智慧校園中物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的建設(shè)與應(yīng)用

孫振楠

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院鎮(zhèn)江分院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有全面感知、可靠傳輸?shù)奶卣鳌Ｎ锫?lián)網(wǎng)環(huán)境在智慧校園中的建設(shè)與應(yīng)用中，在智慧校園具備的數(shù)據(jù)處理能力基礎(chǔ)上，聚焦智慧校園現(xiàn)有數(shù)據(jù)通信信道的打通，教與學(xué)活動中數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集，為學(xué)校多層面、多樣化的發(fā)展、分析學(xué)業(yè)成績背后的原因、幫助教師確定有針對性的教學(xué)策略、實現(xiàn)個體化教育提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。此外，智慧校園物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境架構(gòu)的設(shè)計及相關(guān)應(yīng)用的開發(fā)，為新技術(shù)在智慧校園中的應(yīng)用提供了模型參考及實踐指導(dǎo)。

為了提升學(xué)校信息化環(huán)境，適應(yīng)新一代信息技術(shù)的發(fā)展，各類學(xué)校根據(jù)自身發(fā)展的需要有序開展智慧校園建設(shè)工作。在數(shù)字校園基礎(chǔ)上建設(shè)的智慧校園，其基礎(chǔ)設(shè)施包括全面覆蓋的有線網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)、全面共享的數(shù)據(jù)與綜合信息服務(wù)。目前，雖然智慧校園的硬件平臺與相應(yīng)的軟件平臺已經(jīng)搭建完成，系統(tǒng)已經(jīng)投入運(yùn)行，但與預(yù)期的效果相比還有較大的差距。智慧校園的建設(shè)與應(yīng)用存在著硬件與軟件投入、系統(tǒng)建設(shè)與系統(tǒng)在教學(xué)活動中實際應(yīng)用的矛盾。本文基于智慧校園建設(shè)工作，借鑒國內(nèi)外先進(jìn)的平臺建設(shè)技術(shù)，結(jié)合教與學(xué)活動研究與分析智慧校園中的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，對現(xiàn)已完成的建設(shè)內(nèi)容進(jìn)行診斷與改進(jìn)，依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，從數(shù)據(jù)通信信道打通、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)采集的角度，對亟待解決的教學(xué)與學(xué)習(xí)支撐平臺進(jìn)行方案設(shè)計與應(yīng)用建設(shè)。

1 智慧校園建設(shè)現(xiàn)狀

2016年，教育部將“智慧校園”納入《2016年教育信息化工作要點》[1]。目前國內(nèi)外智慧校園的發(fā)展趨勢主要集中在以下幾個方面：全面信息化，營造社交型學(xué)習(xí)氛圍；利用云計算技術(shù)，提供便利學(xué)習(xí)空間；隨時隨地智能化教學(xué)和管理；大數(shù)據(jù)為學(xué)生量身打造學(xué)習(xí)計劃、分析學(xué)習(xí)行為；基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建智能校園；使用可再生能源，實現(xiàn)校園節(jié)能減排；構(gòu)建傳感互聯(lián)的可監(jiān)控校園，實現(xiàn)安全校園。

1.1 智慧校園中的數(shù)據(jù)問題

智慧校園的建設(shè)過程中，在技術(shù)上面臨的主要問題有數(shù)據(jù)處理的問題和數(shù)據(jù)獲取的問題。因?qū)W校發(fā)展需要，學(xué)校不同的部門在不同階段建設(shè)了不同的管理平臺，如學(xué)習(xí)資源管理平臺、學(xué)生管理平臺、教務(wù)管理平臺、后勤管理平臺和師資管理平臺等[2]。由于數(shù)據(jù)源頭較多，缺少統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，導(dǎo)致數(shù)據(jù)格式不盡相同、數(shù)據(jù)整合與處理困難。在數(shù)據(jù)處理問題上，為了整合各部門數(shù)據(jù)，解決平臺不兼容、數(shù)據(jù)不統(tǒng)一等問題，宋蘇軒等人通過云平臺構(gòu)建一站式服務(wù)中心、數(shù)據(jù)中心和認(rèn)證（注冊）中心實現(xiàn)了業(yè)務(wù)流程整合、數(shù)據(jù)統(tǒng)一規(guī)劃治理[3]；鄧嘉明等人以數(shù)據(jù)聚合為核心改變了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)的緊密耦合方式[4]。隨著數(shù)據(jù)處理問題的解決，數(shù)據(jù)的獲取不再受到約束，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有全面感知、可靠傳遞等特征，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧校園中的應(yīng)用將傳統(tǒng)的人與人之間的信息傳遞擴(kuò)展到人與物、物與物，在數(shù)據(jù)獲取方面實現(xiàn)了全面感知，為智慧校園的決策分析提供了數(shù)據(jù)支撐。

