基于物聯網的數字化校園建設研究

王晶姝

摘要：基于物聯網技術普通對象設備化、自治終端互聯化和普適服務智能化的重要特征，在已有的數字化校園建設基礎上，提出了網絡和設備透明、有線與無線互聯、教師與學生互通、管理與服務一體的現代數字化校園建設方案，實現了數字化校園向“智慧校園”的轉變。

關鍵詞：物聯網；云計算；智慧校園；虛擬化

1 引言

從2001年國家教育部倡導實施“校校通”工程至今，國內基礎教育信息化經過較長時期的投資建設，很多地區和學校的信息化建設已經形成一定的規模。硬件、網絡基礎設施以及應用軟件都已經具備，并在教學中得到應用。物聯網和云計算技術的發展使“智慧校園”的概念應運而生，它是支撐學校發展的智慧化環境，是一種全新的校園信息化形態。它運用物聯網、云計算、移動互聯網、應用集成、應用層數據交換等前沿信息技術手段，把學校里分散的、各自為政的信息化系統整合為一個具有高度感知能力、協同能力和服務能力的有機整體，對校園管理、教學科研、校園生活等活動提供智能支撐。

2 物聯網與云計算

物聯網技術通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，將任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通訊，使物、人、計算機形成互通互聯、信息同步、信息共享的智慧網絡，是各類傳感器和現有互聯網相互銜接的一種新技術。物聯網（nternet of Things）是一個基于互聯網、傳統電信網等信息承載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現互聯互通的網絡。它具有普通對象設備化、自治終端互聯化和普適服務智能化3個重要特征。作為一個新興產業，物聯網是繼計算機、互聯網之后世界信息產業的第三次浪潮。物聯網是一種非常復雜、形式多樣的系統技術。根據信息生成、傳輸、處理和應用的原則，可以把物聯網分為4層：感知識別層、網絡構建層、管理服務層和綜合應用層。

（1）感知識別層。感知識別是物聯網的核心技術，是聯系物理世界和信息世界的紐帶。感知識別層既包括射頻識別（RFID）、無線傳感器等信息自動生成設備，也包括各種智能電子產品用來人工生成信息。信息生成方式的多樣化是物聯網區別于其他網絡的重要特征。

（2）網絡構建層。本層將感知識別層的數據接入互聯網，供上層服務使用。互聯網以及下一代互聯網（包括IPV6等技術）是物聯網的核心網絡，處在邊緣的各種無線網絡則提供隨時隨地的網絡接入服務。各種不同類型的無線網絡適用于不同的環境，合力提供便捷的網絡接入，是實現物物互聯的重要基礎設施。

（3）管理服務層。將大規模數據高效、可靠地組織起來，為上層行業應用提供智能的支撐平臺。面對海量信息，如何有效地組織和查詢數據是核心問題。管理服務層的主要特點是應用運籌學原理、機器學習、數據挖掘和專家系統等實現智能化。

（4）綜合應用層。物聯網應用以“物”或者物理世界為中心，涵蓋物品追蹤、環境感知、智能物流、智能交通、智能電網等。

云計算作為一種技術手段和實現模式，使得計算資源成為向大眾提供服務的社會基礎設施，將對信息技術本身及其應用產生深刻影響。中國電子學會云計算專家委員會認為，云計算是一種基于互聯網的、大眾參與的計算模式，其計算資源（計算能力、存儲能力、交互能力）是動態、可伸縮、且被虛擬化的，以服務的方式提供。這種新型的計算資源組織、分配和使用模式，有利于合理配置計算資源并提高其利用率，促進節能減排，實現綠色計算。

3 基于物聯網的數字化校園系統架構設計

根據物聯網四層架構原理，結合數字化校園建設的實際情況，本文提出了基于物聯網技術的數字化校園四層模型，包括感知層、網絡層、服務層和應用層，如圖1所示。

（1）感知層。主要實現信息采集功能。利用校園已有的基礎設備，部署和安裝新的傳感器及智能終端設備，如環境傳感器、感應卡傳感器、視頻傳感器和位置傳感器等。這些傳感器和智能節點，可以通過有線或者無線的方式，接入網絡層，為整個數字化校園提供數據基礎。

（2）網絡層。采用有線網絡與無線網絡結合的方式，將感知層的數據接入網絡。本層提供不同的網絡接口，兼容多種網絡協議，最大限度的提供便捷的網絡接入方式。

（3）服務層。主要包括數據中心、監控中心、流媒體服務器和管理服務器群。其重要功能是將網絡層傳入的數據進行存儲和管理，利用機器學習和數據挖掘技術，向應用層提供智能化的服務。

（4）應用層。依托服務層提供的智能化數據服務，開發面向教職工的智能教務管理、智能OA系統、智能設備管理和智能后勤管理，建設智慧圖書館，改善校園環境，為教師和學生提供便捷、友好、智慧的生活和學習條件。

4 物聯網技術在數字化校園建設中的實現途徑

基于物聯網的數字化校園具有三大建設目標：一是為教師和學生提供環境智能感知和綜合信息服務平臺；二是利用網絡信息服務實現學校各服務領域的互聯和協作；三是提供學校與外部世界相互交流和感知的借口。為實現上述目標，促進高校跨越式發展，應利用云計算、虛擬化技術，構建校園云（The Cloud of Campus），結合物聯網、RFID技術，實現智慧校園。

