基于物联网的智能数字校园研究与设计

李俊华

（闽江学院 现代教育技术中心， 福建 福州 350108）

基于物联网的智能数字校园研究与设计

李俊华

（闽江学院 现代教育技术中心， 福建 福州 350108）

为解决当前数字校园存在的资源整合与共享困难、管理效率较低等问题，在分析物联网时代智能数字校园实际需求的基础上，设计了基于物联网的智能数字校园系统的体系结构及其功能模块，研究了RFID技术、EPC编码技术、传感器技术等关键技术。基于物联网的智能数字校园能够实现身份自动识别、图书借阅管理、多媒体教室与实验室管理、校内消费管理等，为师生的工作、学习和日常生活提供更高效的服务。

物联网；智能数字校园；RFID；自动身份识别

1 引言

现代网络通信技术的快速发展以及计算机相关硬件设备的快速普及，促进了高校信息化建设的步伐，当前各大高校已建成不同规模的数字校园，在一定程度上实现了高校信息化资源整合、校内电子支付以及财务系统等各类信息管理系统的集成，[1]为师生的工作、学习和日常生活带来了许多便利，如校园一卡通系统的建设与使用为学生在校内就餐、购物、图书借阅等提供了一种便捷的方式。然而，当前数字校园在建设过程中不同程度地出现了信息系统集成难度大、用户信息采集与更新不方便、学生一卡通丢失较多且难以进行跟踪追回等问题。同时随着各类机构和银行不断推出新的信息卡，每一位学生往往拥有多张信息卡，这给学生的日常使用带来了许多不便。

自20世纪90年代以来，互联网的高速发展与快速普及，对高校校园建设、教育教学模式、师生学习和生活方式产生了重要的影响，使高校全面进入了数字化时代。互联网技术与移动通信网络的不断深入发展，促使了新一代网络技术——物联网的形成与发展，这将促进新一代智能数字校园的研究与建设，从而为高校数字化资源与信息化系统的高效整合提供更有利的条件[2]，更好地为广大师生的工作、学习和日常生活服务。为此，我们在研究了物联网功能及其特征的基础上，设计了一种基于物联网的智能数字校园系统。

2 物联网时代的智能数字校园

物联网 （Internet of Things，简称IOT）又称为传感网，是互联网从人向物的延伸，是指在真实物理世界中部署具有一定感知能力和信息处理能力的嵌入式芯片和软件系统，通过网络设施实现信息传输和实时处理，从而实现物与物、物与人之间的通信。[3]从技术的角度来看，物联网是在计算机互联网基础上利用射频识别 （RFID）、无线数据通信等技术，将射频识别设备、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设施按约定的协议把任何物品与互联网连接起来进行信息交换和数据通信，[3]以实现智能化识别、定位、跟踪、监测和管理的新一代网络技术。[4]

在物联网中，各类终端设备被植入可进行编码、扫描、读写的微型感应芯片，而且将其接入高速互联网，使各类终端设备变得更加智能化，方便相关物品的自动识别、跟踪定位、远程遥控、信息共享、资源管理等。[5]因此，物联网能够利用RFID标签、传感器、无线通信网络等实时采集物品的各种信息，并将这些采集到的信息通过高速互联网或无线网络传输到信息处理中心，这些信息在信息处理中心经过云计算技术提供的海量信息处理功能对其进行智能化处理之后，就可以实现人与人、物与物、人与物之间的有效沟通。[6]因此，物联网可以提高各类物品和资源的管理效率和使用效率，也非常适用于智能数字校园的建设。

云计算技术和传感器技术的快速发展，促使了物联网时代的到来。当前手机已成为高校师生必备的日常用品，手机中具有可集成师生个人信息的SIM卡，这为物联网时代新一代智能数字校园的构建奠定了良好的基础。物联网时代的智能数字校园是以师生用户手机中的SIM卡和标签识别器为主要终端设备，以物联网为网络环境，将高校师生的相关信息集成在其手机的SIM卡中，[7]从而使手机可用于实现师生身份识别、图书借阅管理、多媒体教室与实验室管理、校内消费管理等多种功能，能够方便、快捷地为师生的工作、学习和日常生活提供全方位的便捷服务。[8]为此，我们在研究物联网时代智能数字校园实际需求的基础上，设计了一种基于物联网的智能数字校园系统。

