基于物聯網的智慧校園構建研究

周揚帆

摘 要：通過對智慧校園的定義和內涵的分析，指出了物聯網作為智慧校園的關鍵基礎的重要性，提出了基于物聯網的智慧校園的總體框架和統一的校園綜合信息服務門戶，實現了應用服務的融合以及數據的融合，并引入三網合一的思想，同時綜合融入各種網絡接入手段。

關鍵詞：智慧校園；物聯網；三網融合；ZigBee

中圖分類號：TP393 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1302（2014）10-00-03

0 引 言

隨著網絡和信息技術的發展，將校園網與物聯網相結合，建構基于物聯網的智慧校園逐漸成為教育信息化發展的重要課題。智慧校園是數字化校園的深化，對信息的再加工、再利用，通過信息化手段，提供智能化的業務處理方法，為師生員工提供更好的教學、科研、管理與生活的信息化環境。智慧校園是將人、信息技術、教學資源及環境以及社會性要素有機整合在一起的一種獨特的校園系統。

物聯網是利用傳感器、RFID、采集器、視頻監控等感知技術和設備，按約定的協議，把各種網絡連接起來，進行信息交換和通信，從而實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。物聯網的發展對智慧校園的諸多方面產生重要的推動作用。物聯網技術可用于構建智能化教學環境，豐富實驗教學，輔助教學管理，拓展課外教學活動等教育環節，能夠應用于教學技術、學生管理、后勤保障服務等。

基于物聯網的智慧校園是指通過利用物聯網技術來改變教職工和校園資源相互交互的方式，將學校的教學、科研、管理與校園資源和應用系統進行整合，構建感知全面、響應及時、高效運行、智能綜合的校園。

1 總體應用框架

基于物聯網三層架構體系（即感知層、傳輸層和應用層），并結合智慧校園的實際應用需求，本文提出基于物聯網的智慧校園的總體應用架構，如圖1所示。該總體應用框架自上而下分為四個層面和兩大支撐體系，分別為統一校園綜合信息服務門戶、應用服務融合層、數據融合層、通信網絡融合層、信息規范與標準體系和安全保障體系。

1.1 統一校園綜合信息服務門戶

統一校園綜合信息服務門戶提供了統一的接入門戶和業務界面，基于不同的授權角色向不同的用戶提供其個性化的展示界面。該統一門戶服務分為兩種形式，分別為WEB門戶服務形式和WAP移動個人信息門戶服務形式。師生用戶通過統一的校園綜合信息服務門戶來進行與之學習、工作和生活相關的各種事務的申辦和查詢、資源的統一獲取、交互和協調。

圖1 基于物聯網的智慧校園總體應用架構圖

1.2 應用服務融合層

應用服務融合主要包括用戶身份管理、圖書館管理、校園公用設施管理、校內消費管理、校園安保和校園手機短信息通知管理六大智慧校園應用服務。

1.3 數據融合層

數據融合是指通過對智慧校園信息資源的整合，建立一個智慧校園信息資源共享平臺。智慧校園信息資源共享平臺的建立既包括身份信息、應用數據、消息、教學內容、感知信息五大數據的融合，也包括數據存儲、中間件以及支撐軟件的融合。

1.4 通信網絡融合層

通信網絡的融合是智慧校園建設的基礎，它是指將智慧校園內的各種網絡（如校園有線網、校園無線傳感器網和移動通信網）通過技術的手段進行集中和融合，實施統一的管理和控制，綜合利用各種網絡接入手段，提供開放的標準接口，使用戶在智慧校園中能夠統一訪問各個網絡提供的信息服務，感受不到之間的隔閡。

2 基于ZigBee的智慧校園網設計

通信網絡融合層由校園有線網、校園無線傳感器網（WSN）、移動通信網（GSM）共三種網絡組成，即在校園已有的有線網絡的基礎框架上，進一步部署校園無線傳感器網絡和移動通信網，從而實現校園教學樓、辦公樓、學生宿舍、教職工宿舍和其他公共場所的無線全覆蓋。

在整個智慧校園內，校園無線傳感器網主要作為校園各個局部區域（如宿舍樓、辦公樓、圖書館、教學樓等）的網絡，承擔著該局部區域無線傳感器之間的通信。ZigBee技術是一種新興的短距離、低復雜度、低功耗、低數據傳輸率、高可靠性、可愈的雙向無線通信技術，其層次化的結構和多樣化的功能能夠很好地解決物聯網中無線傳感器節點間網絡連接的問題，因此，選用ZigBee技術作為校園無線傳感器網絡的核心支撐技術。移動通信網主要承擔校園手機短信息的收發，該網絡的建設工作主要由移動通信服務提供商負責。

