物联网在校园安全中的应用研究

刘文锋

摘 要：校园安全工作是全社会的一个重要的组成部分。因为它直接关系到青少年学生安全健康成长和千家万户的家庭安定与幸福的问题。因此笔者想通过本课题的研究，针对近期几种社会影响较大的校园安全事故提出一些切实可行解决方案，将现代物联网等信息技术的应用到校园安全管理中，来更好的保护每一个孩子，使发生在他们身上的意外事故减少到最低限度。同时，物联网在校园安全中的应用研究对打造智慧教育也有着重要的现实意义。

关键词：物联网 校园 安全

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（a）-00-04

2009年以来，一场关于物联网的风暴席卷全球。物联网概念的提出要追溯到20世纪90年代，1995年比尔盖茨在其《未来之路》一书中首次提出物物相连的设想，这设想被视为物联网概念的雏形；1999年在美国召开的移动计算和网络国际会议首先提出物联网（Internet of Things）这个概念；在随后的十年间韩国、日本、新加坡、美国、欧盟、中国先后提出自己的物联网建设构想。2008年IBM向美国政府提出的智慧地球战略得到了美国政府的积极响应，并被美国政府列为国家战略实施；2009年欧盟委员会颁布了《欧盟物联网行动计划》；同年8月7日，温家宝总理视察无锡微纳传感网工程技术研发中心并发表重要讲话，提出要建设“感知中国”中心后，感知中国、智慧地球这两个物联网概念的新提法在国内迅速升温。北京、上海、重庆、武汉、无锡等城市先后提出了自己的智慧城市发展规划。智慧教育是智慧城市的重要组成部分，因此，《物联网在校园安全中的应用研究》对打造智慧教育有着重要的现实意义。

1 与物联网相关的概念及其重要性

研究

1.1 物联网的概念及其重要性

物联网是新一代信息技术的重要组成部分。其英文名称是“The Internet of things”。由此，顾名思义，“物联网就是物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。因此，物联网的定义是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

物联网被誉为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。美国权威咨询机构弗雷斯特Forrester预测，物联网所带来的产业价值要比互联网大30倍，将会形成下一个万亿元级别的信息技术产业。物联网的应用领域非常广，几乎覆盖了我们生产、生活的各个角落。目前物联网已经广泛应用于物流、零售和制药领域，预计2013年我国的物联网产业规模将达到8000亿元，2020年将超过5万

亿元。

1.2 安全的概念及其重要性

“安全”一词其字面解释应为没有危险且尽善尽美，随着我们对安全认识的不断深入了解，人们对安全认识也有了更深一度的了解，并从不同的角度给它下了定义：第一种解释是指客观事物的危险程度能够为人们普遍接受的状态，即当系统的危险性降低至某个程度时，则该系统是安全的，而且这种程度是人们普遍接受的一种状态。第二种解释是指没有引起死亡、伤害、职业病或财产、设备的损坏、损失或环境危害的一种客观条件。第三种解释是指不因人、机、媒介的相互作用而导致系统损失、人员伤害、任务受影响或造成时间上的浪费，这一概念已包含了间接损失的内容。而事故则是问题的表现形式，一旦发生安全事故则会带来经济上的巨大损失，以及社会的安定问题，而且这些影响都是长期的，因此在社会的不断发展中，安全问题也越来越显得重要。

校园安全是以保护学校财产（学校财产包括看得见摸得着的“硬件“财产，如各种教学设施等，也包括开不见摸不着的“软件”财产，如各种数字化的资料等）和师生安全为目的，进行有关决策、计划、组织和控制方面的活动。

2 物联网在校园安全中应用的基本情况及存在的问题分析

校园安全工作是全社会安全工作的一个十分重要的组成部分。它直接关系到青少年学生能否安全、健康地成长，关系到千千万万个家庭的幸福安宁和社会稳定。因此，校园安全问题已成为社会各界关注的热点问题。通过物联网等信息技术的应用来更好的保护每一个孩子，使发生在他们身上的意外事故减少到最低限度，已成为学校教育和管理的重要内容。

