基于物聯網的校園智能管理系統

張文明，劉利波

(新疆輕工職業技術學院， 新疆 烏魯木齊 830021)

0 引言

隨著高等教育的不斷發展和改革，學生教學和日常行為管理日趨多樣化。物聯網技術運用于校園管理起著重要的作用[1]。目前部分高等院校或職業技術學院已經廣泛使用RFID技術，例如：門禁卡、就餐卡、圖書卡、上機卡等。物聯網技術在學生管理工作中的應用，為實現“智慧校園”奠定了堅實基礎[2-3]。

分布廣泛的無線網絡為物聯網技術應用提供了可靠保障。學校可在食堂、操場、圖書館、教學樓、實訓基地等區域安裝RFID設備[4]。利用RFID卡和接收器來實時顯示學生行蹤和具體位置，可用于預防突發事件[5-6]。

1 系統整體架構

根據物聯網常用的三層架構，整個系統包括：感知層，負責RFID信息的采集和判定，無線傳感器網絡內傳感器安裝和數據采集；網絡層，將所采集數據可靠、高速地向上傳輸；應用層，負責數據分析和處理。采用模塊化設計方法，上位機基于.NET開發；局域網構建，包括串口服務器、服務器、交換機等；無線傳感器網絡則是基于ZigBee-CC2530搭建。

系統整體結構如圖1所示，第1部分為集成RFID的各種卡片，如門禁卡、就餐卡或一卡通等；第2部分為利用ZigBee技術進行校園內環境監測，包括：攝像頭、讀卡器、接收器等，利用.NET開發上位機并將數據上傳至服務器；第3部分基于Android 開發的遠程訪問，利用TCP/IP 協議與手機端進行通訊，及時傳輸重要信息。

圖1 系統整體架構

2 硬件和軟件設計

2.1 硬件設計

硬件電路主要包括數據采集端和數據傳輸端構成，硬件結構如圖2所示。

圖2 硬件電路結構

硬件電路包括以下幾個模塊：RFID發射器和接收器、攝像頭、讀卡器等；MCU主控模塊、CC2530無線通信模塊；MC509 3G通信模塊等。

數據傳輸主要采用ZigBee通信和MC509 3G通信。ZigBee通信基于CC2530模塊搭建，該模塊適用于IEEE802.15.4標準；ZigBee性能穩定而且功耗較低，主要負責單一區域數據采樣問題而且不存在盲區。

MC509 3G通信則選用華為MC509-CDMA2000無線數據傳輸模塊。該模塊是專門針對物聯網應用的CDMA2000-EVDO工業級專用模塊，數據傳輸速率支持上行1.8Mbos、下行3.1Mbps；同時支持TCP/IP協議，故能夠較方便地進行網絡鏈接；另外，還支持全USB2.0接口、UART工業串口等。

STM32微控制器可利用UART串口驅動將MC509通信模塊接入系統網絡，實現物聯網云服務平臺數據的傳送。

2.2 軟件設計

采用C#語言編寫上位機監測軟件，C#是.NET開發環境的重要組成部分，是一種面向對象的編程語言。通過NET Framework類庫，可以直接訪問操作系統及其他類，可明顯加快開發周期。

本文主要利用C#的數據庫、圖表控件Chart、Serial Port 類、窗口控件等，用于實現系統設置、歷史數據查詢、數據曲線圖、網絡拓撲圖、數據實時顯示等，軟件架構如圖3所示。采用3層結構，包括數據發送和接收、數據庫查詢和更新、實時數據顯示、節點數據曲線、網絡拓撲、網絡參數設置、節點信息采集周期設置等。

圖3 軟件架構

3 測試

文中重點測試數據包發送成功率，即各節點發送數據包和接收數據包的比值，可用式(1)進行計算：

(1)

式中：P表示數據包發送成功率；Nr表示接收數據包正確個數；Ns表示發送數據包個數。測試結果如表1所示。

表1 測試結果

由表1數據可以看出，隨距離增加所述系統通信質量呈下降趨勢，在150 m范圍內，通信成功率可達到90%，滿足通信要求。

4 結語

物聯網在生產、生活中的應用日趨廣泛，將其用到校園中可以提高校園管理水平、提高管理效率，有利于教學活動向健康、有序的方向發展。以校園智能管理系統搭建為研究對象，利用ZigBee、3G通信、物聯網等技術實現校園活動數據采集、處理、上傳、監控等。測試結果表明：該套系統數據傳輸率比較理想。

[1] 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.

[2] 陳明. 基于物聯網的智慧校園建設與發展研究[J]. 遠程教育雜志, 2012(4): 61-65.

[3] 沈潔, 黃宇星. 智慧校園及其構建初探[J]. 福建教育學院學報, 2011(6): 122-125.

[4] 陳愛武. 基于LabVIEW 學生宿舍智能監控系統研究[J]. 現代電子技術, 2013(1): 114-116.

[5] 焦偉平. 基于WSN的宿舍監控系統設計[J]. 通信技術, 2012(5): 77-79.

[6] 黃榮懷, 張進寶, 胡永斌,等. 智慧校園: 數字校園發展的必然趨勢[J]. 開放教育研究, 2012(4): 12-17.