物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)環(huán)境下的智慧校園系統(tǒng)設(shè)計

宋果昇 周春萍

（山東青年政治學院 山東省濟南市 250103）

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及智慧校園概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是信息技術(shù)發(fā)展到一定階段的重要標志，是對互聯(lián)網(wǎng)的延伸和拓展，簡單來說就是將現(xiàn)實世界事物重新建立在虛擬世界的一種技術(shù)，主要通過二維碼、傳感技術(shù)、掃描技術(shù)等技術(shù)手段來實現(xiàn)[1]。物聯(lián)網(wǎng)概念在2005年正式提出，主要指借助信息傳感設(shè)備，在遵循一定規(guī)則和約定協(xié)議的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)人與物、物與人、物與物之間的相互聯(lián)系，并借助互聯(lián)網(wǎng)進行信息采集、傳輸和交互，以便準確感知物質(zhì)世界，為智能化實現(xiàn)提供支持。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域，如生產(chǎn)、運輸、存儲和銷售，醫(yī)療衛(wèi)生，公共安全及環(huán)保等，在一定程度上代表了一個國家綜合實力和技術(shù)實力。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用主要涉及三個層次：

（1）網(wǎng)絡(luò)層：核心網(wǎng)、通信網(wǎng)、云計算、人工智能、數(shù)據(jù)存儲處理等，確保校園的全覆蓋、安全穩(wěn)定、便捷快速；

（2）感知層：傳感器、GPS、數(shù)據(jù)庫及智能終端等，收集校園環(huán)境中各種信息，為定位、識別與監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析與決策提供輔助；

（3）應(yīng)用層：智慧校園、智慧交通、智慧城市等，實現(xiàn)各項業(yè)務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)與數(shù)據(jù)共享，個性化服務(wù)定制、推送與智能推薦。

1.2 智慧校園

智慧校園主要通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)，利用各種計算機應(yīng)用系統(tǒng)創(chuàng)建智慧化的學習、生活和工作一體化環(huán)境，實現(xiàn)校園內(nèi)教學、管理、科研與生活的相互融合。智慧校園與數(shù)字化校園有一定相似性，但智慧校園相較于數(shù)字化校園更加智能化，需要在數(shù)字化校園基礎(chǔ)上進行發(fā)展[2]。2018年，我國正式出臺關(guān)于智慧校園創(chuàng)建框架，指出創(chuàng)建智慧校園能夠為師生提供一個更加系統(tǒng)全面的感知環(huán)境和綜合信息處理平臺，還能實現(xiàn)校園內(nèi)部各項工作的協(xié)同發(fā)展、加強校園內(nèi)外的溝通交流。

2 智慧校園系統(tǒng)整體設(shè)計思路及技術(shù)支撐

2.1 整體設(shè)計思路

智慧校園系統(tǒng)是對互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的拓展和延伸，能夠?qū)⑿@基礎(chǔ)設(shè)施，如教學樓、辦公樓、實驗樓、體育館、餐飲樓等，智慧設(shè)備，如多媒體教室、多媒體設(shè)備、一卡通等、教職工及學生等相互連通，創(chuàng)建信息共享、協(xié)同發(fā)展的智慧校園系統(tǒng)，為校內(nèi)各項事務(wù)發(fā)展提供支持[3]。想實現(xiàn)這一目標，一方面要構(gòu)建一個統(tǒng)一基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，確保有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)等全面覆蓋校園，具有強大計算分析能力和功能的數(shù)據(jù)共享處理服務(wù)，因此，需要將各種傳感設(shè)備、EPC、RFID 等安裝在校園內(nèi)不同設(shè)備中，形成完整的物聯(lián)網(wǎng)體系。另一方面，智慧校園的載體是各種應(yīng)用服務(wù)，業(yè)務(wù)邏輯較為繁雜，涉及基礎(chǔ)設(shè)施也難以計數(shù)，要建立統(tǒng)一門戶系統(tǒng)，為用戶提供便捷訪問。所有應(yīng)用服務(wù)都需要經(jīng)過門戶系統(tǒng)的認證才能訪問，以保障門戶服務(wù)安全性。此外，還應(yīng)遵循同一信息標準體系，對不同系統(tǒng)和功能進行控制，具體包括三方面：依據(jù)國際或國家標準進行軟件設(shè)計與開發(fā)；健全信息編碼及數(shù)據(jù)規(guī)范；依據(jù)實際制定適宜學校的硬件設(shè)施標準。