2.1 三網融合設計

本智慧校園網采用如圖2所示的方案進行校園有線網、基于ZigBee的校園無線傳感器網和移動通信網的融合，即通過ZigBee網關設備的使用實現三者的融合。

其中，通過ZigBee網關系統總線內置GSM模塊來實現與移動通信網的連接；通過提供以太網接口以有線的方式或內置無線上網卡以建立WLAN的方式來實現與校園有線網的連接。校園有線網通過總的學校網絡網關實現與Internet的連接。

2.2 網絡拓撲結構選擇

由于各個校園的規模和建筑物地理分布的不同，其校園網具體搭建方式也各不相同，但其整個校園網的拓撲結構設計可大致相同。本基于物聯網的智慧校園網采用“物理上總線型，邏輯上星型”拓撲結構。

ZigBee支持星型、樹型和網狀三種拓撲結構。其中，星型ZigBee網可看作為簡化版的樹型ZigBee網，兩者均有邏輯層次鮮明的優點，但同時也存在“整個網絡的性能受協調中心的制約、通信路徑唯一、通信不可靠”的缺點；網狀ZigBee網具有網絡自組織能力，具有靈活、通信可靠的優點。因此，我們在進行智慧校園無線傳感器網建設時，可依據實際情況（所需布置傳感器節點數、覆蓋范圍、數據通信量、數據傳輸速率等）部署不同拓撲結構的無線傳感器網絡。

圖2 三網融合示意圖

3 教室監控子系統功能設計與實現

智慧校園服務系統的范圍較廣，筆者謹以教室監控子系統功能設計與實現進行闡述，圖3為教室監控子系統構建示意圖。

教室監控子系統利用單片機作為監控模塊的控制器，實現感知、控制、顯示和服務功能。監控模塊布設在教室內，利用射頻讀卡器識別人員信息，由溫度傳感器采集教室溫度，通過光敏器件采集教室內外亮度。傳感器獲取的數據經過控制器處理后一方面提交環境監控服務器，供整個系統使用；另一方面，智能調節教室電燈、電扇等設備的開關狀態，最大限度地減少能源浪費。同時，傳感器采集到的室內溫度、亮度、人數等有關信息也會通過在安裝在教室內的監控顯示屏上顯示出來。教室管理員通過查看信息采集模塊發往遠程控制服務器的相關數據，解除部分或全部智能控制模式，并進入手動控制模式，開放數據講臺燈和電教設備的控制權。在教室內的控制終端也允許通過遙控器，解除部分或全部智能控制模式，并進入手動控制模式。這樣，管理員在查看各教室的環境信息和設備使用狀況后，可以根據實際情況通過對教室進行遠程控制。

圖3 教室監控子系統構建示意圖

在此種終端節點較多的情況下，部署樹型ZigBee網會影響網絡數據的傳輸性能，故而部署網狀ZigBee網最好。我們在進行校園無線傳感器網組網時，如果網絡結構較復雜，或對終端的數據傳輸有嚴格的中繼和管理要求時，我們應優先考慮網狀拓撲。

4 結 語

本設計方案統一網了WEB和WAP的門戶，實現了應用服務的融合以及數據的融合，采用了三網合一的思想，網綜合融入了各種網絡接入手段。基于物聯網的智慧校園系統是融合多種功能異構子系統的大集成，包括如教室監控子系統、安檢系統、食堂管理、學生宿舍水電管理、日常教學管理、智能圖書館、實驗室管理等。學校應根據自身的校園的實際情況，從人力、物力、財力、技術支持等多方面加以考慮，才能有步驟有計劃地穩步實現，提高智慧化校園的建設步伐和成效。

參考文獻

[1]陳平，劉臻.智慧校園的物聯網基礎架構研究[J].武漢大學學報：理學版，2012，58（S1）：141-146.

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[3]沈蘇彬.物聯網概念模型與體系結構[J].南京郵電大學學報：自然學科版， 2010，30（4）：1-8.

[4]朱洪波.物聯網的技術思想與應用策略研究[J].通信學報，2010（11）：2-9.

