窄帶物聯(lián)網(wǎng)在智慧校園建設(shè)中的應(yīng)用探索

□紀(jì)明明 劉禮文 陳明武 唐桂林

物聯(lián)網(wǎng)是以Internet為基礎(chǔ)的拓展和延伸，它是Internet對(duì)網(wǎng)絡(luò)中物體控制的發(fā)展方向，物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的換代網(wǎng)絡(luò)，既能提供互聯(lián)網(wǎng)的全部功能和服務(wù)，又能兼容原來(lái)的Internet，還能實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物的互聯(lián)互通。物聯(lián)網(wǎng)是真實(shí)的，而Internet是虛擬網(wǎng)絡(luò)。希望打造一個(gè)隨時(shí)都可以收集物體所有數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)世界，物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)射頻識(shí)別設(shè)備、傳感器、GPS定位設(shè)備、等信息傳感設(shè)備，按照既定的協(xié)議，把網(wǎng)絡(luò)中的物品與Internet連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和收集，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的物品的識(shí)別、定位跟蹤、和監(jiān)管的一種智能化網(wǎng)絡(luò)。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)重要分支。全稱為：Narrow Band Internet of Things，簡(jiǎn)稱：NB-IOT，窄帶物聯(lián)網(wǎng)是基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信，只要消耗極小的帶寬，就可以直接實(shí)現(xiàn)基于GSM或基于LTE的網(wǎng)絡(luò)部署，設(shè)備的部署成本能夠得到極大的降低、同時(shí)還可以能夠?qū)崿F(xiàn)平滑升級(jí)。窄帶物聯(lián)網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)新興技術(shù)，窄帶物聯(lián)網(wǎng)支持超低功耗設(shè)備的蜂窩數(shù)據(jù)連接廣域網(wǎng)。

一、窄帶物聯(lián)網(wǎng)在智慧校園中的應(yīng)用

窄帶物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)架體系一般而言，窄帶物聯(lián)網(wǎng)主要應(yīng)用在智慧校園的三個(gè)要應(yīng)用層面，通過(guò)窄帶物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和智慧校園管理系統(tǒng)的軟硬件有機(jī)結(jié)合，組成窄帶物聯(lián)網(wǎng)智慧校園管理平臺(tái)，通過(guò)對(duì)智慧校園的三個(gè)層面的精確控制管理，將智慧校園進(jìn)行整合，將窄帶物聯(lián)網(wǎng)真正處于智慧校園的核心，為智慧校園的運(yùn)營(yíng)提供強(qiáng)勁動(dòng)力。

(一)智慧校園的全面感知。窄帶物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)遍布在校園各個(gè)角落和物體上的各種各樣的傳感器，以及由它們組成的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，來(lái)感知整個(gè)校園區(qū)域。感知層主要的任務(wù)是對(duì)各種校園信息進(jìn)行搜集和感知，如通過(guò)傳感器測(cè)量校園周邊環(huán)境，如溫濕度、光照強(qiáng)度、PM2.5濃度，噪聲強(qiáng)度等，為校園營(yíng)造一個(gè)良好工作學(xué)習(xí)環(huán)境，對(duì)校園資產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行二十四小時(shí)監(jiān)控，以達(dá)到對(duì)校園資產(chǎn)運(yùn)維的精確管控。通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)與因特網(wǎng)的融合網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地將獲取的海量校園信息上傳到智慧校園管理平臺(tái)，充分利用云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)海量的校園信息進(jìn)行分類、數(shù)據(jù)聚合和智能處理，感知層是智慧校園的基礎(chǔ)。

(二)智慧校園的網(wǎng)絡(luò)層。智慧校園的網(wǎng)絡(luò)層主要是通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)等基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，對(duì)來(lái)自校園感知層的海量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸和接入，以實(shí)現(xiàn)對(duì)校園信息的傳輸功能，網(wǎng)絡(luò)層主要采用能夠接入各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，如接入移動(dòng)通信網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、接入Internet網(wǎng)關(guān)等，由于這類設(shè)備都具有比較強(qiáng)的硬件支撐能力，可以采用相對(duì)比較復(fù)雜的協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(三)智慧校園的應(yīng)用服務(wù)層。根據(jù)智慧校園不同應(yīng)用場(chǎng)景和不同設(shè)備的需求，感知層的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層傳遞到智慧校園的應(yīng)用服務(wù)層，需要對(duì)獲得的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析和處理，通過(guò)采用不同的數(shù)據(jù)處理邏輯，對(duì)傳遞來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、過(guò)濾、刪除冗余數(shù)據(jù)、定位丟失數(shù)據(jù)，然后對(duì)處理過(guò)后的質(zhì)量比較高的數(shù)據(jù)進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，即從數(shù)據(jù)庫(kù)或者信息庫(kù)中的大量數(shù)據(jù)中獲得有效、潛在有效、新穎的最終可理解的模式，將獲得的有效數(shù)據(jù)通過(guò)與同期歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，與目前的校園環(huán)境結(jié)合起來(lái)，通過(guò)數(shù)據(jù)與應(yīng)用場(chǎng)景的有效關(guān)聯(lián)，針對(duì)智慧校園的特點(diǎn)，如固定資產(chǎn)的監(jiān)管、教學(xué)軟件系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)等，可以采用風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)預(yù)警的運(yùn)行模式，提前制定應(yīng)急預(yù)案，把預(yù)警信息實(shí)時(shí)地上傳到管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)即時(shí)的業(yè)務(wù)反饋和控制，利用仿真將應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行優(yōu)化，以提供更好的決策依據(jù)。