2.1 常见的校园安全问题与提高物联网等信息技术的应用水平的重要性分析

校园常见的安全事故主要有：不当活动事故，学生在课余时间相互追逐、戏耍、打闹时不掌握分寸和方式方法，使用笔、石子、小刀、玩具等器械造成的伤害；挤压、践踏事故，放学和下课时在楼道、门口等黑暗和狭窄的地方互相争先而造成的挤压、践踏等事故；交通事故，不走人行道、随意横穿马路、强行超道、高速骑车等造成的交通事故。乘座货车或超载车辆而造成车翻人伤亡的事故；劳动或社会实践事故；校园暴力事故，学校安全保卫制度不健全，防范措施不得力，学生受到校外不法之徒的侵害；消防事故，学生取暖、用电、饮食不当而造成火灾、触电、中毒等事故；学生身体特殊事故，因学生特殊疾病、特殊身体素质、异常心理状态受到意外冲击而造成的伤害；自然灾害事故，学生自救自护能力差，遇到暴风雨、地震、洪水等自然灾害无法有效防卫造成的伤害；卫生事故，学校卫生管理重视不够，工作机制不健全，工作措施不落实，特别是农村学校食堂基础设施条件落后，卫生设施差等问题引起的公共卫生安全事件。下面笔者就近年来社会影响较大的三种（不法侵害、校车车祸、食物中毒）校园安全事故进行分析论述。

（1）不法侵害

9.11事件结束了后冷战时代，恐怖主义已成为国际社会的一大公害，对全世界爱好和平人民的根本利益构成威胁，有些甚至有“教化”作用和“榜样”作用，特别是恐怖暴力犯罪手段的传播。仅2010年就发生了数起重大暴力事件，2010年3月23日早上7点24分，南平实验小学门口发生一起重大凶杀案，8死5伤；2010年4月28日15时，雷州市纪家镇人陈康炳混入广东省湛江雷州雷城第一小学，持刀砍伤15名学生和一名为保护学生而与歹徒搏斗的老师；2010年4月29日上午9时40分，江苏泰兴市泰兴镇中心幼儿园发生一起伤人事件，一名男子持刀冲入校园，砍伤31人，其中包括28名幼儿、2名教师、1名保安，5人伤势较重，有生命危险；2010年5月12日上午8时左右，48岁的陕西省南郑县圣水镇林场村村民吴焕明持菜刀闯入该村幼儿园行凶，致使7名儿童和2名成年人死亡，另有11名学生

受伤。

在很多国家，校园暴力事件已经成为现代社会普遍存在的问题。据统计，在1996年至2009年间，世界各地一共发生58起校园枪击案。美国最惨烈的校园暴力事件莫过于发生在2007年4月份的弗吉尼亚理工枪击案，该事件使校园安全问题得到空前的重视。如设置校园警察，加强校门安全保卫，安排警犬陪学生上课等。俄罗斯2004年9月1日别斯兰事件发生后，政府采取一切必要措施加强全国中小学校的安全防范，其中就包括为中小学生配置类似军用的身份识别牌以及记录有学生身份和基本医疗信息的登记卡。类似军用的金属制身份识别牌可以放在登记卡里，也可以戴在脖子上，即使遭到炸弹袭击，该识别牌上的信息也不会丢失。登记卡主要包括学童的姓名、指纹、照片、家人资料以及基本医疗信息等，同时还有一些指导学生如何应对洪水、火灾、交通事故以及恐怖袭击等知识。

这种严重威胁校园安全的暴力事件屡屡发生，作为学校和有关负责部门，不能把飞来横祸当作无法预知和阻挡的灾难，我们要追问和反思，到底是哪些安全环节出了问题。首先，我们要加强安全教育，提高中小学生的自我保护能力，因此学校应经常向学生介绍一些应急自救自护的知识，向学生们进行安全教育，提高青少年安全防卫知识和能力。其次，学校应建立严密的安保、预警和快速反应机制，强化人力、物力、财力储备，一旦出现校园安全事件，要在第一时间快速反应、及时报告、及时准确处置，避免悲剧的发生。