1.2 新技術(shù)在智慧校園中的應(yīng)用

在此通過中國知網(wǎng)按主題“智慧校園”進(jìn)行檢索，設(shè)置查詢時間為2015年1月1日—2020年12月6日，分析近5年關(guān)于智慧校園的高頻關(guān)鍵詞，出現(xiàn)頻次見表1所列[1]。近5年知網(wǎng)所收錄的關(guān)于“智慧校園”的文獻(xiàn)共3 022篇，通過詞頻分類，合并同義關(guān)鍵詞，最后得到7個與技術(shù)有關(guān)的高頻關(guān)鍵詞，排在前三位的高頻關(guān)鍵詞分別是“大數(shù)據(jù)”“物聯(lián)網(wǎng)”和“互聯(lián)網(wǎng)+”。通過共現(xiàn)矩陣分析，3 022篇文獻(xiàn)中，“智慧校園”與“物聯(lián)網(wǎng)”同時出現(xiàn)的頻次為158次，如圖1所示。

圖1 共現(xiàn)矩陣分析圖

表1 智慧校園研究的高頻關(guān)鍵詞表

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是“信息化”時代的重要發(fā)展階段。物聯(lián)網(wǎng)通過多網(wǎng)互聯(lián)的通信技術(shù)保障傳感層設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)可靠、穩(wěn)定的傳輸，供上層應(yīng)用智能處理，具有全面感知、可靠傳遞、智能處理等特征[5]。本文在智慧校園建設(shè)過程中研究物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)設(shè)計整體架構(gòu)，充分集成現(xiàn)有的信息化資源，打通數(shù)字通信信道，實現(xiàn)人與物、物與物相互關(guān)聯(lián)。通過相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的設(shè)計，在教與學(xué)活動中完成多項任務(wù)，調(diào)動教師應(yīng)用新技術(shù)的積極性，使其成為智慧校園的重要組成部分；探究智慧實驗室對不同專業(yè)、不同實驗的環(huán)境影響，跟蹤學(xué)生的實驗過程、實驗結(jié)果；采集學(xué)生、教師個性化數(shù)據(jù)，改變教師的教學(xué)方式和學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，培養(yǎng)學(xué)生與時俱進(jìn)的創(chuàng)新精神和信息化素養(yǎng)，探索物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境在智慧校園建設(shè)過程中的應(yīng)用價值。

2 智慧校園物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境架構(gòu)設(shè)計

智慧校園物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境架構(gòu)的設(shè)計以現(xiàn)有智慧校園為基礎(chǔ)，依據(jù)信息規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)和物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三層架構(gòu)打通智慧校園數(shù)據(jù)流通信道，如圖2所示。現(xiàn)有智慧校園包括統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施平臺、共享數(shù)據(jù)平臺、基于多網(wǎng)融合的新型網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與管理系統(tǒng)、IC卡與手機(jī)融合的綜合校園卡應(yīng)用系統(tǒng)、面向信息服務(wù)的各類應(yīng)用系統(tǒng)[6-7]。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)智慧實驗室架構(gòu)

智慧校園物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的感知層根據(jù)接入系統(tǒng)“物體”的特點，包括NFC標(biāo)簽、多媒體設(shè)備、校園卡、射頻讀寫器、教學(xué)搶答器、二維碼、RFID標(biāo)簽、環(huán)境監(jiān)測傳感器、聯(lián)動執(zhí)行器等物理設(shè)備；網(wǎng)絡(luò)層在基礎(chǔ)設(shè)施平臺上擴(kuò)展無線射頻、ZigBee、NFC、2.4G等通信技術(shù)；應(yīng)用層基于教與學(xué)活動的需要，包含環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、聽課管理系統(tǒng)、多媒體互動系統(tǒng)、學(xué)習(xí)檔案記錄系統(tǒng)、圖書管理系統(tǒng)、實驗室預(yù)約系統(tǒng)、資源共享平臺、德育管理系統(tǒng)、實驗設(shè)備管理系統(tǒng)、教務(wù)管理系統(tǒng)等。在基礎(chǔ)設(shè)施方面，針對目前學(xué)校中的傳統(tǒng)管理方式，從安全、節(jié)能、高效、舒適4個方面，設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)的學(xué)校設(shè)施監(jiān)管系統(tǒng)，通過硬件和軟件的精選和設(shè)計，實現(xiàn)設(shè)施的全程監(jiān)控、智能管理，提高設(shè)施的服務(wù)效率。

3 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的建設(shè)與應(yīng)用

智慧校園中的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境實現(xiàn)物物相連、人人相連，對接入的“物體”數(shù)據(jù)實時采集，精準(zhǔn)獲取學(xué)生、教師個性化數(shù)據(jù)，為使用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析數(shù)據(jù)，為學(xué)校多層面、多樣化的發(fā)展、分析學(xué)生學(xué)業(yè)成績背后的原因、幫助教師確定有針對性的教學(xué)策略、實現(xiàn)個體化教育提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.1 智慧實驗室建設(shè)

