基于物聯網、大數據的智慧校園研究

滕雯靜 王寧

摘要：隨著物聯網、大數據技術的發展，高校管理從數字化校園開始邁向智慧校園。基于近距離無線通信技術和移動蜂窩網的物聯網技術在智慧城市、智能樓宇、智能停車、智能超市、資產追蹤、物流跟蹤等領域得到了廣泛的應用。高校智慧校園可根據應用場景選取不同的技術方案。物聯網感知系統采集的數據經過大數據中心的分析、建模，可以為師生提供個性化的校園服務，進一步推動高校管理智能化、便捷化。

關鍵詞：智慧校園;物聯網;大數據

中圖分類號：G647;TP311.13? ? ?文獻標識碼：A? ?文章編號：1007-9416（2020）10-0000-00

黨的十九大做出中國特色社會主義進入新時代的重大判斷，提出“加快教育現代化，辦好人民滿意的教育”的時代命題，開啟了加快教育現代化、建設教育強國的新征程。國家教育部于2018年4月發布了《教育信息化2.0行動計劃》，提出了“智慧教育創新發展行動”[1]，為我們推進智慧校園建設指明了方向。特別是近年來，隨著人工智能、大數據、物聯網、云計算、區塊鏈等技術迅猛發展，極大影響了人們的生產生活方式，也推動著教育教學領域的應用。依托各類智能設備、網絡，積極開展智慧校園建設，將積極推動新技術條件下教育教學的模式變革，真正實現教育信息化進入2.0時代。

隨著物聯網、大數據技術的發展，高校管理從數字化校園時代開始邁向智慧校園時代。傳統的數字化校園，是指在傳統校園基礎上構建一個利用計算機和網絡構成的數字空間，實現環境信息、資源信息到應用信息的數字化，從而為教育資源和教學服務共享提供有效支撐。而隨著時代發展，傳統的數字化校園已經不能適應現代化的教育教學管理模式，特別是2020年新冠疫情的全球爆發給傳統的數字校園提出了新的挑戰，智慧校園則是物理空間和信息空間的有機銜接，是任何人、任何時間、任何地點（anyone，anytime，anywhere）都能便捷地獲取資源和服務。智慧校園以物聯網為基礎，將校園工作、學習和生活一體化，將教學、科研、管理和校園生活真正融合，成為有機整體。

1當前校園日常建設和管理實踐中的弊端和不足

當前校園日常建設和管理實踐中的弊端和不足，主要有：（1）智能化程度不高。當前一些高校的部分學生日常管理工作還停留在線下人工管理，雖然部分管理工作使用了信息化系統，但整體智能化程度不高;教室、實驗室互動性、參與性、個性化服務不強，智能化程度不高，在數據統計、實時管理等方面消耗了大量的人力物力。（2）能源消耗過大。圖書館、自修教室等存在空閑時段室內無人、照明全亮、空調全開的不節能現狀，與建設資源節約型校園很不相稱。（3）校園服務效率低下。高校食堂在下課高峰因為人工打菜計價慢，圖書館在借書高峰因為人工掃描條碼速度慢，導致學生排長隊，存在低效率問題等等。（4）信息零散孤立。高校校園網、教務、學工、辦公、人事、科研等管理系統，相互獨立、數據標準不統一、系統關聯性不大，無法協同工作，難以有效整合及共享數據資源。（5）數據標準化程度低。高校學生數量多，教務、學工、宿舍、圖書館等各個業務系統每天產生海量數據，但是沒有對這些數據進行標準化、智能化組織和處理。（6）應用靈活度不夠。特別是以此次新型冠狀病毒感染的肺炎疫情代表的突發公共事件發生后，如何迅速建立具有較高匹配度，可以快速、高效、準確、有針對性的加強學校閉環管理的應用模式，成為眾多高校亟需尋求的解決方案。這些問題看似平常，屢見不鮮，但日積月累，影響教育教學高效運轉，造成資源極大浪費。

