物聯網技術環境下的智慧校園系統設計

周易欣 劉禹佳 杜軼男

（長春市奢嶺高校園區長春建筑學院 吉林省長春市 130607）

隨著社會的發展與時代的進步，現代信息技術與高校管理領域的融合程度進一步加深，尤其是在物聯網技術的支撐下，高校校園內各類設備、各間教室、各教學及實驗樓等能夠與學生、教師結合為有機整體，借助大數據、云計算及虛擬化等先進技術手段，可以整合教師教學、學生學習、管理、科研等各項活動、各個流程中形成的海量信息，再借助強大的信息處理能力構建此類數據隱形關聯，發現各項活動與流程中存在的問題并進行正確歸因，以此為高校管理決策提供依據與支持。近年來，我國高校積極踏上信息化發展之路，圍繞著智慧校園引入先進技術與設備，在智慧校園建設方面取得了顯著的成就。下文將結合文獻資料，自身對物聯網技術、智慧校園的思考與感悟，提出一種基于物聯網技術的智慧校園系統設計方案，將校園原有無線傳感器、4G 網絡、無線網絡、局域網絡等進行網絡融合，實現統一認證、統一管理，同時，根據高校當前各項管理需求合理設置智慧校園系統的功能模塊，并簡要闡釋該智慧校園系統在學校管理多個方面的應用價值。

1 基于物聯網技術環境下的智慧校園系統設計思路

傳統高校信息化建設是指基于互聯網技術實現物與物、人與人之間的信息交流，并針對教師教學、學生學習、管理及科研等設計了不同的系統、開發了不同的移動終端，如針對高校信息公開的官方網站；針對教師教學的網絡課程平臺；針對學生學習的圖書館信息系統等。這些系統一般具有不同的組網模式，所形成的數據格式也有極大的差異性，因此高校各類知識信息的流通與應用面臨著網絡、數據形式的阻礙，無法將高校內人、物、資源等結合為有機整體，很容易導致管理決策全局性薄弱[1]。

物聯網技術是對互聯網技術的延伸，其可以將校園基礎設施（辦公樓、教學樓、實驗樓、體育館等）、信息化設備（多媒體設備、多媒體教室、自動收付費設備等）、教職工、學生等結合為有機整體，構建萬物互倆互通、信息共建共享的智慧校園系統，依次為高校各項管理工作提供決策依據。

基于物聯網技術環境的智慧校園系統設計，需要基于高校校園原有的網絡基礎、信息化基礎設施設備基礎等，將門戶網、手機客戶端、郵件、短信、社交平臺、網絡課程資源平臺等各類移動終端網絡、無線網絡、局域網等進行網絡融合，保證各項業務數據能夠實時流通，其自學習與自適應功能也能夠從以往業務數據對比、分析中發現業務開展中存在的問題，繼而保證業務的有序、有效開展。

2 基于物聯網技術環境下的智慧校園系統技術需求

基于物聯網技術環境的智慧校園系統框架至少需要包括六層：

2.1 智能感知層

智能感知層用以智能感知校園環境，提煉、識別及篩選各類數據。因此基于物聯網技術環境下的智慧校園系統需要應用智能感知技術。

（1）傳感器節點的布置要依據高校校園環境情況、管理需要及各項業務活動開展的需求而定。通常情況下，可將傳感器節點布置在學生及教職工宿舍、教學樓、校醫院、圖書館、食堂、體育場館等處，保證信息獲取的全面性；

（2）可借助6LoWAPN 對各傳感節點進行組網，借助視頻監控、RFID 標簽、智能手持設備等技術對校園環境進行智能感知，并將所感知的數據傳輸給終端用戶[2]。

2.2 網絡融合層

當前高校校園內無線網、局域網等一般具有不同的通信協議、數據格式及組網模式，不利于信息的傳輸。為此，建議高校構建基于6LoWPAN 的IPv6 物聯網網絡，6LoWPAN 具有低能耗、傳輸效率高、節點可擴展、無限量地址的優勢。其網絡層也可支持128 位IPv6，可以實現大規模網絡的部署。當前高校招生規模擴大，宿舍及教學樓數量有所提升，加之特色學科的建設、產教研的縱深融合，高校管理范圍有所延伸?；?LoWPAN 的IPv6 物聯網網絡可以實現校園環境的全覆蓋，保證學校關鍵管理內容及業務開展無漏洞，信息服務無疏漏。