3 基于物联网的智能数字校园系统设计

根据数字校园各类功能有效集成和方便用户使用的基本理念，基于物联网设计了一种可实现用户管理与自动身份识别、图书借阅、校内消费、学生信息管理等功能的智能数字校园系统。

3.1 体系架构

根据物联网时代智能数字校园对师生身份自动识别、应用数据管理集成与共享的实现需求，基于物联网的智能数字校园采用如图1所示的三层体系，主要包括应用数据服务层、网络通信层和终端用户层。其中，应用数据层包括用户信息数据库和用户信息管理服务器以及图书借阅管理、校内消费管理等各类应用服务器及其相应的应用数据库、数据备份服务器，主要用于智能数字校园系统中用户基本信息的存储与管理、师生学习和工作中相关信息的管理及其处理、以及用户基本信息、用户个人账户信息、图书借阅信息、多媒体教室和实验室使用信息、校内消费信息等数据的备份；网络通信层包括互联网、高校自建的校内无线通信网和移动通信网组成，主要用于智能数字校园相关数据信息的交换与实时通信、短信收发等；终端用户层包括具有SIM卡的普通手机、3G手机、智能手机和PDA、标签识别器，主要用于实时采集存储在手机SIM卡中的用户信息。这样，通过师生手机SIM卡提供的统一用户身份识别机制，可方便地实现数字校园系统内各类数据信息的高效管理与校内共享以及现有各类信息管理系统、数字化办公系统的集成。

图1 基于物联网的智能数字校园体系架构

3.2 系统功能模块

以统一用户身份识别机制为基础，基于物联网的智能数字校园系统主要由用户身份管理、图书借阅管理、多媒体教室与实验室管理、校内消费管理五个功能模块构成，其功能模块如图2所示。

图2 基于物联网的智能数字校园的功能模块

3.2.1 用户身份管理

为基于校内师生手机SIM卡实现用户身份自动识别，校内师生在使用该智能数字校园系统之前，首先需要在学校智能数字校园管理部门申请在自己的手机SIM卡中以RFID电子标签的形式写入自己的个人基本信息，如姓名、性别、身份、职务、单位、籍贯、出生年月日等。这样，一张普通的手机SIM卡就可以变成存储了师生用户基本信息、可用于校内师生自动身份识别的终端设备，写入了师生用户基本信息的SIM卡可完全替代目前互联网时代数字校园中广大师生用户正在使用的工作证、学生证、就餐卡、图书证等。在学生毕业或教师离职时，在学校智能数字校园管理部门申请删除自己手机SIM卡中的个人信息，这样用户手机卡就失去了自动身份识别功能，变为一张普通的手机卡。系统管理员可以利用管理员SIM卡登录系统，利用用户信息管理功能对师生的基本信息进行添加、删除和更新等操作，对挂失的SIM卡账户进行冻结，以免对师生的个人财产造成损失。同时，师生可通过登录记录查询模块查看自己使用图书馆、语言实验室、微格教室、公共计算机机房、各专业实验室等校园公共设施的详细情况。自动身份识别功能主要用于学生进行选课、学习成绩查询、实验室上课、进入图书馆、图书借阅、校内消费以及教师进行实验室上课、图书借阅、校内消费等场合的用户身份自动识别。SIM卡跟踪与定位主要用于用户手机丢失之后，根据最近一次用户身份识别时标签识别器的位置或手机最近一次的移动通信服务基站位置来定位手机最可能的位置，为用户找回手机和SIM卡提供参考信息。

3.2.2 多媒体教室与实验室管理

随着数字校园建设的不断完善，高校拥有了大量的多媒体教室、微格教室、语言实验室、公共计算机机房、物理、化学、艺术设计等专业实验室，如何有效管理这些公用设施成为智能数字校园需重点解决的问题之一。教师在多媒体教室给学生授课已成为高校的普遍现象，基于物联网的智能数字校园在多媒体教室的多媒体控制台上安装标签识别器之后，教师可使用自己的手机SIM卡进行自动身份识别，代替原先的钥匙或餐卡等来开启多媒体教室控制台柜门，进而打开多媒体设备进行上课，提高多媒体教室的使用效率。微格教室、语言实验室、公共计算机机房等公共实验室是当前大学生学习的重要公共场所，基于物联网的智能数字校园中的公共实验室安装标签识别器之后，师生在进入和离开公共实验室时使用自己的手机SIM卡进行自动身份识别，系统将会记录师生使用公共实验室的时间。同时，师生用户在登录语言实验室的网络教学平台时也需要使用手机进行自动身份识别，以便系统记录师生使用网络学习平台进行教学和学习的具体情况。在物理、化学、生物、艺术设计等专业实验室门口安装用于师生SIM卡自动身份识别的标签识别器，对教师和学生使用该实验室的状态进行记录，以便实现对专业实验室科学、有效的管理，提高实验室管理的成效。

