基于云架構下智慧校園設計與實現

丁勝和

（唐山師范學院現代教育技術中心，河北 唐山 063000）

0 引言

近幾十年來，全球互聯網信息技術的高速發展，移動互聯網的層層疊新，讓幾千年的人類社會生活發生了翻天覆地的變化，都在讓人們生產與生活中的所有一切在高速發生改變。過去，我們沒有電腦，網絡并不發達，我們也不能像現在一樣，即刻便能知道距我們數千里地方發生的事情。在通信還沒有那么發達的時代，遇到緊急的事情，也只能采取人傳人的方式進行通知，一件事情經過層層的傳遞，可能傳到自己這里，事情也早已結束，信息的延遲和錯漏是時常有的事。

所以，到了今天，任何一個人都能通過網絡實時了解世界各地發生的事情，信息的高效傳輸使得社會更加注重智能化管理。從提出“智慧地球”到“智慧城市”，校園的信息發展也由過去的“數字校園”逐步發展到“智慧校園”，一種全新的結合教育、科研、管理和校園生活的管理模式應運而生。實現更加智能、便攜、簡單的校園管理更加的符合大眾需求，也成為一件刻不容緩的事。

1 智慧校園需求分析

智慧校園是現代互聯網信息技術和教育模式的結合，以物聯網為依托，為校園環境提供全面的感知層。運用互聯網和 AI技術，為教育教學和管理搭建高效、開放、智能的校園平臺，智慧校園是未來教育的發展方向。最開始，學校的信息管理并不能進行線上共享，信息化管理還不夠完善，各類信息都是相互獨立的，它們之間有獨立的業務系統，相互之間并不關聯。使用的時候，需要通過多個系統進行操作查詢，很多信息只能通過線下共享的方式進行傳輸，這給教育和管理帶來了很多的不便。于是很多高校開始追求線上信息共享，建立線上統一數據共享系統，數字校園由此誕生。數字校園的主要目的是線上數據共享系統的構建，將線下信息升級為線上一鍵共享，建立統一的業務系統，讓每個獨立的業務可以相互關聯，不用再登錄多個系統就可以查詢和分享數據信息。但是，數字校園依舊只能達到作為輔助的水平，雖然比以往便利了許多，但卻沒有到不可缺少的地步。

隨著網絡的升級， 4G、5G的出現，人們的需求也越來越多，數字校園遠遠滿足不了現代人對于網絡便捷的需要，后續開始有人提出“智慧校園”。在這個階段，將實現面向管理的個性化服務，通過物聯網和移動通信的便捷，實現物與物、物與人以及人與人之間的相互傳輸和關聯，實現全面智能的開放式教育環境和便攜、簡單的生活氛圍，最終實現對高校教、科、研，以及生活、娛樂、交通、安防等各個方面的精細化管理。

2 智慧校園產品

如今，智慧校園已經運用到從教育、科研、管理、生活等方方面面。例如：

（1）智能校門，通過云數據平臺進行管理，涵蓋到學校的人事考勤、訪客登記、門禁安防等。應用人臉識別技術，在校門口宿舍或其他重點區域等出入口安裝閘機或門禁，實現學生刷臉出入，從而有效的提升校園安全管理。全校區刷臉通行，可以從根本上解決校園 IC卡，忘帶卡丟卡和冒用他人 IC卡出入的情況發生，提高工作效率，保障校園安全。

（2）手機借書，傳統的圖書館借書都需要有借閱證或者學生證，一不小心忘帶借閱證就沒辦法去圖書館自習、借閱了，如今，借助物聯網線上通信，智慧校園系統全面對接圖書館系統，通過手機就可以查詢到所有的借閱、歸還信息，應用人臉技術配合攝像頭，學生還可實現圖書館刷臉自助借還書籍，運用人臉技術可解決學生自助結賬和圖書借閱場景中傳統 Ic卡忘帶或丟失盜刷的問題，同時可以避免傳統的人工排隊造成效率低下的情況提升校園生活便利性，大大降低學校的人工管理成本。

（3）智慧教室，相較于傳統課堂，學生的學習情況和教學決策智能依賴于老師的個人經驗進行判斷，而智慧教室可以通過學生的行為和各類數據進行數據統計分析，用更直觀的方式全面了解學生的學習情況，從而調整教學策略。另外，傳統教室環境比較差，經常一個教室容納有幾十甚至上百人，空氣不夠清新，燈光昏暗，教室里面，冬天冷夏天熱，坐在教室里根本無心學習。而這些問題，通過智慧教室就可以得以解決，因為智慧教室可以根據學生不同時段身體狀況，自動檢測環境溫度、濕度，調節室外景觀照明自動設置，為學生提供一個安全舒適的學習環境，將自然因素降到最低。

