窄帶物聯網在智慧校園建設中的應用探索

□紀明明 劉禮文 陳明武 唐桂林

物聯網是以Internet為基礎的拓展和延伸，它是Internet對網絡中物體控制的發展方向，物聯網是互聯網的換代網絡，既能提供互聯網的全部功能和服務，又能兼容原來的Internet，還能實現萬物的互聯互通。物聯網是真實的，而Internet是虛擬網絡。希望打造一個隨時都可以收集物體所有數據的網絡世界，物聯網通過射頻識別設備、傳感器、GPS定位設備、等信息傳感設備，按照既定的協議，把網絡中的物品與Internet連接起來，進行信息交換和收集，從而實現對網絡中的物品的識別、定位跟蹤、和監管的一種智能化網絡。

窄帶物聯網成為物聯網發展的一個重要分支。全稱為：Narrow Band Internet of Things，簡稱：NB-IOT，窄帶物聯網是基于蜂窩網絡通信，只要消耗極小的帶寬，就可以直接實現基于GSM或基于LTE的網絡部署，設備的部署成本能夠得到極大的降低、同時還可以能夠實現平滑升級。窄帶物聯網作為物聯網發展的一個新興技術，窄帶物聯網支持超低功耗設備的蜂窩數據連接廣域網。

一、窄帶物聯網在智慧校園中的應用

窄帶物聯網的構架體系一般而言，窄帶物聯網主要應用在智慧校園的三個要應用層面，通過窄帶物聯網設備和智慧校園管理系統的軟硬件有機結合，組成窄帶物聯網智慧校園管理平臺，通過對智慧校園的三個層面的精確控制管理，將智慧校園進行整合，將窄帶物聯網真正處于智慧校園的核心，為智慧校園的運營提供強勁動力。

(一)智慧校園的全面感知。窄帶物聯網通過遍布在校園各個角落和物體上的各種各樣的傳感器，以及由它們組成的無線傳感網絡，來感知整個校園區域。感知層主要的任務是對各種校園信息進行搜集和感知，如通過傳感器測量校園周邊環境，如溫濕度、光照強度、PM2.5濃度，噪聲強度等，為校園營造一個良好工作學習環境，對校園資產設備運行狀態進行二十四小時監控，以達到對校園資產運維的精確管控。通過無線通信網絡與因特網的融合網絡，實時準確地將獲取的海量校園信息上傳到智慧校園管理平臺，充分利用云計算和大數據技術對海量的校園信息進行分類、數據聚合和智能處理，感知層是智慧校園的基礎。

(二)智慧校園的網絡層。智慧校園的網絡層主要是通過移動通信網絡和互聯網等基礎的網絡設施，對來自校園感知層的海量數據信息進行傳輸和接入，以實現對校園信息的傳輸功能，網絡層主要采用能夠接入各種異構網絡的設備，如接入移動通信網網關、接入Internet網關等，由于這類設備都具有比較強的硬件支撐能力，可以采用相對比較復雜的協議進行設計。

(三)智慧校園的應用服務層。根據智慧校園不同應用場景和不同設備的需求，感知層的數據通過網絡層傳遞到智慧校園的應用服務層，需要對獲得的海量數據進行智能分析和處理，通過采用不同的數據處理邏輯，對傳遞來的數據進行分類、過濾、刪除冗余數據、定位丟失數據，然后對處理過后的質量比較高的數據進一步進行數據挖掘，即從數據庫或者信息庫中的大量數據中獲得有效、潛在有效、新穎的最終可理解的模式，將獲得的有效數據通過與同期歷史數據進行比較，與目前的校園環境結合起來，通過數據與應用場景的有效關聯，針對智慧校園的特點，如固定資產的監管、教學軟件系統的運行狀態等，可以采用風險分級預警的運行模式，提前制定應急預案，把預警信息實時地上傳到管理平臺，實現即時的業務反饋和控制，利用仿真將應急預案進行優化，以提供更好的決策依據。

二、智慧校園的物聯網應用場景

智慧校園中有很多應用物聯網的場景，包括能源管控、資產管理、安全監控等。

(一)智慧校園資產管理。通過物聯網電子標簽綁定的的校園資產，應用在資產的采購、出庫、入庫、以及資產盤點的各個環節，節省了大量的人工統計、管理成本，管理效率非常高。

(二)智慧校園能源管控。校園作為能耗大戶，對于水、電、天然氣需求巨大，傳統的人工抄表，損壞保修的管理模式已經不再適合，通過引入接入物聯網的智能水表、電表和天然氣表，能夠對校園的實施能耗進行掌握，對水電氣的泄漏事故可以實時的進行維護，最大程度的保障校園中師生的人身安全，同時也避免了能源的浪費。

通過對智慧校園感知層、智慧校園的網絡層以及智慧校園的應用服務層的有效整合，提升智慧校園的運營效率，深化業務創新模式、降低業務運行成本，從而實現感知、分析和響應及時感知的一體化物聯網運行模式。

三、智慧校園建設中面臨的主要問題

基于物聯網建設的智慧校園面臨的問題，例如我國的物聯網發展起步較晚，現在仍然處于初期發展階段，物聯網的技術標準體系不完備，制度建設尚未開始，因此在智慧校園建設中面臨的主要問題有以下幾方面。