實驗室作為學(xué)科時間與探索的重要場所，傳統(tǒng)的管理方式局限于設(shè)備管理、使用人員管理。智慧實驗室隨著智慧校園的發(fā)展而興起，突破傳統(tǒng)管理方式的局限，實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)與各平臺的對接。基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧實驗室，在實驗數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上融合了實驗環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，監(jiān)測實驗室內(nèi)溫濕度、光照、二氧化碳等環(huán)境數(shù)據(jù)，跟蹤實驗設(shè)備使用情況、所處位置。通過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，為探究實驗室內(nèi)環(huán)境對不同專業(yè)、不同實驗結(jié)果的影響，同時在實驗室環(huán)境一定條件下，分析實驗操作者的操作行為對實驗結(jié)果的影響打下基礎(chǔ)[8]。

利用RFID定位技術(shù)有效管理可外借實驗設(shè)備，將實驗設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，通過分類、編目，使實驗設(shè)備像圖書一樣管理。通過檢測每次實驗的結(jié)果，教師端平臺通過比對每次實驗的結(jié)果，判斷設(shè)備是否損壞等情況，對實驗設(shè)備的借出實現(xiàn)可追溯管理，提高實驗設(shè)備的使用率。

3.2 自動測評物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺開發(fā)

自動測評的桌面式物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺模擬物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，如智能家居、智慧商超、智慧小區(qū)等，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的落地應(yīng)用的展示平臺。平臺有助于普及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用，通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備選型、布局、安裝、連接等操作自動評分功能，評定學(xué)生的實驗質(zhì)量。平臺包括實驗工位、計算機(jī)、設(shè)備套件、移動端APP、PC端軟件、自檢模塊，平臺結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。平臺通過實驗綜合管理系統(tǒng)采集、分析學(xué)生操作數(shù)據(jù)，并將分析結(jié)果及實驗質(zhì)量通過PC端或手機(jī)端反饋給學(xué)生。系統(tǒng)功能模塊包括：登錄模塊、題庫管理模塊、用戶管理模塊、答題模塊、自動判分模塊、成績查看模塊和答題分析模塊。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)自測平臺結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 校園手環(huán)設(shè)計

校園手環(huán)作為智能穿戴設(shè)備，其集成校園生活中的門禁識別、刷卡消費、名片交換、運(yùn)動記錄、時間查看、信息系統(tǒng)身份識別等功能，具有便攜、智能、操作簡單、美觀和時尚、可以方便的與移動設(shè)備進(jìn)行通信等優(yōu)點[9]。校園手環(huán)作為學(xué)生、教師在校期間的身份標(biāo)識，通過對手環(huán)日常數(shù)據(jù)收集、分析，形成學(xué)生與教師的個性化數(shù)據(jù)采集、分析，進(jìn)而實現(xiàn)教學(xué)精準(zhǔn)化建議、學(xué)生行為的過程性監(jiān)測。手環(huán)上的課堂搶答模塊便于記錄學(xué)生答題情況，形成學(xué)習(xí)檔案記錄，完善課堂教學(xué)智能化，為多元化評價反饋，最終形成課程學(xué)習(xí)記錄提供依據(jù)[10]。

3.4 聽課預(yù)約系統(tǒng)開發(fā)

根據(jù)教師聽課預(yù)約機(jī)制，開發(fā)聽課預(yù)約系統(tǒng)，以解決教師扎推聽課、影響課堂效果問題。聽課預(yù)約系統(tǒng)根據(jù)教師的專業(yè)、所任教學(xué)生的專業(yè)智能篩選、排序，預(yù)約成功后生成二維碼。聽課前掃描二維碼簽到，聽課后，通過二維碼入口實時上傳聽課評價。系統(tǒng)中的NFC標(biāo)簽方便修改手機(jī)情景模式，免除了忘記修改靜音模式帶來的聽課影響。

4 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)具有全面感知、可靠傳遞的特征，智慧校園中的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境有效地打通了數(shù)據(jù)流通途徑。在現(xiàn)有智慧校園基礎(chǔ)上建設(shè)智慧實驗室、自動測評物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺、校園手環(huán)、聽課預(yù)約系統(tǒng)，貫穿教師的教學(xué)活動過程、學(xué)生從入校到畢業(yè)、從學(xué)期開始到學(xué)期結(jié)束、從課堂開始到課堂結(jié)束的過程，精準(zhǔn)采集教師、學(xué)生的個性化數(shù)據(jù)，為大數(shù)據(jù)技術(shù)的數(shù)據(jù)智能處理提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。