3 智慧校園云架構設計

根據云計算的服務模式，整個智慧校園支撐服務平臺采用云架構，其體系架構圖如圖1所示。將智慧校園支撐服務平臺的體系架構劃分為基礎設施、平臺支撐層、軟件應用層。

圖1 智慧校園支撐服務平臺體系架構

3.1 基礎設施層

基礎設施層主要包括服務器、存儲集群、基礎網絡、物聯網感知設備，構建基礎設施設備資源，基礎設施層對智慧校園平臺和應用提供基礎服務支撐，利用云計算的特性，為數據計算提供強大的支撐力，并且可以在不影響上層結構的情況下隨時對基礎設施層進行擴充和升級。

3.2 平臺支撐層

平臺支撐層主要包括分布式存儲與計算平臺、統一身份認證平臺、服務訪問平臺，提供計算和數據服務，為用戶注冊、單點登錄、服務查找、服務注冊提供功能支撐，利用云計算的特性，可以做到負載均衡、備份容災和提供接口服務。平臺支撐層是整個智慧校園建設的核心，支撐服務平臺提供核心的平臺服務，將數據存儲、數據計算、用戶認證等進行集中的控制和管理，統一為上層應用服務。

3.3 軟件應用層

軟件應用層主要包括課程管理、設備管理、服務管理、虛擬實驗室、電子檔案中心、電子文件中心等。通過基礎設施層和平臺支撐層的支撐，軟件應用層構建了智慧校園的智慧學習、校園智慧管理、安防設施、手機借書、AI人臉識別、智慧教室等智慧產品，滿足了教學和科研的應用，并為教職工和學生的校園生活提供了便利。

4 智慧校園的實現

在建立好整個云架構服務平臺基礎上，平臺與數據服務支撐已經完成，接下來學校需要對整個學校資源、數據平臺、教學場所等進行測試和實驗性改造。主要從以下幾個方面進行實現：

4.1 網絡層面的實現

網絡是建設智慧校園的基礎，所有的系統和數據都需要通過網絡進行傳輸和運行，沒有網絡，數據就不能流動，因此，建設智慧校園，沒有網絡是無法進行的。

（1）校園網的建設。在學校的多個地方，例如教學樓、圖書館、行政樓、學生宿舍、操場、機房等建立多個無線接入點，安裝無線路由器等設備，在各個區域搭建無線局域網，使校園的各個終端都可以通過校園網進行鏈接。

（2）物聯網的搭建。物聯網的搭建是整個智慧校園的核心。物聯網的本質是通過各類傳感器對數據進行采集，并集中傳輸到智慧校園管理終端進行統一處理和分析，所以，物聯網是支撐智慧校園數據的重要一環。物聯網的設備主要有煙霧傳感器、紅外傳感器、空氣傳感器、雨水傳感器、智能攝像頭、智能開關、物聯網網關、溫度傳感器、濕度傳感器、亮度傳感器等，通過各個傳感器收集的數據，經過物聯網網關接入智慧校園平臺，從而實現智慧教室、身份識別、門禁安防、手機借閱等動能。

（3）網絡融合。在學校數字化校園的基礎上，利用物聯網人臉識別、AI技術，通過互聯網進行高效互聯，從而在學校原有的基礎上打造升級成智慧校園。另外，通過增加無線 AP、網絡終端，提高校園帶寬，使校園內的各種終端都可以暢通無阻的連接校園網絡，實現校園的高效溝通。

4.2 系統功能的實現

在整個智慧校園的設計規劃、云架構確定下來后，接下來需要對整個智慧校園的各個功能模塊進行實現。下文將以智慧教室、智慧教學為例。

（1）智慧教室的實現。將教師、學生、智慧平臺相互打通成云共享空間，教師在共享空間進行課前備課和上傳導學資料，學生通過共享空間進行預習。授課時老師通過掃碼獲取備課課件并與學生互動教學，課后的作業及習題學生通過共享空間學習測試，整個過程智慧平臺將全程收集，并用于教學數據分析。另外，還需對教室環境和設備進行管控，通過傳感器對教室的溫度、濕度、亮度進行采集，系統根據所采集的數據對溫度、濕度、亮度和空氣調節系統進行控制，保證整個教室環境的舒適。智慧教室通過紅外線，智能開關等方式來遠程和智能的管理控制教室內的所有設備。如教室投影儀、顯示器、電腦幕布，空調、電風扇，燈光，窗簾、門窗和排氣系統。通過環境感知或講臺上的控制終端以及智慧教室管理平臺自動或手動的進行設備的調節和開關，真正做到人來即開，人走即關，節約能源。

（2）智慧教學的實現。智慧校園最終目的以教學服務為主，通過線上教學和線下教學相結合，實現智慧教學的目的。首先，利用云架構、物聯網技術和搭建的基礎設備設施，將學校所有的資源進行整合，搭建一個線上訪問共享平臺，讓學生和教師可以通過線上平臺登錄訪問教育資源。教師可以將平常上課的筆記、教學資料、PPT課件、錄播課以及課后作業上傳到線上系統平臺，學生可以通過自己的賬號，在電腦或者手機上隨時隨地進行登錄查看，從而實現智慧教學的目的。