基于云計算和物聯網的數字校園的研究與設計

孫春志

（商丘師范學院 物理與電氣信息學院，河南 商丘 476000）

在數字化校園建設中需要遵循以教育信息化帶動教育現代化為的原則，在總體規劃的指導下采用創新的管理機制、建設機制與運行機制，解決教育熱點、難點問題，堅持統籌規劃、分層分步推進，堅持標準先行、確保規范有序，堅持軟硬并重、突出應用效果，堅持持續發展、重視運行服務[1]。數字化校園建設的意義在于為學校的教學科研提供交流、通用的服務平臺，促進教學科研的發展；為學校的管理提供高效、共享的管理平臺，提高學校內部行政管理的效率；為教師、學生、家長提供開放的數字化生活環境。

目前，我國高校的數字化校園建設取得了驚人的成績，但在建設當中也存在著大量不容忽視的問題，主要表現在利用率低、共享度弱、資源不平衡、缺少科學規劃、維護不到位等方面。如果數字化校園沒有很好的適應性、拓展性和靈活性，它就不能夠滿足現在學校發展的需要。云計算和物聯網的出現能夠很好地解決傳統數字化校園建設存在的問題，可以實現資源統一管理、靈活分配資源，降低了數字化校園建設和運維成本，提高數字化校園的安全性能。

1 云計算和物聯網介紹

云計算主要應用于商業計算，基于互聯網的、大眾參與的計算模式，它的計算能力、交互能力和存儲能力都是動態的、可伸縮的、虛擬化的，以服務的方式提供。云計算（Cloud Computing）是一種新近提出的計算模式，是分布式計算、并行計算和網格計算發展的產物。其本質特征即分布式的計算和存儲、高擴展、用時付費，云計算具有可靠性、通用性、伸縮性、低成本等特性[2]。針對數字校園建設，云計算可以對學生綜合數據進行挖掘，對影響學生學習成績因素進行分析。云計算的使用非常方便，學生可以使用各種現代電子設備進行訪問資源，甚至建立自己獨特的學習虛擬環境。

物聯網是通過傳感器、GPS（全球定位系統）、RFID（射頻識別）和激光掃描器，通過一定的協議把任何不相關物品通過互聯網聯系到一起，是物品、計算機以及人進行相互通信，實現信息同步和信息共享的功能，也是互聯網和傳感器相結合的一種新技術[3]。物聯網是一個基于互聯網、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。繼計算機、互聯網之后，物聯網作為一個新興產業，也被視作世界信息產業的第三次浪潮。根據信息生成、傳輸、處理和應用的原則，對應的能夠把物聯網分為感知識別層、網絡構建層、管理服務層和綜合應用層。

2 基于云計算和物聯網的數字化校園系統建設架構

文中充分結合了數字化校園建設的實際情況，提出了一種基于云計算和物聯網技術的數字校園的四層模型，該模型包括感知層、網絡層、服務層和應用層，基于物聯網的數字化校園四層模型如圖1所示。

圖1 基于物聯網的數字化校園四層模型Fig.1 Four model digital campus base on of colud computing and the internet of things

1）感知層：使用校園已有的設備進行必要的信息采集。進而根據需要部署和安裝新的傳感器及智能終端設備。這些傳感器和智能節點，可以通過有線和無線相結合的通信方式把數據接入網絡層，從而為整個數字化校園提供數據基礎[4]。

2）網絡層：采用有線網絡與無線網絡相結合的方式，把感知層采集的數據接入網絡。這個層會根據不同的傳輸方式和設備設置不同的網絡接口，這樣為網絡安全傳輸數據提供了極大的方便。

3）服務層：主要功能把網絡層傳進來的海量數據通過云計算技術進行有效的管理和存儲，再使用云計算技術對數據進行挖掘，為下一層（應用層）提供服務。服務層由數據中心、監控中心、流媒體服務器和管理服務器群等組成。

4）應用層：由于服務層提供了智能化的服務，本層就可以開發校園所需要的每個子系統，也可以改善校園網絡環境。

本設計采用模塊化的方法對系統架構進行設計，系統架構包括基礎設施、資源數據庫、服務支撐系統、業務服務系統、服務接入系統、校安系統6個部分，基于云計算和物聯網數字校園總體架構圖2所示。