3.2.3 图书借阅管理

师生进入图书馆时只需将自己的手机放在图书馆门禁处的标签识别器处，图书馆门禁管理模块即可根据所读取的RFID电子标签信息通过网络传输到用户管理模块，进行自动身份识别处理。对于其合法用户，图书馆门禁自动打开，否则用户将无法进入图书馆。图书借阅管理功能主要用于用户在阅览室查阅图书时记录已查阅图书信息、查阅的起始时间、查阅次数等，以及用户在借书处通过手机SIM卡成功进行用户身份识别之后，通过相应图书的二维条码来记录用户借阅的图书详细信息，从而实现完全自动的图书查阅和借阅。同时，师生用户在图书馆所借阅的书籍目录信息会以手机短信的方式发送到用户手机上，以便师生用户对自己所借的书籍进行及时的核对。学生在图书馆电子阅览室查阅学校购买的中外文期刊数据库、电子书籍、视音频学习资料等电子资源时，可利用自己的手机SIM卡进行自动上机管理功能。由此可见，物联网在图书馆管理中的应用可大大提供图书馆管理的自动化程度，降低图书馆管理方面的人力投入。

3.2.4 校内消费管理

高校的校内消费是师生日常学习生活的重要组成部分，基于SIM卡自动身份识别的校内消费管理是一种便捷、安全的消费支付模式，可为高校师生提供优质的支付管理服务。校内师生通过手机SIM卡的自动身份识别之后，就可利用水电费支付管理功能支付相应宿舍和家庭的自来水费、公共浴室使用费、宿舍热水使用费、洗衣费、电费等，这样可大大减少使用现金支付的麻烦。师生在校内超市购物或在校内食堂就餐时，利用手机SIM卡成功进行自动身份识别之后，便可利用超市消费管理或餐饮消费管理功能为自己的购物和就餐付款，实现校内方便、安全的消费。校内巴士消费管理主要用于师生用户在乘坐校园巴士 （或电瓶车）的时候，进行自动身份识别和消费支付，以此取代当前校园巴士使用现金消费的模式。个人账户管理主要用于师生用户查看自己的账号余额、消费记录、从自己银行账户向校内SIM卡账户转账等功能，同时，师生用户每在校园中成功进行一次消费或充值，消费管理系统都会将其消费的具体项目及其所花费的数额、或充值数据及其账户余额通过手机短信发送到用户手机上，以便师生用户对自己的账户进行实时监视和管理，从而提高校内消费支付的安全性。

4 基于物联网的智能数字校园的关键技术

4.1 RFID技术

射频识别RFID（Radio Frequency Identification）技术是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，RFID系统主要包括RFID电子标签、标签识别器两部分，其中RFID电子标签中存储有EPC码。[9]RFID技术是基于物联网的智能数字校园的核心技术，它能为师生手机上SIM卡贴上RFID电子标签，当师生携带具有RFID电子标签的手机SIM卡通过标签识别器时，电子标签被标签识别器自动感应并通过无线网络将电子标签中的信息传送到信息处理中心，经过处理之后再将处理结果发送到标签识别器上，从而实现灵活、高效的自动身份识别和信息管理。[10]

4.2 EPC编码技术

EPC（Electronic Product Code）编码技术是基于物联网的智能数字校园的关键技术之一，它能够为单一的物理对象提供唯一的标识码，是一种严格意义上的物品标识，可以克服二维条形码无法识别单个物品、条码容易破损而丢失信息等缺点，[11]目前通常采用64位或96位的ID编码。存储在EPC码中的信息包括种类、名称、时间等物品基本信息，以及物品概述、物品功能等物品的参考信息。虽然EPC码存储的信息非常有限，但它通过与对应的后台数据库管理系统相连，可通过名称解析服务器实时获取EPC码对应的物品详细信息。[12]

