基于物聯網技術的智慧校園系統設計

葉 飛，王亞芳

（延安大學西安創新學院，陜西 西安 710100）

0 引言

隨著互聯網技術的快速發展，當前社會基于互聯網技術的各種“互聯網+”場景逐漸多樣化，其中基于互聯網的物聯網技術也在各個領域進一步崛起。智慧校園作為智慧場所中的一種，其智能化場景的應用性和優勢也愈加明顯。該系統以物聯網技術、自動化設備、信息化管理系統和移動互聯網技術為基礎，充分應用“云、物、移、智、鏈”等現代信息技術，打造全面感知、信息高效處理、應用便捷靈活的校園管理新形態。智慧校園對于師生日常生活、校園學生信息管理、學生在校安全保障、餐廳食品安全監測等具有一定意義[1]。

當下，各高校都在聚焦智慧校園建設，加強校園智能化管理，提升校園師生舒適度、學生信息管理智能化水平[2]。以延安大學西安創新學院為例，在智慧校園建設過程中，采取更換并安裝智能書寫板、加強智能多媒體教室建設、優化校園物聯網實驗室傳感器設備，以及在全校范圍內更換智能監控設備等措施，進一步加強了學校智能化教學、學生安全化管理，預防安全事故發生，并取得了顯著效果。智慧校園建設對校園未來發展規劃、教學質量和師生滿意度的提升等具有重要作用。

1 系統整體框架

隨著高校校園局域網（校園網-WiFi）的全覆蓋，進一步促進了校園物聯網的發展。本文基于智能感知、嵌入式、大數據云計算等技術，以校園安全、智能監測、智慧課堂、智慧管理、智慧考勤等為目標，根據學校實際現狀需要，設計了從底層感知、檢測到物聯網云平臺可視化和指令下發等的校園一體化管理的智慧校園系統，以進一步促進高校現代化建設，提升師生舒適度、滿意度與教學管理效率。

系統采用多傳感器，主要有溫濕度傳感器、水質檢測傳感器、氣體檢測傳感器、指紋傳感器、熱成像體溫檢測傳感器、人臉識別模塊等，進行校園相關數據的采集與監測。利用物聯網中間件ESP8266-WiFi 模塊以多節點方式，利用校園網全覆蓋進行底層感知數據與物聯網云平臺之間數據的傳輸與通信，并進行校園傳感器所采集數據的存儲、分析，實現從感知到云端的智慧化管理與監控[3]。系統整體框架設計原理如圖1所示。

圖1 系統整體框架設計原理

2 系統硬件及底層傳感器設計

2.1 溫濕度傳感器

485 型溫濕度傳感器是一種網絡型傳感器，能夠通過校園-WiFi 全覆蓋的局域網進行校園環境溫濕度監測，然后將感知數據上云，并進行可視化呈現及數據分析。搭載校園環境溫濕度傳感器能夠進一步改善校園環境，提升師生舒適度，具有使用便捷、維護成本低廉的特點，能夠很好地實現對智慧校園全域環境溫度與濕度的監控。溫濕度傳感器電路如圖2所示。

圖2 溫濕度傳感器電路

2.2 水質檢測傳感器

在智慧校園建設與安全防范中，水質量監測對于校園湖泊保護和師生飲水安全至關重要。水質量監測能夠有效防止校園湖泊水體富營養化，防止夏季水體因溫度過高而散發出異味，還能夠實時監測校園師生飲水安全等突發性狀況。將水質傳感器納入校園智慧化建設之中具有重要意義。水質檢測傳感器電路如圖3所示。