二、智慧校園的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景

智慧校園中有很多應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)的場(chǎng)景，包括能源管控、資產(chǎn)管理、安全監(jiān)控等。

(一)智慧校園資產(chǎn)管理。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽綁定的的校園資產(chǎn)，應(yīng)用在資產(chǎn)的采購(gòu)、出庫(kù)、入庫(kù)、以及資產(chǎn)盤點(diǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，節(jié)省了大量的人工統(tǒng)計(jì)、管理成本，管理效率非常高。

(二)智慧校園能源管控。校園作為能耗大戶，對(duì)于水、電、天然氣需求巨大，傳統(tǒng)的人工抄表，損壞保修的管理模式已經(jīng)不再適合，通過(guò)引入接入物聯(lián)網(wǎng)的智能水表、電表和天然氣表，能夠?qū)π@的實(shí)施能耗進(jìn)行掌握，對(duì)水電氣的泄漏事故可以實(shí)時(shí)的進(jìn)行維護(hù)，最大程度的保障校園中師生的人身安全，同時(shí)也避免了能源的浪費(fèi)。

通過(guò)對(duì)智慧校園感知層、智慧校園的網(wǎng)絡(luò)層以及智慧校園的應(yīng)用服務(wù)層的有效整合，提升智慧校園的運(yùn)營(yíng)效率，深化業(yè)務(wù)創(chuàng)新模式、降低業(yè)務(wù)運(yùn)行成本，從而實(shí)現(xiàn)感知、分析和響應(yīng)及時(shí)感知的一體化物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行模式。

三、智慧校園建設(shè)中面臨的主要問(wèn)題

基于物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的智慧校園面臨的問(wèn)題，例如我國(guó)的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展起步較晚，現(xiàn)在仍然處于初期發(fā)展階段，物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系不完備，制度建設(shè)尚未開(kāi)始，因此在智慧校園建設(shè)中面臨的主要問(wèn)題有以下幾方面。

(一)數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題。成本問(wèn)題作為基于物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的智慧校園建設(shè)的首要問(wèn)題，由于智慧校園建設(shè)院校包含的對(duì)象種類繁多，各個(gè)種類的對(duì)象的信息感知復(fù)雜程度千差萬(wàn)別，因此如果采用使用單一的感知技術(shù)，以滿足高感知需求的對(duì)象作為建設(shè)基礎(chǔ)，不僅會(huì)造成感知成本的浪費(fèi)，而且會(huì)造成信息數(shù)據(jù)的大量冗余，因此需要運(yùn)用多種感知技術(shù)，根據(jù)不同對(duì)象的感知需求，采用針對(duì)性的感知技術(shù)，做到量體裁衣，在滿足感知需求的同時(shí)又盡量節(jié)約感知成本。多種感知技術(shù)的綜合應(yīng)用，不同設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)迥異，互不兼容，數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)不一，迫切地需要一種統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。

(二)能耗問(wèn)題。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的續(xù)航問(wèn)題隨著物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量激增變的越來(lái)越引起關(guān)注。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對(duì)于電池的需求量越來(lái)越大，全球每年消耗的電池?cái)?shù)量高達(dá)數(shù)十億顆，數(shù)量龐大的廢棄電池會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境。基于物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的智慧校園物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備眾多，對(duì)電池的需求巨大，因此如何保障設(shè)備續(xù)航的同時(shí)提前解決電池污染問(wèn)題、迫切需要采用超低耗能設(shè)備技術(shù)的設(shè)備應(yīng)用和升級(jí)。

四、窄帶物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)

基于物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的智慧校園中包括有以下技術(shù)特點(diǎn)需求的設(shè)備。一是設(shè)備固定，無(wú)需移動(dòng)，極小上行數(shù)據(jù)量，對(duì)傳輸時(shí)延較為遲鈍；二是設(shè)備移動(dòng)性較強(qiáng)，切換頻繁，極小上行小數(shù)據(jù)量。

采用基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園可以完全解決智慧校園建設(shè)的主要問(wèn)題，窄帶物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備功耗低、待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，能夠支持對(duì)高網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備的高效連接，能夠提供全面的室內(nèi)蜂窩數(shù)據(jù)覆蓋連接。窄帶物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備電池壽命超長(zhǎng)，部分設(shè)備甚至可以達(dá)到10年甚至更長(zhǎng)。

