“感知校園”應用分析與設計研究

（青島理工大學 琴島學院，山東 青島 266106）

0 引言

為了更好地提高校園信息化和加強校園安全建設[1]，在校園的不同位置安裝視頻監控設備，實時采集數據，借助相關算法來完成視頻識別，分析采集到的數據特征，將識別出的信息數跟標準庫對比，判斷在該監控點的安全值是否超出規定預警上限，從而確定校園安全風險級別。依據級別的數值，啟動預警設備，發送預警信號至校園安防控制部門，控制部門工作人員能夠及時處理收到的預警信息，去現場核實危險性，采取有效的安全措施，防患于未然。

“感知校園”項目采用了4層模型，分別是感知層、網絡層、平臺層和應用層，數據的采集由感知層完成，數據的傳輸通過網絡層完成，數據的分析由平臺層處理，數據實時顯示和管理由應用層完成。

1 核心技術

1.1 NB-IoT技術

NB是窄帶的意思，具有強覆蓋、低功耗、低成本、大連接4個特點，NB-IoT的中文含義是窄帶物聯網[2]，用于組建蜂窩網絡，可以節約電量，使用的設備可以在互聯網中實現數據連接，也可以穩定升級；該技術可實現超長待機和高效的網絡連接。NB-IoT比GSM MCL大20 dB，都可轉化為覆蓋增益。

1.2 MySQL與XML

MySQL是一種經典的關系型數據庫，其主要結構包括：表格、視圖、存儲過程、觸發器等內容，可以存儲大量的規則數據，這些數據可以永久存放到不同的數據表中，這些表格之間存在N∶M的關系。

XML是一種常用的非關系型數據格式，其主要結構是樹形結構，存儲內容以<>方式來分割存放，最大的優勢就是可以存放大量不規則的數據，這是傳統關系型數據庫所不具備的功能。

1.3 PHP技術

PHP[3]是一種經典的Web站點技術，包括客戶端和服務器端，客戶可以通過瀏覽器訪問服務器端的信息，這些信息以網頁的形式展示；服務器端負責后臺的信息處理，對數據庫的讀寫查詢等操作。PHP技術本身是開源技術，可以免費使用，不必考慮后期的收費問題；開源代碼非常多，使PHP可以快速構建Web站點，已經成為當前的一種流行Web技術。

1.4 傳感器

傳感器是一種檢測設備，能感知信號，可將信號轉換成為電信號，通常可以檢測到溫度、濕度、煙霧、紅外線等多種信號，還能夠滿足信號的傳輸，可以對信號進行處理、能夠將數據存儲起來。

2 研究過程分析

通過對校園室內外環境的調研，確定了合理的時間安排和期望目標，對每一個環節進行嚴密審查，實施過程中要有完備的文檔資料，及時存檔，以備日后查閱維護。研究內容和研究過程如下：

（1）查閱并收集資料，指定并評估可行性研究報告。

（2）針對研究報告和實際項目需求，進行軟硬件需求分析，并設計出系統架構。

（3）關于采集模塊，要采用恰當的傳感器，確保數據采集的正確性和可靠性。

（4）利用網絡技術和數據倉庫技術完成信息的挖掘與整理。

（5）將匯總的數據上傳至校園云服務器中，實現數據的加工與深度分析。

（6）校園云服務器將對數據進行處理，可視化顯示所需要的圖形、圖像等信息，并導出到Web站點或智能手機應用程序中。

（7）對整個項目進行軟硬件調試，調試通過后，再高效運行。

3 系統設計

“感知校園”項目是一個綜合性項目，其后臺部署在校園云服務器中，整個項目涉及多種軟硬件知識。本項目主要包括數據采集與通信模塊、信息處理模塊、數據庫管理模塊和可視化交互模塊，如圖1所示。

圖1 系統設計

4 數據采集模塊

在“感知校園”項目中，需要使用傳感器采集大量的數據，數據主要來源于室內（教室、宿舍）和室外，采集模塊主要包括教室信息采集模塊、宿舍防火防盜模塊和室外采集模塊。其解決方案為在校園里安裝各類不同傳感器，使用NB-IoT技術采集數據，并提取出有用的信息存儲起來，借助智能手機或Web軟件實時監控，實現自動化控制及防盜、防火的基本安全控制。

采集模塊的主要工作原理是：通過室內外的各類傳感器，采集到一些不規則的文本數據，這些數據經過格式化處理，并通過COM通信線實現上位機與下位機之間的通信，解析后的信息上傳到服務器，服務器存儲轉發信息，分別傳輸到教學樓終端顯示屏、宿舍樓終端顯示屏、各類智能手機等設備上。

數據采集模塊中各類傳感器需要24小時運行，由傳感器構成的網絡設備耗電量很大，因此可以從技術環節達到節能省電目的。這里采用NB的節電技術，從硬件和軟件兩個方面進行技術優化，裁減不必要的硬件，簡化物理層、優化協議棧，采用多緩沖技術防止卡頓，從而節約了電能，提高了效率。

5 數據庫管理模塊

在“感知校園”項目中，各類傳感器[4]會從校園里采集到大量的數據，包括文本數據、語音數據、視頻數據，這些數據需要存儲到可靠的數據庫中。對于格式規范的信息，本項目采用了MySQL數據庫進行存儲和管理；鑒于數據格式可能有些雜亂，本項目采用了非關系數據庫來存儲。

結合前期調研和需求資料，將采集到的信息經過處理后，分類存儲到用戶信息表、教師信息表、宿舍信息表、空閑教室表、設備狀況表、風險管理表。在設計時，要確保數據格式規范，將一些不規范的信息存儲到XML格式的非關系數據庫中，這樣可以確保數據庫能夠安全存儲各類信息。

傳感器采集到的各類數據，都要經過格式化處理，規范數據存儲到MySQL數據庫中，無法格式化數據將以XML或者普通文件存儲，其數據處理模塊原理如圖2所示。

6 可視化交互實現

在“感知校園”項目中，實現數據的可視化交互是一個非常重要的模塊。項目后臺是構建在校園Linux[5]云服務器中的，系統開發采用了PHP+MySQL技術。目前，云服務器可以實時查看教室的溫度、濕度、學生的出勤人數，也可以動態查詢宿舍區的安全防火等信息；教師可以通過平臺編輯教工工作量，實時處理工作日志管理工作；學生可以在線查詢圖書的借閱信息，平臺可以利用大數據分析學生對閱覽書籍的喜好，推送最新圖書動態及學生可能感興趣的圖書書目等，這些功能都可以手機上便捷操作。

可視化交互模塊很好地實現了校園數據的可視化展示，Linux云服務器端提供了大量的可供查詢的信息，其主要查詢的信息如圖3所示。

圖2 數據處理模塊

圖3 校園查詢信息

7 結語

通過系統的分析，“感知校園”項目主要設計理念就是：做好調研工作，進行科學的系統的可行性與需求分析，在此基礎上，設計出項目的主要功能模塊，詳細描述每一個模塊實現過程，給出有效的解決方案。