圖3 水質檢測傳感器電路

2.3 指紋傳感器

在傳統的學生考勤中，學生上課是否缺勤以老師點名為主，這樣不僅浪費課堂時間，而且某些學生會利用考勤方式存在的漏洞進行逃課，不利于老師統計學生出勤信息。在智慧校園建設中，在教學實驗室及教室等必要場所安裝指紋傳感設備，并納入智慧校園管理系統，能夠提升學生出勤率、老師上課效率、師生滿意度以及校園舒適度[4]。指紋傳感器統計的學生考勤信息可以與教務處的學生端管理系統進行數據互通，將學生的考勤數據直接作為期末成績評核的指標。該方案可以減少老師的日常工作量，老師將會有更多精力備課、批改作業等，間接提升教學質量。另外，還可以運用新的技術手段，以調整和規范績效考核體系為切入點，從而建立新型學生課堂管理體系。

2.4 熱成像體溫檢測傳感器

自新冠疫情以來，疫情防控在很長一段時間內將維持常態化。學校是人流量較大的場所，對于疾病的預防十分重要，尤其在諸多疫情防控中，體溫監測一直都被作為篩查感染者的首要體征參數。熱成像體溫檢測傳感器是一種微機電系統（MEMS）芯片，波長在8～14 μm 之間，能夠在日常生活中無接觸式感知和監測人體體溫狀況。應用在校園防疫工作中，可減少人流量，實現校園防疫智慧化管理。熱成像體溫檢測不僅可以用于疫情防控，而且可以用于季節更替時的流感防控。

3 系統中間件與安全防護

隨著5G 物聯網的普及，智慧校園系統建設的步伐也在進一步加快，物聯網硬件通信成為首要解決的問題[5]。校園網全覆蓋環境下，采用物聯網中間件ESP8266 WiFi 模塊進行底層多節點傳感器感知數據與物聯網云平臺之間的通信。ESP8266 WiFi 模塊作為局域網通信方式之一，在智慧校園建設之中能夠起到關鍵作用，并且具有良好的實用性。

基于互聯網的物聯網安全防護也同等重要，主要通過底層硬件安全、數據傳輸安全及云數據存儲安全三個部分來保障。在智慧校園建設中，底層多節點傳感器處于校園內，受到校園監控保護，能夠保證硬件安全。ESP8266 WiFi 模塊在局域網環境下進行數據傳輸時，需要對校園局域網進行安全技術防護，防止數據傳輸被滲透而產生安全隱患等，避免校園財產損失。云數據安全對于高校相當重要，主要涉及各高校局域網防火墻以及所選物聯網云平臺，一般情況下在高校局域網防火墻與云平臺足夠安全時，校園數據也將足夠安全[6]。

4 系統方案架構

智慧校園管理平臺集物聯網感知、物聯網云平臺、圖像處理、信息安全等技術于一體。傳感器多節點布置，在校園無線網絡全覆蓋的環境下，能夠有效實時感知和監測校園環境、監測校園安全漏洞，提升校園師生舒適度與教學效率；聚集、融合校園各類信息，綜合處理感知到的校園數據，以預判校園意外事件的發生[7]。

在智慧校園的建設中，校園餐廳智慧煙感、學生宿舍樓智慧門禁、校園智慧圖像識別及師生智慧停車等相關設備被不斷接入智慧校園設備層中，能夠有效提升學校辦學質量、校園知名度及校園智能化教學水平，并且減少校園安全巡查等方面的人力成本。智慧校園建設對推進智慧中國建設具有一定的作用[8-10]。智慧校園系統方案架構如圖4所示。

圖4 智慧校園系統方案架構

5 結語

智慧校園系統基于多傳感器融合、信息安全、圖像識別等技術，根據智慧校園實際建設，利用底層傳感器對校園環境進行實時檢測和監測，通過物聯網中間件將感知的數據上傳至校園物聯網云平臺，并進行數據匯總、分析及可視化呈現。微控制器根據預定的程序將相關指令下發至底層硬件，從而實現校園設備層面的智能化控制。就目前而言，很多高校還未建立完善的智慧校園體系，高校全面建立新的智慧校園體系將會給校園整體管理及學校向更高的教育水平發展注入強大動力。智慧校園系統能夠在學校智慧教學、辦學、管理及疫情防控等方面發揮重要作用，并能夠進一步提升校園智慧化場景建設及師生舒適度等，對高校智慧化發展具有重要意義。