物聯網技術在高校智慧校園建設中的實踐與分析

柯家海,陳志華

(1.廣州醫科大學,廣東 廣州 511436;2.廣東技術師范大學,廣東 廣州 510665)

0 引言

隨著科技的發展,物聯網技術在許多領域中被廣泛應用。物聯網技術是指通過互聯網將物理設備、傳感器、軟件和網絡連接起來,實現設備之間的信息交互和數據共享。物聯網技術的發展歷程經歷了RFID技術、傳感器網絡、云計算、物聯網標準化、智能家居和智慧城市、工業物聯網以及邊緣計算等階段,邊緣計算是指在數據源頭的一側,采用集網絡、計算、存儲、應用為一體的開放平臺,就近提供服務[1]。在高等教育領域,物聯網技術有潛力促進智慧校園的建設,改變教育方式,優化基礎設施管理。

1 高校智慧校園建設存在的問題

隨著技術的發展,高校教師、學生和行政人員經常面臨各種挑戰,例如,教學資源的優化分配、能源的有效管理、實時反饋和評估以及有效的安全保障等。這些問題往往會限制高校的運作效率和教學質量。面對日益增長的學生人數和日益復雜的教學環境,高校需要找到更有效的方式來管理資源并提供高質量的教學,實現資源及其業務的融合和共享,促進校園的信息服務綜合化和智慧化[2]。因此,高校智慧校園的建設需要解決以下問題:利用物聯網等相關技術實現校園的智慧出入管理、智慧停車系統、智慧照明系統、智慧教室管理、智慧實驗室管理、智慧圖書館管理、能源管理等。

2 物聯網技術在高校智慧校園建設中的應用分析

2.1 應用場景的分析

物聯網技術能夠為高校提供全面且實時的數據,幫助高校更好地理解并解決這些問題。通過物聯網設備自動控制照明、空調等,高?？梢詫崟r監測和管理能源消耗,減少浪費。通過智能出入系統,高?？梢蕴岣咝@管理的安全性,同時也可以跟蹤在校人員的動態。通過實時課堂反饋系統,教師可以獲取學生的學習情況,從而及時調整教學策略。物聯網設備可能會成為被攻擊的目標,高校需要采取措施保護這些設備和數據的安全。針對這些應用場景,高校需要在物聯網建設的成本、可行性和網絡安全性上進行權衡。一方面,這類系統、設備可以提高能源效率,從長遠看可以節省大量的運營成本。另一方面,這些系統、設備的初始投資和維護成本可能相當高。

2.2 應用場景的實現保障

盡管面臨挑戰,但通過適當的策略和技術,高?？梢酝ㄟ^采取以下措施進行智慧校園建設的保障。高校要投資足夠的網絡基礎設施,以支撐大量的物聯網設備和數據傳輸,要根據設備數量和數據流量的預測,進行網絡容量規劃,確保網絡帶寬和吞吐量能夠滿足大規模物聯網設備的通信需求,并根據實際情況擴容網絡帶寬和資源。高校要建立網絡安全防護措施,包括設備身份驗證、數據加密、訪問控制、漏洞管理等,采用防火墻、入侵檢測和防御系統等技術,監測和阻止潛在的網絡攻擊和入侵,監控設備狀態和漏洞,定期進行物聯網系統的安全審計和評估,發現潛在的安全風險和漏洞,及時修復發現的問題。

3 物聯網技術在高校智慧校園建設中的應用

物聯網平臺提供海量設備的接入與管理能力,可以將物聯網設備連接到云平臺,支撐設備數據采集上云和云端下發命令給設備進行遠程控制,根據不同的應用場景,可以快速制定物聯網高校智慧校園解決方案,形成一個完整的物聯網高校智慧校園構建思路,主要分為設備、物聯網平臺、具體應用3個部分。

3.1 設備

設備即物聯網技術中的感知層和網絡層。感知層是物聯網體系結構中的底層部分,主要功能是收集、監測和感知物理世界中的數據,并將其轉化為可用的數字信息,為上層提供準確、實時的數據基礎,以支持物聯網系統的各項應用和功能。高?？衫眠吘売嬎憔W關進行數據的處理,邊緣計算網關的核心功能是上下行協議的轉換,可以針對不同的設備進行適配[3]。網絡層負責將感知層收集到的數據傳輸到其他層,以便進行進一步的處理和分析。對于各類傳感設備,高?？梢酝ㄟ^ZigBee/LoRa/RS485等通信方式接入傳感網或通過4G/5G/NB-IoT/以太網等多種網絡接入物聯網平臺,并使用MQTT協議將業務數據上報到平臺,平臺也可以將控制命令下發給設備。