2物聯網、大數據等新興技術發展為高校管理提供新的路徑

物聯網是指在互聯網基礎上擴展及延伸的網絡，是通過各種網絡連接技術與信息傳感技術實現物與物、物與人之間的連接和互動。物聯網通過智能感知、識別技術、普適計算、泛在網絡的融合應用， 被譽為繼計算機和互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮。根據國際電信聯盟發布的《ITU 互聯網報告：物聯網》， 在新的發展時期， 物聯網被定義為根據一系列的信息系統以及設備按照約定的協議將互聯網與所有設備進行連接以進行通信及信息的交換， 從而達到智能化的識別定位管理等功能的一種網絡[2]。作為新一代信息通信技術高度集成和應用的典范， 正在與經濟社會深度融合， 深刻改變生產活動、社會管理、公共服務，推動人類社會進入“萬物互聯”的新時代。

物聯網通過RFID（Radio Frequency Identification）標簽給每個真實的物體分配唯一的標識或地址，RFID標簽抗損壞能力強，其利用無線射頻識別技術實現物與物的互聯互通。

基于近距離無線通信技術和移動蜂窩網的物聯網技術在智慧城市、智能樓宇、智能停車、智能電梯、資產追蹤、抄表、路燈、跟蹤物流等領域得到了廣泛的應用。高校物聯網也根據使用場景可選擇不同的物聯網技術。

目前近距離無線通信技術包括ZigBee、超寬帶（UWB）無線通訊、Z-Wave、Wi-Fi、紅外通信、藍牙等一系列較為成熟的近距離無線通信技術。ZigBee，是一種短距離無線通信技術，它的結構簡單，主要采用了IEEE 802.15.4標準規范。它的特點是功耗低、速率低、成本低，支持多節點、多拓撲，安全可靠，可定制化程度高。超寬帶（UWB）是一種不使用載波的無線通訊技術，利用極窄能量脈沖，通過調制、排序將脈沖擴展到需要的頻段。可實現短距離內超帶寬、高速的數據傳輸，且功耗低、穿透能力極強、抗多徑能力強、定位精準度高、成本低。Z-Wave是基于射頻技術的短距離無線通信技術，其成本低、功耗低、可靠性高、操作簡單，兼容性好。Wi-Fi是目前使用最廣的無線通信技術，通過無線網卡、無線訪問接入點AP（Access Point）搭建網絡，其成本低，但是容易受其他信號干擾，傳輸質量不穩定，從而影響數據的準確性。藍牙作為一種短距離的無線通信方式，有著安全性高、成本低等特點。

依據現有移動技術開發的蜂窩物聯網技術標準及產業布局日趨成熟，目前低功耗廣域物聯網技術（LPWAN）主要包括EC-GSM、NB-IoT和eMTC。EC-GSM是基于GSM/GPRS/EDGE的技術，其優勢在于可以復用現有的移動基礎設施，大部分基站無需更換或升級硬件設備，只需更新網絡節點上的軟件，且 GSM 網絡遍布全球，覆蓋面廣。NB-IoT（Narrow Band Internet of Things），是一種應用廣泛的窄帶物聯網技術，其構建于蜂窩網絡，速率低、連接多、覆蓋廣、功耗低、成本低、架構優，適合用在傳感、計量、監控等應用上。eMTC（LTE enhanced MTO），是基于LTE演進的無線物聯網解決方案，是在LTE協議基礎上進行裁剪和優化，降低了發射功率、降低了硬件成本，超可靠低時延、支持語音技術、覆蓋更廣，側重點主要體現物與物之間的通信需求。

高校可在實際應用中，根據高校自身特點，以及應用場景選擇適合自己的物聯網技術，實現校園內的物與物的互聯互通。通過各類傳感器、電子標簽構建智慧環境，采集環境監測數據。

大數據字面意思表示規模龐大的數據，但是大數據有別于傳統的“海量數據”、“超大規模數據”，即大數據滿足4V特性，即規模性（volume）、多樣性（variety）、高速性（velocity）和價值性（value）[3]。大數據技術從理論走向應用，為高校管理發展帶來了新的機遇。對高校每天產生的數據進行全生命周期的監測、分析，將給高校治理提供更多的思路和決策支持[4]。

通過校園物聯網的互通，建立智慧教室、智慧實驗室、智慧圖書館、智慧宿舍、智慧食堂等，在校園日常運轉中利用物聯網實時采集數據，并對數據進行日常的分析，實現精準定位，預測預警，實現校園日常管理的節能減排，提高校園日常的安全保障[5]。