2.3 硬件支撐層

基于物聯網技術的智慧校園系統，會產生海量的數據，而這些數據要想得到深入的挖掘與最大化應用，便需要交換機、服務器、存儲設施等硬件的支持。

2.4 支撐平臺層

基于物聯網技術的智慧校園系統支撐平臺層包括信息整合平臺，以數據共享為核心對數據進行清洗與整合；應用整合開發平臺用以支持高校各項管理活動與業務的開展，包括統一身份認證平臺、統一信息門戶平臺、應用集成框架、智慧校園平臺及企業服務總線等。

2.5 業務應用層

具體包括學生（招生管理，迎新管理，教務管理，學工管理，就業管理等）；科研（人員管理；項目管理；經費管理；成果管理等）；教師（協同辦公；人事管理；崗位調動；年度考核；薪酬管理等）；財務（財務管理，薪資管理，收費管理等）；資產（資產管理；設備管理；后勤管理）；校園生活（學校網站；郵件；一卡通；圖書管理；網絡計費等）。

2.6 綜合服務層

具體包括管理決策中心（財務分析；獎懲分析；危機分析；招就分析；迎新分析；高校分析）；自主學習中心（自主選課；提交作業）；交流中心（科研申請；師生互動；生生互動；教師黑虎洞；學術論壇；校園活動）；業務中心（科研申請；貸款申請；一卡通；離校辦理；年終總結；計費中心）。

3 基于物聯網技術環境下的智慧校園系統功能模塊

3.1 智慧教學管理模塊

智慧教學管理模塊具體包括教室安排、設備管理、師生管理、實訓管理四大子模塊。其中教室安排是指借助設置在教學樓的傳感器節點、智能手持設備等對教學樓內教室的使用情況進行感知，將所獲取的教室使用率、使用時長等數據傳輸至教室管理人員，為教室的排課等提供依據；設備管理是指借助設備管理系統實時了解設備運行情況與相關參數，以即使對設備進行維護保養并重新安排授課教室；師生管理是指對教師授課、學生上課情況進行動態化監測，具體包括考勤、學生課堂表現等；實訓管理是指借助視頻監控等了解學生參與實訓的情況，有助于教師調整實訓方案[3]。

3.2 智慧消費管理模塊

智慧消費管理功能主要借助射頻技術或數據庫技術實現。通常情況下，校園消費主要包括師生餐飲消費、活動消費、購物消費等。師生持有一張帶有個人信息及金額的校園一卡通，內置RFID 標簽，既能夠將師生消費數額及項目實時傳輸到智慧消費管理中心，還能準確定位師生消費地點，切實保障師生人身及財產安全，

3.3 智慧安防管理模塊

高校智慧安防管理功能可以借助視頻監控設備及技術實現，結合GPS、圖像識別、射頻識別、遙感、無線傳導等技術對校園環境的安全進行“無死角”監控。監控數據通過物聯網網絡傳輸至學校管理系統數據庫中心，借助大數據及云計算平臺對監控數據進行分析與處理，可以使校園時刻處于安全管控之下。與此同時，當校園內進入外來人員，或師生發生危險時，視頻監控系統會根據不同區域設置的傳感器識別外來人員的位置、危險發生的位置，調用其他監視器對其進行觀察與記錄，并向管理中心發出警報信號，安防人員可根據信號指示快速到達事發地點，以此解除安全風險。

3.4 智慧科研管理模塊

智慧科研管理模塊的功能包括記錄科研信息，包括參與科研相關人員的基本信息，參與科研討論會的頻次、參加科研實驗的次數等等；構建完善的科研流程，記錄下科研方法、措施、組織等，借助系統的自學習功能識別其中冗余、成本高但效率低的環節，為科研方案的優化提供依據；該某塊與科研人員薪資模塊相連，可根據科研人員貢獻率等確定績效獎金；科研成果轉化?？蒲腥藛T可以借助該系統將科研成果與以往成果進行對比，深入分析科研成果可應用的領域，同類科研成果所取得的經濟效益等，以此為提升科研成果轉化率。

