆蓋整個校區。再者，低功耗廣域網技術可以實現規模化組網應用，而且使用的是星型組網技術，組網結構簡單，運行維護方便。因此，將低功耗廣域網技術應用到高校智慧校園物聯網建設中具有非常重要的價值，其低功耗、遠距離、規模組網方便的特點可以帶來綜合成本低、部署方便、遠程升級和維護方便的好處。

3 低功耗廣域物聯網在高校智慧校園建設中的應用

3.1 在高校教學和科研管理中的應用

傳統的有線或無線物聯網技術如RFID等在教室考勤、圖書館人員進出、圖書管理、教學樓及實驗室門禁等很多常規場景已經有很多應用[8]。這些方案相對比較成熟，而且成本低，但是需要人工手動打卡，有時候容易忘打且打卡后進出教室無法實時識別。可以將低功耗廣域網技術引入到手環或胸卡類電子標簽的RFID探測器中，將傳統的RFID探測器改造成RFID+低功耗廣域網技術的產品，每次進出教室均通過門口的新探測器自動識別并實現數據的無線遠程傳輸，這樣可以提升管理效率和增加教學類實時動態大數據的收集、分析。比如優化課堂紀律、統計某些公共選修課的出勤率和課程受歡迎程度，對教學起到閉環反饋，幫助老師和教務處提升教學質量和教學改革。此類方案也可以拓展應用到圖書館的人員進出和圖書管理中，既可以統計圖書館的人員進出量，也可以對未登記的圖書被誤帶出圖書館區域進行實時監測和提醒。

低功耗廣域物聯網技術可以用于高校倉庫或實驗室資產盤點和資產進出管理。目前很多高校實驗室的資產盤點和管理還是使用人工的方式，效率不高且盤點困難。引入低功耗廣域網技術后，可以在每個資產設備上貼裝一個RFID標簽，同時在實驗室的進出口處固定安裝RFID+低功耗廣域網技術的探測器。這樣每次進出實驗室的資產會被固定式探測器自動檢測并實時上報系統，方便資產的進出自動實時管理。定期的資產盤點可以利用移動式探測器，高校實驗室不同區域之間經常會借用儀器，特別是沒登記的借用會造成定期盤點尋找的困難，利用移動式探測器走一圈，可以捕獲接近1 m范圍內的資產信息，從而提高盤點效率。

低功耗廣域物聯網技術也可以應用到科研實驗過程中，通過電壓電流或震動類傳感器進行數據的實時檢測，自動判斷實驗是否被中斷并發出告警，做到及時發現并干預恢復。低功耗廣域物聯網技術還可以幫助實現實驗數據遠程采集和遠程發送指令調整實驗方案，提高實驗效率和安全性。此外，低功耗廣域物聯網技術還有很多的其他應用場景和價值，例如實驗室過程中的產品或設備溫度異常檢測、實驗儀器或重要資產異常移動告警、環境溫濕度監測、易燃易爆或有毒氣體的實時檢測及告警等。

3.2 在高校校園生活和安全管理中的應用

物聯網技術可以實現對校園周邊環境的實時觀察監視，有效排除各類不穩定因素[9]。在高校校園生活物聯網應用中，傳統的有線或無線物聯網技術如RFID已經實現了宿舍、食堂、超市、浴室、教學樓、以及公共校園區域等場所的一般性消費類應用，基本都可以滿足實際運行的需求，而且方案也比較成熟和普及。但是在高校校園生活的能源管理應用中，低功耗廣域物聯網技術有其獨特的優勢。例如，將低功耗廣域物聯網技術應用到高校室內照明特別是樓道照明和校園里室外路燈的場景中，可以利用環境光線、聲音傳感器，自動聯動到相關照明設備的電氣控制或調光模塊里，實現遠程的照明開關、調光、故障監控告警和用電量數據收集。由于此類低功耗廣域技術的物聯網傳感器功耗低，可以使用電池供電無線部署，而且大部分情況可以在已有照明設施上加裝傳感器模塊即可，不需要重復已有設施建設，因而方案部署簡單，遠程監控和維護方便，綜合成本低。高校教學樓、實驗室、圖書館、宿舍、食堂等很多室內區域都裝有空調，經常會發生忘關空調或空調溫度設定不合理導致的能源浪費。通過引入低功耗廣域物聯網技術，在室內加裝相應的溫度傳感器實時監控室內實際溫度并無線遠程傳輸到管理平臺，再結合平臺收到的區域內視頻或紅外監控數據進行人員判斷，就可以實現空調忘關管理和溫度設定合理性管理，避免能源浪費。

在高校校園的安全管理中，除了常見的RFID門禁類應用和基于3G/4G視頻安防監控類應用，車輛以及停車位管理工作量龐大且復雜，一旦管理不及時或不到位還會引發安全事故。因此可以在進入校園的自行車和汽車上裝基于低功耗廣域網技術的物聯網電子標簽卡，借助其低功耗、遠距離傳輸和易規模組網應用的特點，一方面可以作為進出校園的身份識別和頻次統計，另一方面可以結合定位技術對各類車輛進行定位管理查詢和亂停亂放管理，維持校園管理和秩序。此外，還可以實現精細化管理，設定電子圍欄，對校園內某些不允許機動車駛入的區域，可以進行實時監測和管理，提高校園安全管理的水平。

在高校建筑物里安裝煙感、明火、水浸等傳感器可以實現室內安全管理，并在參數超標后進行報警信號的發送和應急設施的啟動，從而有效減少災害的發生。利用低功耗廣域物聯網技術實現的此類物聯網傳感器，其電池供電方案比傳統的有線方案部署方便高效，信號穩定和傳輸距離遠可以提升告警實時性和有效性[10]。高校內某些安全門或特定區域常閉門的管理，要求長期正常狀態下不能有打開進出，一旦有異常打開，需要及時告警并通知相關人員到現場查看，借助電池供電的低功耗廣域網技術無線門磁傳感器，可以實現這類應用。

3.3 在高校校園設備預測性維護中的應用

高校校園里有很多的重要設備設施需要長期穩定正常運行，一旦出現故障或異常，將導致很大的安全問題和經濟損失，如空調外機故障、配電房變壓器故障、水泵故障、有害氣體風機排放故障、重要科研儀器設備故障、水管或氣體管道壓力異常等等。將低功耗廣域物聯網與邊緣計算人工智能技術結合的智能設備預測性維護傳感器，有功耗低、傳輸距離遠、部署簡單、遠程維護方便等優點，可以大大提高本地處理的智能化水平和響應速度，降低人工成本，降低設備故障造成的安全事故、財產損失和維修費用，進一步提升高校智慧校園建設的綜合管理效果和水平。

4 結 語

低功耗廣域物聯網技術因其低功耗、遠距離、規模組網的特點，非常適合高校智慧校園的物聯網應用中的很多場景。當然每種技術都有其自身的特點和適用性，例如RFID在校園的食堂、超市、圖書館等場景的應用就非常普及和成熟，3G/4G在校園安防視頻監控領域的應用也非常匹配。低功耗廣域網技術由于其傳輸的數據字節數一般不大，因此對于視頻監控類數據傳輸量大的應用場景，還是WiFi或3G/4G比較合適。在推進高校智慧校園物聯網建設的過程中，應該客觀合理的根據各類實際應用場景選擇合適的物聯網技術，只有這樣才可以充分發揮各種物聯網技術的優勢和特點，進而推動高校智慧校園的建設并發揮其應有的綜合價值。