（2）校车车祸

目前，交通事故的死亡率呈现逐年上升的趋势。而往往都是发生在校园的周围，是学校安全工作的拦路虎，令社会关注、令家长忧虑。2010年12月27日早上7点半左右，湖南衡南县松江镇东塘村学生家长租用一辆农用车送孩子去附近的因果小学上学，当车行驶到一条小溪附近时发生车祸，车子一头冲进溪流之中，酿成14名小学生死亡的惨剧；2011年9月13日，荆州市两名年龄不到4岁的幼儿，被幼儿园校车接到幼儿园门口后，竟被司机和接车老师遗忘在校车上。当日，荆州市的气温高达31 ℃，在校车内闷了8 h后，两名幼儿才被发现，这时，她们早已停止了呼吸；2011年9月26日6时50分左右，山西灵石县冷泉村一接送学生的微型面包车在108国道介休段与一辆大货车相撞，7名中学生死亡，2人重伤，3人轻伤；2011年11月16日9时40分许，甘肃省庆阳市正宁县榆林子镇下沟砖厂门口，一辆大翻斗运煤货车与正宁县榆林子小博士幼儿园学生接送面包车迎面相撞，造成21人死亡（其中幼儿19人）、43人受伤的重大事故。校车安全事故一而再、再而三的发生。究其原因无外乎，一是学校安全意识淡薄，校车安全性不达标，私自改装校车，对驾驶员资历审核不严；二是监管部门监督不力，对超员校车采取漠视或者是以罚代管态度，对校车不符合安全标准的没有采取有力的措施；三是财政投入不够，校车安全不仅是学校的责任，也是整个社会的责任，校车的购置应国家财政地方财产和学校共同承担。

（3）食物中毒

随着下岗工人的逐渐增多，经济不断地发展，人们的经商意识日渐浓厚。不少人看中了在校学生这一庞大的消费群体，于是，校园周边的小吃铺、小摊点、流动摊位应运而生，而这些饮食摊位，卫生问题则不能给予保证，正值发育年龄的孩子们抵抗力又差，食物中毒事故屡屡发生，并且动辄十几人，多则几十、上百人，学生的身心健康受到了严重的影响。2010年4月19日上午，陕西省汉中市、安康市约200名中小学生在引用学校配发的早餐奶后，因出现食物中毒症状被送往医院治疗；2010年9月6日晚，淮安市盱眙实验中学部分学生在校园内一小吃部吃完晚饭后，28名学生出现腹痛、呕吐等症状，随后这些学生别紧急送往盱眙各医院进行救治；卫生部公布2010年共发生学生食物中毒事件37起，中毒2086人，死亡1人。其中26起发生于学校集体食堂，中毒1541人，无死亡。学校食物中毒事件最大的原因就是学校的商业化运作，食堂承包期限届满，就更换承包人，这样导致责任落实不清楚，同时承包人的反复替代性导致其经营主要追求效益，不重质量。我国目前学校食堂存在的问题主要有：食物多头外包、外购、小商贩入校、无证经营等。此种商业化体制导致管理松散，不便于食品卫生监管，承包方为了追逐短期利益而以牺牲学生健康为代价，校方的责任落实体系不完善导致出事后校方为承包方背黑锅。所以，加强校园食品安全管理迫在眉睫，一是要制定严格规范的管理制度，二是要采用科学管理方法，三是要加强学生安全意识教育。

在物联网广泛应用于现代生活与工作各个领域的时代，以上各种校园安全问题都可以并且亟需通过加强物联网建设使之更迅速更便捷更全面的得到解决。

2.2 物联网在校园安全中应用的基本情况及存在的问题

保障校园安全需要标本兼治。一是要从源头上预防和减少社会矛盾方面下功夫；二是要从提高领导及师生法律意识上下功夫；三是要从加强与社会各方力量合作上下功夫；四是要从加强完善安全保障设施上下功夫。笔者正是从技术的角度研究如何运用物联网来保障校园安全。