3.2 物聯網平臺

物聯網平臺作為承接設備與具體應用的中間服務,承載了抽象的業務邏輯及標準的核心數據模型,實現設備的快速接入,同時提供強大的模塊化能力,支撐具體應用場景下的各類需求。處理層的主要功能是接收、處理、存儲和管理物聯網系統中的數據,并提供數據分析、規則引擎、設備管理和安全管理等功能。應用層的主要功能是解析、處理和應用物聯網數據,為用戶和應用程序提供實時監測、智能決策等功能[4]。

為實現集中管理和監控大規模的物聯網設備,平臺提供了設備注冊、配置管理等功能,同時還提供了大數據分析和可視化工具,以幫助管理員更好地了解設備的運行情況,優化管理策略。平臺通過收集設備傳感器數據、運行狀態和其他指標,結合數據分析和機器學習技術,可以預測設備故障,使管理員提前采取維修措施,并優化設備使用和維護策略。為實現物聯網系統的集成及管理,平臺要簡化管理流程,降低復雜性,并提供統一的界面和工具來監控和管理各個系統,選擇符合行業標準和開放標準的物聯網設備。

3.3 具體應用

具體應用即物聯網技術中的應用層,通過調用物聯網平臺提供的API接口,快速構建滿足高校智慧校園需求的功能模塊。應用層允許用戶通過物聯網平臺或應用程序對連接的設備進行遠程控制和管理,可以幫助用戶了解和分析數據,實現智能決策和優化[5]。在高校智慧校園建設中,主要有以下具體應用:

(1)智慧出入管理。

物聯網技術被用于出入管理,通過安裝在門禁處的傳感器,配合學生或教師的RFID卡,可以實現快速、便捷的出入管理,同時也能實時追蹤在校人員的動態,提高安全性。

(2)智慧停車系統。

智能停車系統可以幫助解決停車難的問題,通過安裝在停車位上的傳感器,可以實時獲取停車位的使用情況。教師通過手機App就能找到空閑的停車位。

(3)智慧照明系統。

通過物聯網技術,可以實現照明設備的智能控制。例如,當檢測到教室無人時,照明設備會自動關閉,可以有效節省能源。

(4)智慧教室管理。

通過使用標識符實現追蹤和管理教室的電子班牌,可實時監測設備狀態,包括所在教室編號、教室名稱、連接狀態、門狀態、鎖狀態、可用狀態等,詳細情況如表1所示。

表1 智慧教室管理系統信息

(5)智慧實驗室管理。

通過物聯網設備,高?？梢詫崿F實驗室設備的遠程監控和維護,提高設備的使用效率。通過權限管理,管理人員能夠確定可以訪問這些設備的人員以及這些設備的使用方法。

(6)智慧圖書館。

智慧圖書館系統可以跟蹤書籍和其他資源,在學生想要的書籍可用時通知學生,甚至根據他們的學習模式建議資源。此外,通過自動簽入和簽出,圖書館工作人員可以更加專注于為學生提供幫助。

(7)能源管理。

物聯網設備可用于監視和控制校園的能源使用情況,識別能源浪費的區域并提出減少消耗的方法,如可以根據占用情況和一天中的使用時間控制空調以及實時跟蹤用電情況。這就提高了高校基礎設施的使用效率,減少了維護成本。

(8)智能自助餐廳。

物聯網可用于管理自助餐廳的庫存,確保學生需要時始終有食物可用。傳感器可以提供最受歡迎的食品信息,有助于減少浪費。智能支付系統可以使交易變得更快、更容易。

(9)智能垃圾管理。

垃圾箱裝滿并需要清空時,傳感器可以向校園管理人員發出警報,這可以提高校園的效率和清潔度。

隨著技術的不斷發展,人們很可能會在高校校園中看到更多物聯網的創新應用場景。

4 結語

在高校智慧校園建設實踐過程中,物聯網技術發揮了重要作用,實現了校園內大部分環節的智能化和自動化,提高了設備的利用率和維護效率,為學生提供了更好的學習和生活環境,提升了校園管理的效率和學生的學習體驗。高校智慧校園將逐步形成一個完整的生態系統,各個智能設備和系統之間將實現更緊密的互聯互通、更高效的資源共享和管理、更智能的校園管理和服務[6]。

總之,物聯網技術在高校智慧校園建設中有著廣闊的應用前景和巨大的潛力,但在實施的同時,必須考慮到成本、安全性和隱私等問題。通過合理的規劃和管理,物聯網技術可以幫助高校實現智慧校園的目標,提高教育質量,優化基礎設施管理。