3.5 智慧身份認證模塊

基于物聯網的智慧校園系統面向學校的各項管理活動、師生的全部校園生活活動。例如高校實驗室僅支持師生進入，對外開放也需要經過高校的允許；高校學生管理中心中包含著學生個人隱私信息，一旦泄露會釀成極其嚴重的后果。因此，在登錄各種網絡或移動終端時，都需要對用戶進行身份認證。建議高校構建基于PKI/CA 的統一身份認證系統，該系統帶有強大的身份認證與數據加解密功能，并且支持異地登錄，教職工可在家中實現異地辦公，既能夠保證師生個人隱私信息的安全性，還能夠增強身份認證管理的靈活性。

4 基于物聯網技術環境下的智慧校園系統應用價值

4.1 基于智慧校園系統的教學實踐：師生交互，針對性教學

基于智慧校園系統的教學實踐有助于構建智慧課堂。學生借助智能手機掃碼進入課堂，教師在正式授課時，手機則成為課堂的“遙控器”，利用相應的教學軟件教師可以在后臺統計學生出勤率、習題解答情況等。不僅如此，教師使用網絡課程資源的頻次、學生下載網絡課程資源的頻率等一目了然，既能夠檢驗教師應用信息技術的能力，也可掌握學生興趣特點、學習需求等。教師結合對本節課綜合信息的分析及數據價值的深入挖掘自測教學質效，并以此為依據調整教學方案，對于學生綜合素質的提升具有重要意義。

4.2 基于智慧校園系統的實驗管理：遠程控制，智能化實驗

隨著社會的發展，社會對現代化人才的需求從專業知識及技能基礎扎實，轉變為實踐能力、動手操作能力、創新創造能力強，態度端正及道德品質優秀。當前高校已經結合自身情況建立了手工操作室或實驗室，為學生提供了可靠的實踐平臺。為進一步發揮實驗室的作用，建議高校基于物聯網構建智慧化實驗室管理系統。該系統支持遠程監控、信息感知、智能化實驗指導、實驗結果反饋及虛擬實驗。當學生初步制定實驗方案時，可借助虛擬實驗平臺計算實驗所需材料、流程等，在優化改進后形成更為科學的實驗方案，一方面可以避免實驗材料浪費，另一方面可避免學生因多次挫折失去實驗成功的信心。實驗方案調整完成后，智能化實驗指導平臺會以動畫、視頻等形式為學生講解實驗室儀器、設備等操作規范，實驗注意事項等。再配合教師的講解，可以保證學生實驗過程的安全性。當學生開始實驗之實驗完成后，系統會記錄下學生實驗過程的所有信息，反饋給教師后，教師給予針對性指導，可以保證學生達成預期實驗目標。

4.3 基于智慧校園系統的學生學習：移動平臺，個性化學習

在高度信息化時代，各類媒體層出不窮，學生可以獲取信息的途徑更為便捷，教師及教材不再是學生知識的權威性與唯一來源。與此同時，教育信息化要求高校為學生提供更為自由、靈活且開放的學習空間，致力于挖掘學生潛能，培養一專多能的社會型人才?；谥腔坌@系統地學生學習，可以實現移動化學習，學生的學習空間不再局限于教室，還包括圖書館及宿舍等。以圖書館為例，基于智慧校園系統的圖書館信息管理平臺能夠收集學生進出入圖書館頻次、學生借閱書籍、學生閱讀時長、學生檢索等信息，借助大數據可實現用戶畫像，構建學生閱讀行為與其內在需求的隱性關聯，繼而為學生個性化、精準化推薦相應的書記與資料。

5 結束語

基于物聯網技術環境的智慧校園，將校園內人、物、資源等各類要素結合為有機整體，將教師教學、學生學習、安全保障、學校管理、科研等各項管理與業務活動集成在統一平臺上，以此實現萬物的互聯互通與信息的共建共享。于此同時，物聯網不僅具備信息感知功能，還具有強大的數據處理功能，其能夠借助大數據、云計算等挖掘數據價值，構建不同維度數據的隱性關聯，為管理、教學活動、科研活動及校園活動的開展提供決策支持。除此之外，基于物聯網技術環境的智慧校園系統可應用于校園管理各個方面，尤其是在教學實踐中的應用可以增強師生的交互性、培養學生實踐等綜合素質、激發學生自主學習意識，為學生的個性化發展提供針對性及差異性信息服務與教學指導。為構建完善的智慧校園系統，高校需要結合自身實際與未來發展計劃，積極引入現代信息技術與設備，為師生發展、辦學質量的提升奠定堅實有力的基礎。