2.2 技術(shù)支撐

硬件支撐。智慧校園系統(tǒng)需要處理海量信息，并對這些信息進行深入挖掘、分析與存儲，需要功能強大的服務(wù)器、交換機、存儲設(shè)備等硬件設(shè)施[4]。同時，不同應(yīng)用服務(wù)的實現(xiàn)，也需要相關(guān)硬件設(shè)施的支撐，如智慧照明系統(tǒng)，便需要MCU 作為核心控制部件、微波探測技術(shù)、光敏三極管、時鐘模塊等；自習室查詢需要人體紅外識別傳感器等。

網(wǎng)絡(luò)支撐。校園內(nèi)的無線網(wǎng)、局域網(wǎng)等組網(wǎng)模式、數(shù)據(jù)格式和通信協(xié)議存在差異，不利于信息高效傳輸，學校應(yīng)當制定統(tǒng)一信息體系，可以6LoWPAN 為基礎(chǔ)，構(gòu)建IPv6 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，充分發(fā)揮其傳輸效率高、高性能、可拓展及地址無限量的優(yōu)勢，實現(xiàn)校園內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)全方位、無死角、統(tǒng)一化。

智能感知支撐。智能感知層發(fā)揮著感知校園環(huán)境，識別、提煉與篩選各項信息的關(guān)鍵作用，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)環(huán)境下智慧校園系統(tǒng)必須具備的技術(shù)。要根據(jù)實際環(huán)境和需求，合理設(shè)置傳感器節(jié)點，如教學樓、宿舍樓、校醫(yī)院、體育館等，確保環(huán)境感知及信息獲取的全面性；可利用6LoWAPN 將各傳感器組網(wǎng)，并利用RFID、攝像監(jiān)控等智能感知校園環(huán)境，并將感知到的信息實時傳遞給系統(tǒng)。

3 智慧校園系統(tǒng)整體功能模塊

3.1 智慧教學

學校的主要工作是教學，智慧校園系統(tǒng)必須重視智慧教學管理，包括教室管理、師生管理、設(shè)備管理及實訓管理。教室管理根據(jù)傳感器感知教室使用情況，將教室使用頻率、使用時長、空缺教室等信息傳送至系統(tǒng)，便于進行教室管理與安排；師生管理對教學上課整體情況進行動態(tài)化監(jiān)控，包括上課考勤、考核成績、課堂表現(xiàn)等[5]；設(shè)備管理體現(xiàn)使用設(shè)備的具體情況，如損耗、故障等，便于進行養(yǎng)護維修，避免教學設(shè)備故障或缺失；實訓管理，通過傳感器監(jiān)控實訓教室，實時了解實訓情況，便于教師優(yōu)化教學方案。

3.2 智慧應(yīng)用

智慧消費，利用RFID 技術(shù)或數(shù)據(jù)庫技術(shù)升級一卡通功能，智慧管理中心可以了解師生一卡通使用情況，通過一卡通定位師生位置和卡內(nèi)金額變動情況，保障師生財產(chǎn)安全[6]；將一卡通與圖書館、教學樓系統(tǒng)相互連接，通過一卡通實現(xiàn)上課考勤、圖書借閱、座位預約、交通使用等功能，為師生生活提供便利。自習室查詢，在教室內(nèi)安裝紅外識別傳感器，通過人體紅外識別技術(shù)判斷教室內(nèi)是否有人，為社團活動、講座開辦、教師補課等提供便利。

3.3 智慧后勤管理

智慧后勤管理主要包含智能照明、安防警報、智慧交通等功能模塊，其中，智能照明系統(tǒng)利用MCU 作為核心控制部件和微波探測技術(shù)檢測人體存在，利用光敏三極管檢測環(huán)境光，系統(tǒng)根據(jù)人體存在和環(huán)境光情況，合理設(shè)置條件，對照明系統(tǒng)進行智能控制。

安防警報系統(tǒng)，設(shè)計安防專網(wǎng)為基礎(chǔ)，集采集層、傳輸層、處理層與應(yīng)用層于一體的校園智能安防平臺，保證平臺數(shù)據(jù)的安全性與實時性（具體見圖1），通過視頻監(jiān)控、門禁、GPS、圖像識別、圖像傳導等技術(shù)全面采集校園環(huán)境、人員及物體情況，將收集到的信息數(shù)據(jù)傳輸至中心數(shù)據(jù)庫，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進行監(jiān)測和分析，為校園安全提供保障[7]。任何區(qū)域傳感器異常、進入校園人員發(fā)生危險，安防系統(tǒng)將會發(fā)出警報信息，并加強這一區(qū)域監(jiān)控，安防人員可根據(jù)警報迅速進行處理。