（1）物联网在校园安全中应用的基本情况

从目前学校安防应用情况来看，主要包括监控系统、防盗报警、门禁系统、巡更系统、紧急求救系统、呼叫系统、对讲系统、一卡通等。其中视频监控是主体产品，需求量巨大。无论大、中、小学，校园内都有一定数量的监控系统，可以说，视频监控是学校安防中使用最普遍的系统之一。从发挥的作用看，监控系统在校园内的应用主要有两种，一种是作为校园安全的保安监控，监控点多而分散，主要分布在学校主要通道、重要场所（如实验所、计算机中心、财务处等）、围墙、各建筑物出入口等。另一种是用于监考、教学、远程管理，其中考场监控是近年兴起的一大热点应用。

在视频传输方面，大部分学校利用现有的校园网，将视频信号通过校园网传送到各级监控中心。也有些学校如广州大学城，因为监控点较多，自己铺设光纤。但铺设光纤投资大，施工也有一定难度，并不是每所学校都能接受的。

门禁系统等设施的安装也是校园安防的一个重要方面。门禁对于学生及校园内相关人员的管理和控制十分有利。凭卡出入，对人员进行身份鉴别、确认及进出信息登记，可以有效防范外来人员对学校教学工作的干搅或破坏。校园门禁目前主要应用于档案室、图书馆、宿舍楼等地方。如今，“校园一卡通”正在各地学校悄悄兴起，学生证、餐证、出入证等证都融合为一体，十分方便学生在校园的学习和生活，也有利于学校对学生信息的掌握。在中小学校中，目前用得较多的是“家校通”系统，即学生进、离校时进行刷卡确认，然后系统自动为学校与家长提供沟通桥梁。防盗报警装置是校园安防中最实用和基础的组成部分，主要安装在交换机房、计算机中心和财务室等重要区域以防失窃。有些学校为了防止昂贵的教学设备受损，一部分教室也安装了探测器。它也可在发生意外时让师生及时与外界联系，得到援助。

（2）物联网在校园安全中的应用存在的问题

①视频监控方面因成本造价及技术原因，一般公司对系统设计不完备。如：无智能切换；无轨迹巡切换；摄像机搭载云台操控性差，无法实现联动视频，联动预置位，使摄像机变成了“活瞎子”，使用一般枪式摄像机，不能变倍，不灵活也不符合实际使用需求；教室空间较大，镜头可视范围无法全面覆盖。

②门禁一卡通方面的不足之处在于：卡片安全性差，如加密性、防高温、防磁场、防浸水、防折叠方面不达标；系统稳定性差；管理，操作繁杂。

③入侵报警系统误报率高；设备不具备防拆、防破坏功能；不能联动外部设备，人为恶作剧刷卡报警频率高，常常上演现代版“狼来了”故事。

④多媒体教学方面的缺陷在于存在资源无法共享；不能多源输入、输出（接口、模块、设备）和集中管理困难等。

⑤网络资源支持系统方面的问题是设备间的兼容性差；设置、管理困难；最大访问量不能满足要求；不带冗余备份。

⑥多种产品兼容性存在问题，这种现象很普遍，大都集中在前端采集设备，如高速球，变速球等设备有后端视频编码设备、控制设备，切换控制设备之间协议不匹配。

⑦原有校园监控项目的升级改造问题。是“利旧”兼容，还是推翻重建。

3 物联网在校园安全中的应用系统设计

3.1 数字化校园安全设计思想

让正确的人、使用健康的主机、访问安全的网络、做规范的事情。

数字化校园的安全设计需要考虑用户身份安全、主机安全、网络安全、安全策略管理等四个主要方面。用户身份的安全，指用户以实名接入网络，只有经过实名认证的用户才能使用网络；主机的安全指只有终端主机本身是健康的，如安装了杀毒软件，安装了最新补丁，才允许接入校园网络；网络的安全指在网络中的数据要合法，不能有攻击或异常，同时，师生在校园网中的网络访问行为要安全，如学生限制访问成人网站或互联网娱乐类视频等；用户访问的安全，是指你在网络中的访问可追溯，出现攻击可定位到人。总之，以用户为核心的安全的设计理念是保障“让正确的人，使用健康的主机，访问安全的网络，做规范的事情。”