1）基礎設施

基礎設施包括有線接入網絡覆蓋整個校園、部分主要樓宇接入無線網絡、中心機房的建設、數據中心建設，數字化校園建設中使用有線與無線相結合的方式是大勢所趨，這種有線與無線相結合的方式可以針對校園網存在的擴展性不足、成本高和布線難等問題給予彌補，使得通信方式更為靈活多樣化。校園網拓撲結構圖如圖3所示。

2）資源數據庫

資源數據庫的建設包括了教學資源庫、學習資源庫、科研資源庫和應用系統支撐庫，其中教學資源庫包括學科課件庫、教學視頻庫、各學科試題庫等，主要用于遠程教學和考試。

3）服務支撐系統

服務支撐系統要實現統一身份認證，采用單點登錄模式，根據各應用系統的后臺管理程序，可以根據建設情況，采用模塊化的方式往數字校園中添加整合[5]。統一應用支撐平臺層作為數字化校園應用系統的承載平臺，提供跨平臺應用框架和底層通用服務，并為各個應用系統的運行、開發與部署提供支撐作用。

4）業務服務系統

業務服務系統的設計采用模塊化系統設計，這種設計理念對以后的新增業務系統比較機動靈活，業務服務系統包括財務管理系統、教務管理系統、科研管理系統、人事管理系統、學籍管理系統、檔案管理系統、設備管理系統、遠程教育系統、電子政務系統、班班通、校信通、校園一卡通等[6]。

5）服務接入系統

依靠門戶服務器和應用服務器作為基層支撐軟件，使得數字校園中的應用系統在功能和內容上可以方便統一開展，門戶服務基于安全服務和認證服務進行用戶認證和權限管理[7]。門戶服務的功能包括內容管理、個性化服務、用戶管理與授權、單點登錄、支持多種設備的接入等。服務接入方式主要通過校園門戶網站（WEB）和校園移動網站（WAP）等進行統一登陸入口接入[8]。

6）校安系統

控制中心經過網絡控制鍵盤，使得每個監控硬盤錄像機得到控制，可以實現對每臺視頻監控畫面進行巡航或者拉近控制。

3 結 論

基于云計算和物聯網技術的數字化校園，實現了校園內不管何人何物何時何地都可以實時互聯互通，海量信息在新技術平臺的聚合而產生新的信息，為廣大師生提供了智能化的業務和服務平臺。不僅為現代化教學提供了新的理念和方式，同時也充分利用了網絡信息技術提供的資源，數字化校園的建設為學習者創造了新一代的虛擬校園和新型學習環境，可以實現不同地域數據實時共享，將高校內部的相對獨立分散的網絡系統進行統一整合，使學校資源得到合理利用。云計算和物聯網技術的快速發展，大大促進了數字化校園建設，為高校提供了廣闊的發展空間。

[1]薛靜.基于虛擬化的云計算平臺中安全機制研究[D].西安：西北大學，2010.

[2]王晶姝.基于物聯網的數字化校園建設研究[J].軟件工程師，2012（3）：40-42.WANG Jing-shu.Rensenrch of digital camps based on internet of Things[J].Sofcware Engineer，2012（3）：40-42.

[3]劉鵬程.云計算中虛擬機動態遷移的研究[D].上海：復旦大學，2009.

[4]趙婕.面向高職院校的數字化校園設計與關鍵技術研究[D].西安：西北大學，2010.

[5]李俊華.基于物聯網的智能數字校園研究與設計[J].梧州學院學報，2010（6）：49-54.LI Jun-hua.Research and design of digital campus based on internet of things[J].Journal of Guangxi University Wuzhou Branch，2010（6）：49-54.

[6]呂倩.基于云計算及物聯網構建智慧校園 [J].計算機科學，2011（10A）：18-21.LV Qian.Build intelligence campus based on cloud computing and internet of things[J].Computer Science，2011（10A）：18-21.

[7]宗平，朱洪波.智慧校園設計方法的研究[J].南京郵電大學學報，2010（4）：15-19.ZONG Ping，ZHONG Hong-bo.Reserch of intelligence campus design methods[J].Journal of Nanjing University of Posts and Telecommunications，2010（4）：15-19.

[8]嚴大虎，陳明選.物聯網在智慧校園中的應用[J].現代教育技術，2011（6）：123-125.YAN Da-hu，CHEN Ming-xuan.Application of intetnet of Things in intelligence school[J].Editorial Board of Modern Educationl Technology，2011（6）：123-125.