3基于物聯網、大數據的智慧校園架構

（1）基于智能感知的校園環境建設。物聯網感知環境是智慧校園管理大數據信息產生的一大來源。通過傳感器、智能電子標簽等實現對校園環境內的所有設施、設備及狀態的信息采集，對環境指標和活動情境的識別感知和記錄，從而實現對物理環境、活動情境、設備、人員身份的感知，實現物與物、人與物的互聯。如感知校園中學生及教師“人”的活動、各類教育教學器具等“物”的移動、圖書館、食堂內各種圖書、菜品的標識等。

（2）智慧校園業務管理平臺。智慧校園管理平臺的各個應用系統單元的業務數據是智慧校園大數據信息產生的另一大來源。智慧校園管理平臺包括了協同辦公系統、人力資源管理系統、教學管理系統、學生工作管理系統、資產管理系統、財務管理系統、實驗室管理系統、圖書管理系統等應用單元。通過頂層設計、統一的數據標準、統一身份認證，形成一個互聯互通的平臺體系，實現數據資源共享。

（3）智慧校園大數據中心。物聯網感知環境和智慧校園管理平臺產生的結構化、非結構化數據，經過抽取、清洗、轉換、加載，匯聚到大數據中心。大數據中心打通數據通道，突破數據壁壘，實現異構系統的數據統一存儲、整合。各應用系統之間實現信息互通，數據共享，從而消除“信息孤島”，實現系統間的數據交換。

（4）校園數據管理分析。在大數據中心的基礎上，進行數據挖掘、數據關聯融合，通過語義處理實現數據的可視化管理，讓校園海量數據活起來。以在線建模的方式對數據進行分析處理、配合使用，實現綜合校情分析。

（5）校園數據應用。經過處理分析的數據，讓校園管理實現數據化、服務化、智慧化，比如綜合校情分析、個人數據中心、基本數據服務、數據預警、數據推薦、報表展示等。綜合校情分析，通過對關鍵數據的提取，實現不同主題的校情分析，如辦學條件分析、教師主題分析、教學主題分析、科研主題分析、資源能耗分析等。個人數據中心，通過整合各個系統的數據，形成一個個人精準畫像，包括學業、生活、消費、考勤等多維度分析。基本數據服務向師生提供基礎數據的展示及查詢功能。數據預警則根據分析自動發出學業預警、擅自離校預警、貧困生預警、消費異常預警等。數據推薦，根據不同的學生畫像、行為分析提供針對性的學習方法推薦、學習習慣推薦、圖書推薦;根據教師的教學質量分析提供相應的教學方法推薦等。報表展示則以報表的形式展現學校的管理數據，對于信息上報可以節省重復填報、反復收集信息的時間，以提高工作效率。

4物聯網運用、大數據分析在校園建設管理的應用場景

物聯網、大數據技術應用在校園的應用模式多、場景豐富，技術實現上有路徑、日常使用實踐具有可行性。需要我們通過物聯網、大數據應用下的校園節能研究、校園安全研究、校園管理研究等專項研究，用最新技術手段和方法，推進學校教育教學各環節節約節能，推進平安校園建設，推進教育教學資源合理配置、優化管理、高效運行。

（1）智慧教室、智慧宿舍的應用——實現節約節能、活動統計、教室安排。通過紅外傳感器檢測到室內無人后，由數據中心經過處理，對電源控制器發出指令，實現自動關燈;室內場所通過溫濕度傳感器實時調節室內空調溫度，以達到節能的目標;并且將數據上傳到數據中心，通過與教務系統、學工系統的數據集成對接，責任到上課的班級、教師、學生，給與提醒，提高全校師生的節能意識。數據中心根據教務系統的排課安排，向教師學生推送上課教室號，同時無課的學生可以查詢空閑教室，系統也可向學生推薦自習室，盡量使用統一的教室，達到節能的目的。

（2）智慧實驗室的應用——實現實驗室中常存化學試劑、危險氣體、廢棄物等的管理。通過物聯網實現實驗室的智慧化、精細化、可視化管理，可有效降低、消除實驗室的安全隱患。通過使用煙霧傳感器、溫濕度傳感器、氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、亮度傳感器、PM2.5傳感器等對實驗室環境參數實時監控，構建一個能耗低、環保、安全的智慧實驗環境。