3.2 安全体系设计的工作原理

采用Web portal或基于802.1X协议的身份验证体系，通过与网络交换机的联动，实现了对于用户访问网络的身份的控制。通过严格的6元素（IP、MAC、交换机IP、交换机端口、用户名、密码）绑定措施，确保接入用户身份的合法性。

同时根据用户身份的不同，还可以限制不同用户的不同访问权限，让用户在接入网络后，只能访问自己权限之内的服务器，网络区域等。

3.3 校园安防系统设计目标及功能

目前，随着物联网技术的日益成熟和深入应用，建立基于物联网的安防系统并由此实现信息化的平安校园管理成为了可能。安防管理的主要目标是防侵入，对异常情况提供实时报警，并快速作出正确的处理，以确保学校边界、重要场所的安全。一个典型的校园安防物联网的结构图如图1所示。整个网络分为两个部分，即感知系统（传感网）和通信系统，感知系统由各监控点和物联网模块组成，其中各监控点利用各种传感器监测、采集重要场所发生异常情况的信息和其他有效信息，并控制数字摄录系统快速采集图像信息；所有这些通信可以通过数据传输系统传输给物联网模块，物联网模块根据需要采集监控点的信息，并给出相应的控制信息到监控点，完成相应的控制功能。目前数据传输一般采用无线传输方式，一个物联网模块可以处理方圆1 km范围内的所有监控点。而通信系统将物联网模块采集、处理获得的数据传输到校园网上，并通过校园网连接到如GSM等社会公共网络，以提供相应的服务。感知系统是校园安防物联网系统实现的关键，主要实现：一是感知校园边界系统，利用电子幕、红外传感器和实时录像相结合，完成对整个校园的边界的监测和图像采集。其中电子幕和红外传感器实现对异常情况的检测，摄录设备实时采集异常发生时的现场图像（只有在异常发生时才工作）。二是重要场所监控系统，利用门禁、电子锁、电子窗栅、电子窗帘等技术检测门口及窗户等易侵入场所的异常情况。在门窗等场所安装的数字摄录设备实时采集异常发生时的现场图像（只有在异常发生时才工作）。

为了真正实现平安校园管理，有效地应用感知系统采集到的相关信息，建立基于校园网的信息管理平台是平安校园管理的最终目标，该平台根据学校的管理模式和相关部门的要求，充分利用采集到

的各种信息，通过分析、整理，完成相应的功能。安防物联网系统每天都要产生大量的信息，并且信息的数据类型很多，采用SQL Server 数据库来开发建设平安校园管理系统基本可以满足要求，而采用B/S 结构可以使该系统的使用更为方便。该系统的主要功能包括以下几种。

（1）完整的报警功能，分析由安防物联网产生的所有异常情况，根据设置的相应条件实时给出完整的报警。提供给校园网，并由校园网向校园内部通信网（如对讲设备等）发出报警信息以通知值班人员作出相应的处理。

（2）利用与因特网连接的功能，实现与社会网络的连接，实现短信报警等

功能。

（3）数据分析、整理和统计功能。

（4）完善的数据查询功能，根据学校主管领导和职能部门的要求，设计相应的查询功能，满足各类、各级人员对系统的数据要求。

（5）数据的安全管理，由于该系统可以将校内安防信息传输到因特网上，因此对信息的安全要求较高。需要实现信息的加密和分类传输等功能，以确保信息的安全传输和分级获取。

（6）系统的安全管理，该系统已经不是一个简单信息系统，而是一个将现场、管理职能等融于一体的系统，因此保证该系统的安全运行非常重要。

3.4 校车管理系统设计目标及功能

好的校车是学生乘车安全的一个重要保障，但笔者认为不是最重要的。这么多起校车事故并不是车辆本身存在安全隐患，而是校车司机、学校及政府管理部门缺乏安全意识和校车安全监督管理。校车是学生每天上学放学的交通工具，车辆的安全行驶和学生的人生安全问题显得非常重要。校车事故发生的原因有很多，主要的原因是因为车辆本身状况不良、司机的驾驶行为不当、超载、超速、疲劳驾驶等。学生是国家的未来，是家庭的希望，为了达到对学生的安全保护目的，采用目前的校车视频监控系统来进行车辆的安全管理是必不可少的手段。该系统主要功能包括三方面。