(一)數據傳輸問題。成本問題作為基于物聯網建設的智慧校園建設的首要問題，由于智慧校園建設院校包含的對象種類繁多，各個種類的對象的信息感知復雜程度千差萬別，因此如果采用使用單一的感知技術，以滿足高感知需求的對象作為建設基礎，不僅會造成感知成本的浪費，而且會造成信息數據的大量冗余，因此需要運用多種感知技術，根據不同對象的感知需求，采用針對性的感知技術，做到量體裁衣，在滿足感知需求的同時又盡量節約感知成本。多種感知技術的綜合應用，不同設備網絡的標準迥異，互不兼容，數據格式標準不一，迫切地需要一種統一的數據傳輸技術。

(二)能耗問題。物聯網設備的續航問題隨著物聯網新技術發展和物聯網設備數量激增變的越來越引起關注。隨著物聯網的發展,物聯網設備對于電池的需求量越來越大，全球每年消耗的電池數量高達數十億顆，數量龐大的廢棄電池會嚴重污染環境。基于物聯網建設的智慧校園物聯網設備眾多，對電池的需求巨大，因此如何保障設備續航的同時提前解決電池污染問題、迫切需要采用超低耗能設備技術的設備應用和升級。

四、窄帶物聯網的技術特點

基于物聯網建設的智慧校園中包括有以下技術特點需求的設備。一是設備固定，無需移動，極小上行數據量，對傳輸時延較為遲鈍；二是設備移動性較強，切換頻繁，極小上行小數據量。

采用基于窄帶物聯網的智慧校園可以完全解決智慧校園建設的主要問題，窄帶物聯網設備功耗低、待機時間長，能夠支持對高網絡連接設備的高效連接，能夠提供全面的室內蜂窩數據覆蓋連接。窄帶物聯網設備電池壽命超長，部分設備甚至可以達到10年甚至更長。

(一)支持設備的海量接入。如在統一基站的狀態下，同比與現有技術，窄帶物聯網技術能夠提供超過50倍的設備接入數量，最大能夠支持100倍左右的設備接入能力。其中一個扇區就能提供高達十萬的設備接入支持，并且能夠滿足對于延時低敏感，設備成本極低，設備能耗極小以及更加優化的架構網絡，而且隨著現有窄帶物聯網技術的不斷發展和進步，在不遠的將來，整合進入物聯網網絡的設備會越來越多，需要預留出足夠的設備連接能力為日后的迅猛發展提供更加廣闊的空間，因此完全能夠智慧校園的海量設備接入需求。

(二)超強的網絡覆蓋能力。窄帶物聯網具有強大的覆蓋力，以校園教室室內信號覆蓋強度為例，相比于傳統的LTE網絡，窄帶物聯網能夠在其基礎之上增加約20dB的增益，這就相當于將原有的網絡覆蓋能力直接提高了一百倍左右，以校園學生宿舍中的水表為例，即使水表處在水井蓋之下，絲毫不會影響設備信號的傳輸，在中國學生眾多，一般校園面積都比較大，因此設備對于網絡覆蓋能力要求特別高，無論是在人頭攢動的教室，還是在學生稀少的操場，對于超強的網絡覆蓋能力的需求都是無處不在的。

(三)極低的設備能耗。物聯網設備的功耗作為決定物聯網應用的重要指標之一，窄帶物聯網設備功耗極小，這是由于窄帶物聯網設備的工作特點決定的，窄帶物聯網設備工作于較小傳輸速率，較小的數據量傳輸，正是由于窄帶物聯網對傳輸速率的低要求，才有了設備的低功耗。并且窄帶物聯網簡化了傳輸協議，通過更加優化的網絡組網設計，在很大程度上更加了窄帶物聯網設備的待機時間，因此窄帶物聯網設備功耗極小，窄帶物聯網設備才能具有更長的續航時間，可以大幅降低校園的設備能耗，節能減排。

(四)低成本。超低的設備制造成本，使得窄帶物聯網具有極大應用前景。每一項新技術的應用，設備成本的高低是直接決定技術能否快速應用先決條件，窄帶物聯網設備的通信模組成本作為設備主要成本，其制造成本極低，目前一個通信模組的成本不高于30元，并且呈快速下降的趨勢，這對于窄帶物聯網設備的批量采購十分有利，并且依據行業發展規律，三年左右的時間，其通信模組的制造成本能降低到6元以內。這對于目前智慧校園建設中面臨的設備采購資金緊張問題，能夠的到很好的解決。

(五)超低的設備部署成本。相比于傳統網絡，窄帶物聯網可以不需要新建組網，其天線和射頻都可以重復使用，隨著無線通信技術的迅猛發展，第五代移動通信技術已經迅速在人們的生產生活中應用，以第二代移動通信技術的900MHZ工作頻段為例，利用這一頻段就可以完全滿足窄帶物聯網設備的部署，不必再耗費新的頻段資源，很大程度上降低了窄帶物聯網設備的部署成本。因此在智慧校園建設中，直接對老舊的校園通信基礎設施進行改造，節省大筆的設施建設成本。

總之，在當今信息化技術快速發展的形勢下，窄帶物聯網的技術特點使得其在智慧校園的建設當中能夠發揮出極大的優勢。窄帶物聯網技術深入融合到智慧校園的建設當中，為智慧校園的建設提供了更加有針對性的物聯網應用場景，例如應用了窄帶物聯網技術的智慧校園，能夠顯著提升智慧校園安全防衛的可視化程度，大幅提高智慧校園的安全防衛管理效能，從而在根本上提高校園的安全防衛水平。校園作為人才培養的基地，智慧校園建設已經越來越受到人們的重視，隨著大數據技術、移動互聯技術、以及云計算技術的不斷進步，同窄帶物聯網技術有機的結合起來，為未來智慧校園的建設提供強勁的發展動力。