4.3 传感器技术

传感器是一种能感知预定的被测指标并按照一定的规律转换成可用信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成，是物联网中采集信息和实现对现实世界感知的重要设备。[10]传感器的种类很多，如速度传感器、射线辐射传感器、热敏传感器、位置传感器、能耗传感器等，由于基于物联网的智能数字校园是以师生用户的SIM卡为EPC码存储设备的。[10]所以，基于物联网的智能数字校园用户终端采用的标签识别器是射线辐射传感器，主要用于读取师生用户手机SIM中嵌入的EPC码信息。传感器在读取这些EPC码信息之后，首先将其转换为适合网络传输的数据格式，然后再将这些采集到的EPC码信息发送到相应的通信网络，供信息处理中心服务器对这些信号进行相应的处理，以实现智能数字校园的自动身份识别和自动控制等。

5 总结

物联网时代的到来给高校数字校园系统的升级与维护带来了一次新的机遇与挑战，基于物联网的智能数字校园能够有效解决传统数字校园建设中所遇到的数字资源整合与共享、自动身份识别、图书借阅管理、校内安全消费、校内各类信息管理系统集成等难题，通过基于师生用户手机SIM卡的统一自动身份识别，为广大师生的日常学习和生活提供高效、优质的服务。虽然基于物联网的智能校园在高校公共设施管理与使用、用户自动身份识别等方面具有很好的应用前景，但由于标签识别器这一个设备的成本较高，不便于在个性化的网络教学、办公系统查询等信息资源服务场合应用，导致基于物联网的智能数字校园在校内统一上网认证、网络教学等个人应用方面具有一定的局限性，如何充分利用物联网的优势提高数字校园的智能化程度还需进一步研究。

[1]高进.从一卡到无卡——高校校园一卡通金融支付展望[J].江西青年职业学院学报，2009，19(3)：38-41.

[2]王晓静，张晋.物联网研究综述[J].辽宁大学学报：自然科学版，2010，37(1)：37-39.

[3]蒋林涛.互联网与物联网[J].电信工程技术与标准化，2010(2).

[4]古丽萍.备受青睐的物联网及其应用与发展[J].中国无线电，2010(3)：25-28.

[5]沈苏彬，范曲立，宗平.物联网的体系结构与相关技术研究[J].南京邮电大学学报：自然科学版，2009，29(6)：1-11.

[6]王建宙.详解物联网三特点[EB/OL].[2010-05-18].http://tech.sina.com.cn/t/2009-09-14/11173435515.shtm l.

[7]李琳.SIM卡在物联网环境下应用的新思考[J].电信技术，2010(1)：19-21.

[8]王三林.智能型数字校园网的探讨[J].湖南环境生物职业技术学院学报，2009，15(1)：33-35.

[9]任志宇，任沛然.物联网与 EPC/RFID技术[J].森林工程，2006，22(1)：67-69.

[10]何可.物联网关键技术及其发展与应用[J].射频世界，2010(1).

[11]华玉明.RFID、条码及EPC编码之间的关系研究[J].中国电子商情，2008(5)：69-71.

[12]王忠敏,等.EPC技术基础教程[J].北京：中国标准出版社，2004.

Analysis and Design of Intelligent Digital Campus Based on the Internet of Things

Li Junhua
(M odern Education Technology Center of M injiang University,Fuzhou 350108,China)

In order to solve such problems in theexisting digital campusesas difficulties in integrating and sharing resources,ineffectivemanagement,etc.,this paper,after analyzing the requirements for intelligentdigital campuses in this era of internetof things,designsa systematic structure and functionalmodulesof intelligentdigital campusbased on the internetof things.Subsequently,itgoes further into a study ofsome key technologies,such asRFID,EPCCode and Sensor.The intelligentdigital campusesbased on the internetof things include the following functions:automatic identification,librarymanagement,multimedia classroommanagement,laboratorymanagement,campus consumptionmanagement,which provide teachersand studentswithmore efficientservice.

the internetof things;intelligentdigitalcampus;RFID;automatic identification

TP393

A

1673-8535(2010)03-0049-06

李俊华(1971-)，男，福建仙游人，闽江学院现代教育技术中心实验师，研究方向：数字化校园的研究与应用、网络教学资源系统的应用与开发、通信与信息系统技术的应用研究。

（责任编辑：钟世华）

2010-03-01