(一)支持設(shè)備的海量接入。如在統(tǒng)一基站的狀態(tài)下，同比與現(xiàn)有技術(shù)，窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠提供超過(guò)50倍的設(shè)備接入數(shù)量，最大能夠支持100倍左右的設(shè)備接入能力。其中一個(gè)扇區(qū)就能提供高達(dá)十萬(wàn)的設(shè)備接入支持，并且能夠滿足對(duì)于延時(shí)低敏感，設(shè)備成本極低，設(shè)備能耗極小以及更加優(yōu)化的架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，而且隨著現(xiàn)有窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，整合進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備會(huì)越來(lái)越多，需要預(yù)留出足夠的設(shè)備連接能力為日后的迅猛發(fā)展提供更加廣闊的空間，因此完全能夠智慧校園的海量設(shè)備接入需求。

(二)超強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力。窄帶物聯(lián)網(wǎng)具有強(qiáng)大的覆蓋力，以校園教室室內(nèi)信號(hào)覆蓋強(qiáng)度為例，相比于傳統(tǒng)的LTE網(wǎng)絡(luò)，窄帶物聯(lián)網(wǎng)能夠在其基礎(chǔ)之上增加約20dB的增益，這就相當(dāng)于將原有的網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力直接提高了一百倍左右，以校園學(xué)生宿舍中的水表為例，即使水表處在水井蓋之下，絲毫不會(huì)影響設(shè)備信號(hào)的傳輸，在中國(guó)學(xué)生眾多，一般校園面積都比較大，因此設(shè)備對(duì)于網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力要求特別高，無(wú)論是在人頭攢動(dòng)的教室，還是在學(xué)生稀少的操場(chǎng)，對(duì)于超強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力的需求都是無(wú)處不在的。

(三)極低的設(shè)備能耗。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的功耗作為決定物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重要指標(biāo)之一，窄帶物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備功耗極小，這是由于窄帶物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的工作特點(diǎn)決定的，窄帶物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備工作于較小傳輸速率，較小的數(shù)據(jù)量傳輸，正是由于窄帶物聯(lián)網(wǎng)對(duì)傳輸速率的低要求，才有了設(shè)備的低功耗。并且窄帶物聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)化了傳輸協(xié)議，通過(guò)更加優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計(jì)，在很大程度上更加了窄帶物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的待機(jī)時(shí)間，因此窄帶物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備功耗極小，窄帶物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備才能具有更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間，可以大幅降低校園的設(shè)備能耗，節(jié)能減排。

(四)低成本。超低的設(shè)備制造成本，使得窄帶物聯(lián)網(wǎng)具有極大應(yīng)用前景。每一項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)備成本的高低是直接決定技術(shù)能否快速應(yīng)用先決條件，窄帶物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的通信模組成本作為設(shè)備主要成本，其制造成本極低，目前一個(gè)通信模組的成本不高于30元，并且呈快速下降的趨勢(shì)，這對(duì)于窄帶物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的批量采購(gòu)十分有利，并且依據(jù)行業(yè)發(fā)展規(guī)律，三年左右的時(shí)間，其通信模組的制造成本能降低到6元以內(nèi)。這對(duì)于目前智慧校園建設(shè)中面臨的設(shè)備采購(gòu)資金緊張問(wèn)題，能夠的到很好的解決。

(五)超低的設(shè)備部署成本。相比于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，窄帶物聯(lián)網(wǎng)可以不需要新建組網(wǎng)，其天線和射頻都可以重復(fù)使用，隨著無(wú)線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，第五代移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)迅速在人們的生產(chǎn)生活中應(yīng)用，以第二代移動(dòng)通信技術(shù)的900MHZ工作頻段為例，利用這一頻段就可以完全滿足窄帶物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的部署，不必再耗費(fèi)新的頻段資源，很大程度上降低了窄帶物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的部署成本。因此在智慧校園建設(shè)中，直接對(duì)老舊的校園通信基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改造，節(jié)省大筆的設(shè)施建設(shè)成本。

總之，在當(dāng)今信息化技術(shù)快速發(fā)展的形勢(shì)下，窄帶物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)使得其在智慧校園的建設(shè)當(dāng)中能夠發(fā)揮出極大的優(yōu)勢(shì)。窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深入融合到智慧校園的建設(shè)當(dāng)中，為智慧校園的建設(shè)提供了更加有針對(duì)性的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，例如應(yīng)用了窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧校園，能夠顯著提升智慧校園安全防衛(wèi)的可視化程度，大幅提高智慧校園的安全防衛(wèi)管理效能，從而在根本上提高校園的安全防衛(wèi)水平。校園作為人才培養(yǎng)的基地，智慧校園建設(shè)已經(jīng)越來(lái)越受到人們的重視，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)、以及云計(jì)算技術(shù)的不斷進(jìn)步，同窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，為未來(lái)智慧校園的建設(shè)提供強(qiáng)勁的發(fā)展動(dòng)力。