圖1：校園智慧安防系統(tǒng)整體架構(gòu)

智慧交通系統(tǒng)，實現(xiàn)校園內(nèi)車輛運行、道路管理及車位管理，校園車輛動態(tài)情況發(fā)布至校園網(wǎng)，可進行車位預定和取消、停車費支付、交通狀態(tài)查詢及數(shù)據(jù)管理。以停車為例，校園內(nèi)會出現(xiàn)無法預測車輛數(shù)量，服務(wù)器顯示有空位實際上沒有空位的情況，使用智慧車位預定，能實時查詢校內(nèi)空余車位情況，系統(tǒng)會根據(jù)預定信息在一定時間內(nèi)預留車位。借助物聯(lián)網(wǎng)采集到的信息對校內(nèi)交通情況進行數(shù)據(jù)管理，能夠精確管理校內(nèi)交通情況、車輛停放信息、停車費管理及車輛使用信息等。

3.4 智慧學生管理

智慧學生管理，能夠?qū)W生在校活動、學習情況、學生檔案等進行管理，也有利于畢業(yè)后學生就業(yè)情況的跟蹤管理。

3.5 身份認證管理

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)環(huán)境下智慧校園系統(tǒng)，應(yīng)用覆蓋師生各種校園活動，含有大量個人隱私信息，一旦泄漏將會造成嚴重后果。因此，必須加強身份認證管理，建立具有強大身份認證和數(shù)據(jù)加密功能的統(tǒng)一認證系統(tǒng)，充分保障信息安全。

4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)背景下智慧校園系統(tǒng)實踐成果

4.1 提供移動學習平臺

信息化時代，學生獲取信息的途徑更加多元和便捷，在構(gòu)建智慧校園時，教師應(yīng)當充分利用多媒體優(yōu)勢，為學生提供更加優(yōu)質(zhì)教學資源、更加自由靈活學習空間，打破傳統(tǒng)線下教學時空限制，深入挖掘?qū)W生潛力，致力于培養(yǎng)復合型高素質(zhì)人才。教師利用智慧校園系統(tǒng)中在線互動課堂功能，根據(jù)教學大綱、教學內(nèi)容和目標錄制課件，將其上傳至系統(tǒng)中，便于學生學習和下載，還可以利用實時互動功能，解答學生問題[8]。根據(jù)學生專業(yè)、喜好構(gòu)建學生信息庫，為學生智能推送相關(guān)學習資源，學習資源應(yīng)當綜合專業(yè)知識與拓展資料兩方面，充分滿足學習需求和拓展需求。如：利用智慧校園中圖書信息管理系統(tǒng)，采集學生進入圖書館頻次、時長、借閱書籍、檢索信息等，借助大數(shù)據(jù)技術(shù)繪制學生畫像，建立學生閱讀行為與內(nèi)在需求關(guān)聯(lián)，為學生推薦智能化、個性化書目與資料。

4.2 提供智能化教學指導平臺

智慧課堂系統(tǒng)是智慧校園系統(tǒng)中十分重要的內(nèi)容，能夠在一定程度上緩解教師壓力，學生利用手機掃碼進入課堂，老師直觀掌握學生到課情況，后臺智能統(tǒng)計學生出勤率，教師在線布置課堂測試和作業(yè)，提前設(shè)置好問題和標準答案，系統(tǒng)自動評閱和總結(jié)，迅速知曉高頻錯誤，并據(jù)此進行課堂講解[9]。通過智慧課堂系統(tǒng)，教師和學生網(wǎng)絡(luò)教育資源的使用頻次也可一目了然，不僅可以檢驗教師信息技術(shù)應(yīng)用能力，還能掌握學生學習需求和興趣，幫助教師調(diào)整教學大綱，深入挖掘?qū)W生潛能，從而提高教學質(zhì)量和學生綜合素質(zhì)。

5 結(jié)束語

總而言之，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)環(huán)境下智慧校園系統(tǒng)的設(shè)計與構(gòu)建，能夠顯著提高學校管理效率，為師生校園學習和生活提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，本文從物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及智慧校園概念出發(fā)，分析了當下智慧校園設(shè)計整體思路和技術(shù)支撐，并從教學管理、應(yīng)用管理、后勤管理、學生管理及身份認證管理等方面設(shè)計功能模塊，推動智慧校園創(chuàng)建工作。