（3）智慧圖書館的應用——實現資源合理配置，優化管理，高效運行。通過對圖書館書庫的區塊劃分，每個區塊安裝對應的紅外傳感器、亮度傳感器等，當檢測到該區域有人時，自動亮燈;超過一定的時間無人自動熄燈或調暗燈源亮度，以降低圖書館的日常能耗。每本館藏圖書由唯一的RFID標簽標識，師生可根據標簽定位，迅速找到書籍;館員也可以根據標簽信息定位圖書在校園內的位置。大數據中心根據圖書借閱數據，在線建模向圖書管理員推薦調整書庫的圖書存放位置;向師生定點推送閱讀書目。

（4）智慧食堂的應用——實現食堂的高效運行、精準采購、學生飲食健康分析。通過使用加裝了傳感器的餐盤，自動計算金額，減少學生排隊時間，避免高峰期食堂人員過度集中，防止安全隱患。師生在門戶網站查詢食堂實時人數，合理安排就餐時間。數據中心通過對學生的點菜數據，既可以分析全校師生的餐飲偏好，合理采購;也可以分析單個學生的消費曲線，建立學生的飲食健康檔案，及時發現生活困難，過度減肥等學生。

（5）智慧安防的應用——實現高校安保管理精細精準。每位在校生發放一個代表個人身份的RFID卡，用于進出校園及校園內樓宇的憑證。在宿舍、教學門禁處配置RFID讀卡器，個人只能進入授權了的宿舍樓、教學樓，否則系統自動報警。學生身份標簽也可用作上課考勤，宿舍查寢，任課老師和輔導員能夠快速了解考勤情況，提高課堂及日常管理的效率。學生在校期間如果有貴重物品，可向學校保衛部門申請RFID-SIM卡，將卡片置于貴重物品中，并錄入所屬學生的個人信息、物品信息。宿舍、校園門禁處的RFID讀卡器，讀取進出RFID信息，若物品標簽信息與人員信息相同則放行，否則自動報警。

5結語

當前是信息技術發展最快的時代，物聯網、5G、大數據技術相輔相成、共同發展，各項技術不斷成熟，智慧校園建設也進入了新的發展時期，實現校園生活方方面面的智能化，提升學生的學習和生活的便捷性，優化教學模式。校園服務將更加趨于個性化，旨在滿足每一個個體的需求;校園的管理更加趨于精細化，在降低人力物力的同時提高管理效率，促進學校的整體進步。

參考文獻

[1]吳旻瑜，武曉菲.教育信息化2.0的時代邏輯：《教育信息化2.0行動計劃》解讀之一[J].遠程教育雜志，2018，36（4）：4-10.

[2]ITU-T.Rec Y4000.Overview of Internet of Things[R].2016.

[3]孟小峰，慈祥.大數據管理：概念、技術與挑戰[J].計算機研究與發展，2013，50（1）：146-169.

[4]徐健.大數據技術在智慧校園中的現狀及發展趨勢[J].電子商務，2019（2）：57-58.

[5]孟勛.基于物聯網的智慧校園建設[J].中國科技信息，2019（7）：59-60.

收稿日期：2020-08-10

基金項目：江蘇省現代教育技術研究課題（2018-R-66983）

作者簡介：滕雯靜（1989—），女，江蘇南京人，碩士，助理工程師，研究方向：計算機軟件。

Research on the Smart Campus Based on Internet of Things and Big Data

TENG Wen-jing，WANG Ning

（Jiangsu Health Vocational College， Nanjing Jiangsu? 211800）

Abstract： With the development of Internet of Things（IoT） and Big Data，the management in colleges and universities is moving from the digital campus into a smart campus. The Internet of Things （IoT） based on NFC and cellular mobile network has been widely used in smart city，smart building，intelligent parking，smart supermarket，asset tracking，asset tracking etc. Different technical solutions can be selected according to the application scenarios. The data collected by sensing of Internet of Things（IoT） is analyzing and modeling in Big Date center. It can provide personalized campus services for teachers and students， and further promote the intelligent and convenient management of colleges and universities.

Key words： smart campus; Internet of Things（IoT）; Big Data