（1）实现对校车驾驶员行为规范的管理功能，良好的驾驶习惯对学生的安全至关重要，同时也影响着车辆的油耗和使用寿命，所有该系统必须具备监控并记录驾驶员的各种不良的驾驶行为，如超速、急加速、急减速、急刹车。

（2）实现对学生乘客安全的管理功能，为了防止超载，安全系统专门配有车辆上下车人数智能计数实现装置，该装置通过红外光感装置实现，对上车下车时人与行李对红外发光管的遮挡情况进行处理，从而计算上下车人数；利用视频摄像机采集图像，利用计算机识别图像计数识别同时上车的情况，从而实现上车人数的精确计数。此外系统支持IC卡刷卡人数管理，支持使用各种IC卡自适应处理，通过实现IC卡刷卡实现学生数量计数和上下车记录。对车辆超载的行为能自动报警并向管理部门报告。

（3）实现车辆自检功能，车辆的各零部件工作状况关系着整车学生的性命安全，尤其是刹车、离合器、油门等。系统终端通过采集刹车、离合器、油门、左右转向灯、空调、刹车片磨损报警等各种开关量信息实现车辆零部件的检查。其次，系统支持TPMS胎压检测装置，对轮胎气压进行实时检测报警；支持通过使用红外温度传感器实现刹车片高温报警。作为车辆的核心元件—发动机，系统支持与国三以上发动机实现CAN接口对接，解析CAN协议，分析发动机运转过程中是否有异常状态，如DM故障码。此外车辆每次开启前，系统车载终端都会对车辆零部件工作状态及发动机状态作一次出车检查，并进行车辆安全状态评估。

3.5 校园食品安全管理系统设计目标及功能

校园食品安全与否直接影响到中小学生的身体健康和生命安全。由于学生的辩识能力弱，自我保护意识差，且一些学校忽视了对学生食品安全的教育，不少经营户受利益驱动，向学生销售达不到卫生标准的劣质食品，使校园食品安全越来越成为一个不容回避的问题。

因此，加强校园食品安全的监管已刻不容缓。

校园食品安全管理系统改变了以往的手工管理方式，实现了对重要食品的动态管理，提高了工作效率，增加了食品监管的科学性。该系统主要功能有以下几方面。

（1）重要商品备案管理功能。商户根据分配的登录名和密码登陆后台，将备案商品的条码、名称、规格、保质期等信息录入提交，然后将索证资料（即向供货商所索取的营业执照、卫生许可证、生产许可证、质量认证证书、质量检验合格报告、商检证明、检验检疫合格证）进行扫描上传。工商局就可以通过系统后台通过备案商品基本信息列表看到每个商品的规格、保质期、供货商、联系人、联系电话、备案商户等信息。

（2）进、销货监管功能。食品经营者登陆系统将每次的进货、销货信息录入后，可自动生成国家工商总局要求的进货台帐，工商部门可以通过后台动态管理、适时掌握每个食品经营者、每种食品的进货、销货情况。

（3）重要商品备案查询功能。消费者可以通过该系统终端及时查询商品的备案情况和商品的真实身份情况；查询方式有网络查询、显示屏查询、触摸屏查询、语音查询、移动查询等五种查询方式。

（4）问题商品追溯功能。如果某种商品出现问题，工商部门可以通过后台的商品备案列表快速查处哪些商户经销这种商品，是哪个供货商供应的。如果某种商品的某个批次出现问题，工商部门可以通过后台的进货台帐的商品倒查功能快速查出哪些商户购进了，包括商品数量、规格、进货日期、供货商及其联系人、联系电话等信息。

总之，教育要科学发展、协调发展，安全发展。校园是教书育人的场所，是青少年集中学习和活动的地方，为社会各界和千家万户所关注。校园安全工作是全社会安全工作的重要组成部分，直接关系到学生能否安全、健康成长，关系到每个家庭的幸福安宁和社会的稳定，关系到民族的未来和希望。校园是构建和谐社会的重要组成部分，只有校园安全发展，才能构建和谐的校园、和谐的教育，为此必须加强校园安全工作的力度。

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