[5]宗平，朱洪波，黃剛，等. 智慧校園設計方法的研究[J]. 南京郵電大學學報：自然學科版， 2010， 30（4）： 15-19，51.

智慧校園服務系統的范圍較廣，筆者謹以教室監控子系統功能設計與實現進行闡述，圖3為教室監控子系統構建示意圖。

教室監控子系統利用單片機作為監控模塊的控制器，實現感知、控制、顯示和服務功能。監控模塊布設在教室內，利用射頻讀卡器識別人員信息，由溫度傳感器采集教室溫度，通過光敏器件采集教室內外亮度。傳感器獲取的數據經過控制器處理后一方面提交環境監控服務器，供整個系統使用；另一方面，智能調節教室電燈、電扇等設備的開關狀態，最大限度地減少能源浪費。同時，傳感器采集到的室內溫度、亮度、人數等有關信息也會通過在安裝在教室內的監控顯示屏上顯示出來。教室管理員通過查看信息采集模塊發往遠程控制服務器的相關數據，解除部分或全部智能控制模式，并進入手動控制模式，開放數據講臺燈和電教設備的控制權。在教室內的控制終端也允許通過遙控器，解除部分或全部智能控制模式，并進入手動控制模式。這樣，管理員在查看各教室的環境信息和設備使用狀況后，可以根據實際情況通過對教室進行遠程控制。

圖3 教室監控子系統構建示意圖

在此種終端節點較多的情況下，部署樹型ZigBee網會影響網絡數據的傳輸性能，故而部署網狀ZigBee網最好。我們在進行校園無線傳感器網組網時，如果網絡結構較復雜，或對終端的數據傳輸有嚴格的中繼和管理要求時，我們應優先考慮網狀拓撲。

4 結 語

本設計方案統一網了WEB和WAP的門戶，實現了應用服務的融合以及數據的融合，采用了三網合一的思想，網綜合融入了各種網絡接入手段。基于物聯網的智慧校園系統是融合多種功能異構子系統的大集成，包括如教室監控子系統、安檢系統、食堂管理、學生宿舍水電管理、日常教學管理、智能圖書館、實驗室管理等。學校應根據自身的校園的實際情況，從人力、物力、財力、技術支持等多方面加以考慮，才能有步驟有計劃地穩步實現，提高智慧化校園的建設步伐和成效。

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智慧校園服務系統的范圍較廣，筆者謹以教室監控子系統功能設計與實現進行闡述，圖3為教室監控子系統構建示意圖。

教室監控子系統利用單片機作為監控模塊的控制器，實現感知、控制、顯示和服務功能。監控模塊布設在教室內，利用射頻讀卡器識別人員信息，由溫度傳感器采集教室溫度，通過光敏器件采集教室內外亮度。傳感器獲取的數據經過控制器處理后一方面提交環境監控服務器，供整個系統使用；另一方面，智能調節教室電燈、電扇等設備的開關狀態，最大限度地減少能源浪費。同時，傳感器采集到的室內溫度、亮度、人數等有關信息也會通過在安裝在教室內的監控顯示屏上顯示出來。教室管理員通過查看信息采集模塊發往遠程控制服務器的相關數據，解除部分或全部智能控制模式，并進入手動控制模式，開放數據講臺燈和電教設備的控制權。在教室內的控制終端也允許通過遙控器，解除部分或全部智能控制模式，并進入手動控制模式。這樣，管理員在查看各教室的環境信息和設備使用狀況后，可以根據實際情況通過對教室進行遠程控制。

圖3 教室監控子系統構建示意圖

在此種終端節點較多的情況下，部署樹型ZigBee網會影響網絡數據的傳輸性能，故而部署網狀ZigBee網最好。我們在進行校園無線傳感器網組網時，如果網絡結構較復雜，或對終端的數據傳輸有嚴格的中繼和管理要求時，我們應優先考慮網狀拓撲。

4 結 語

本設計方案統一網了WEB和WAP的門戶，實現了應用服務的融合以及數據的融合，采用了三網合一的思想，網綜合融入了各種網絡接入手段。基于物聯網的智慧校園系統是融合多種功能異構子系統的大集成，包括如教室監控子系統、安檢系統、食堂管理、學生宿舍水電管理、日常教學管理、智能圖書館、實驗室管理等。學校應根據自身的校園的實際情況，從人力、物力、財力、技術支持等多方面加以考慮，才能有步驟有計劃地穩步實現，提高智慧化校園的建設步伐和成效。

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