云的規模可以動態伸縮，校園云滿足應用和用戶規模增長的需要。校園云使用了數據多副本容錯、計算節點同構可互換等措施來保障數據的高可靠性。校園云對于各種信息需求提供的最大好處在于瘦終端。利用虛擬化技術將各種資源集合在一起，提供一個巨大的資源池，進行動態伸縮調整，便可顯著提高資源的利用率。校園云為典型的云架構，基礎技術主要有面向服務架構和虛擬化。大體上可以將校園云分為3個基本層次：感知與網絡層、服務層和應用層，分別對應于數字化校園的四層模型。實現基于物聯網的數字化校園，主要途徑如下：

（1）設備虛擬化。

首先面對的是大規模的硬件資源，這些硬件設備通過已有的校園網相互連接。通過對這些設備資源的虛擬化，實現高層次的數字化校園資源管理邏輯。

虛擬化的過程是屏蔽掉硬件產品上的差異的過程，也是實現設備和網絡對用戶透明的先決條件。通過虛擬化處理，對每一種硬件資源提供統一的管理邏輯和接口。虛擬化技術是數字化校園感知層的關鍵技術。虛擬化技術打破了物理結構之間的壁壘，將物理資源轉變成了邏輯上可管理的資源。將數字化校園中的硬件資源整合成資源池，實現資源的動態分配、動態負載均衡，能夠提高資源利用率，節約學校的資金投入、資源投入和人力投入。同時，虛擬化技術也是實現系統數據冗余備份、零宕機遷移和數據災難快速恢復的關鍵技術。

（2）資源監控與負載管理。

資源監控是保證感知層高效率工作的一個關鍵任務。在數字化校園感知層的大規模資源集群環境中，任何時刻所有節點的負載都不是均勻的，負載差異過大時，會造成資源的浪費。感知與網絡層的自動化負載平衡機制將負載進行轉移，從而使得所有資源在整體負載上趨于平衡。

（3）冗余備份。

通過對數據的冗余備份以保證數據的高可靠性，從而滿足系統將數據的損壞和丟失的幾率降到最低的要求。

（4）系統部署。

系統部署包括動態部署和快速部署。動態部署的典型場景就是實現感知和網絡層的動態可伸縮性，也就是能夠根據具體用戶的需求和服務狀態的變化，在最短的時間內進行調整和配置。動態部署的另一個典型的場景是系統故障的恢復和硬件設備的維護。感知和網絡層需要在上層的調度下實現將正在運行和處理的數據與環境，從一個節點動態遷移到另外一個節點上。另外，為進一步提高虛擬機的部署速度，可以采用并行部署或者協同部署技術，以實現快速部署。

（5）資源調度和多租戶技術。

資源調度指的是在特定的資源環境下，根據一定的資源使用規則，在不同的資源使用者之間進行資源調整的過程。在數字化校園環境中，軟件以SaaS的方式發布出去，提供給所有需要使用該軟件的師生共享使用，基于多租戶技術可以使軟硬件資源能夠更好地共享，具有良好的可伸縮性，每個用戶可以按需使用資源。

（6）海量數據處理與大規模分布式存儲。

以往的大型科學計算以及一些科研實踐中的海量數據處理，都需要購買大型機來獲取相應的數據處理能力，代價昂貴。在校園云建設過程中，基于計算技術和虛擬技術的發展，不需要額外的硬件投資，通過進行動態資源調度實現一個可擴展的可靠的計算環境，就可以輕松實現海量數據處理。

要進行海量數據處理，必然要運用海量數據處理編程模型。Google公司設計的MapReduc編程模型是一種主流的海量數據處理編程模型，可賦予程序員分布式應用開發能力。MapReduc的出現將開發者所關注的業務邏輯與分布式計算涉及到的復雜細節劃分開來，讓并行應用開發通過Map2Reduce提供的編程模型屏蔽底層實現細節。

隨著高校信息化的發展與完善，越來越多的項目有存儲海量數據的需求。采用分布式存儲的方式來存儲數據，采用冗余存儲的方式來保證數據的可靠性，即為同一份數據存儲多個副本。利用多臺服務器滿足其他服務器所不能滿足的存儲需求。

5 結束語

“智慧校園”是基于物聯網和云計算技術的數字化校園建設的高級目標，通過物聯網來實現智慧化的校園服務和管理，實現了校園內任何人、任何物、任何信息載體、任何時間、任何地點的互聯互通，海量信息在物聯網平臺的聚合而產生新的信息，從而給廣大師生提供了智慧化的業務和服務模式。在“智慧校園”的建設過程中，要加強對建設規范的研究和制訂，明確“智慧校園”的概念和建設策略。同時，要充分發揮智慧校園在院校建設中的作用，必須整合各種數字資源。物聯網是智慧校園建設的基礎已經成為共識，但智慧校園不僅僅是物與物之間的聯系，更是人與物、系統與系統之間的實時感知。因此，數據融合是智慧校園建設的核心，需要進一步重視資源與應用的開發，實現基礎設施與數字資源的充分融合，這也是今后研究的熱點和難點。

參考文獻

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