物联网在高校智慧校园建设中的应用

摘 要：物联网、云计算技术迅速发展，高校在校园网、无线网络等信息基础设施建设的基础上，探索引入RFID、ZigBee等物联网新兴技术建设“智慧校园”，文章从物联网的感知层、网络层、应用层这三个层面出发，提出了建设智慧校园的总体设计方案，探讨了物联网在身份识别和考勤管理、智能实验设备管理、智慧图书馆、车辆定位追踪、智能后勤管理等方面的应用。

关键词：物联网;智慧校园;RFID;ZigBee

中图分类号：TP393            文献标识码：A        文章编号：2095-1302（2015）09-00-02

0  引  言

“智慧校园”这一概念源于智慧地球、智慧城市，目前各高校信息基础设施建设较完备，基本建成了以光纤为主干网的校园网，部分高校已经完成了对教学楼、办公楼、实验室、图书馆和其他公共场所的无线全覆盖，智慧校园就是利用现有的互联网、校园网以及移动通信网络，引进RFID、ZigBee、传感器等物联网、云计算、并行控制技术，优化资源配置，为师生提供高效、智能的信息化服务，打造数字化校园、平安校园，并为管理决策层提供科学的决策依据和管理手段。

智慧校园的主要特征：一是通过物联网整合教育资源，为教学、科研提供高效信息服务，实现教育资源的共享;二是整合现有的教务管理系统、学生管理系统、宿舍管理系统等，提供开放互联的智能化综合信息服务平台;三是后勤管理实现按需服务、绿色节能;四是通过智慧校园建设，使师生全面地感知教学资源，获得良好的学习、教学和后勤服务体验，促进高校教学管理服务水平的提高。

1  物联网的关键技术

1.1  RFID

RFID（Radio Frequency Identification）技术即无线射频识别技术，它是一种非接触式的自动识别技术，可在各种恶劣环境中通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，无须人工干预。RFID被广泛应用于生产自动化、门禁、公路收费、停车场管理、身份识别、货物跟踪等民用领域。

典型的RFID系统构成由电子标签（Tag）、读写器（Read /Write Device）及管理信息系统等组成，具有智能读写及加密通信的功能。当被识别物体进入读写器的识别范围时，读写器发出射频脉冲，电子标签接收射频脉冲，整流并给电容充电作为工作电压;数据解调部分从接收到的射频脉冲中解调出数据并送到控制逻辑;控制逻辑接受指令完成存储、发送数据或其它操作。RFID标签大致可分为三类：第一类是主动RFID标签靠电池供电，自动传输信号;第二类是被动RFID标签，不带电池，需要外部源来激发信号传输;第三类是电池辅助的被动RFID标签，需要外部源来唤醒电池，但具有更高的传输能力。如果按照所使用的无线电频率，RFID标签可分为低频、高频、超高频和微波几种类型。

1.2  ZigBee

ZigBee网络采用高级通信协议，由IEEE802.15.4标准描述，ZigBee设备体积较小，是低能耗和基于无线电的传感器节点，具有低功耗、低成本、低数据传输率、稳定性好、抗干扰能力强、安全可靠的技术特点。它与蓝牙、WiFi技术相比更为易用且价格低廉，因此ZigBee在车联网、智能家居、小区监控等方面的应用日益广泛。

ZigBee协调器能够存储网络的信息，而且可作为信任中心存储安全密钥，每个网络中仅有一个协调器。ZigBee路由器的中间路由器，可在终端设备之间传递数据;ZigBee终端设备包含和父节点（协调器或者路由器）通信的功能，不能中继其他设备的数据，节点可以休眠很长时间，从而可保证电池的寿命。

2  智慧校园的总体设计

基于物联网的智慧校园建设可以划分为感知层、网络层和应用层。

（1）感知层是联系师生、各类教育资源（物理世界）与综合信息服务平台（信息世界）的纽带，通过RFID标签、GPS终端设备、摄像头……各种传感器对师生、教学设备资源、实验设备、图书等提供智能感知和控制能力。

（2）网络层的作用是连接感知层与应用层，正确、快速、安全地传输智慧校园各类感知数据与控制指令，所有信息都要通过WiFi、4G/3G无线网络接入校园网，一般采用异构网络互联的结构。

（3）应用层由多样化的应用系统构成，如门禁系统、监控系统、图书管理系统、教学管理系统、宿舍管理系统、实验设备管理系统等。通过对综合信息服务平台的数据进行集成和分析，实现资源合理调度、按需服务、绿色节能等需求，提高高校教学管理服务水平。

图1  基于物联网的智慧校园总体设计

3  物联网在智慧校园中的应用

3.1  身份识别和考勤管理

运用RFID技术整合校园一卡通，可实现学校进出人员管理、宿舍管理、学生上课考勤和会议考勤等。师生在进出学校校门、宿舍楼宇时实现RFID卡无接触式自动身份识别，通过屏幕显示通过人员信息、照片，自动放行，校外人员进行来访登记。学生处和宿管人员可即时统计学生在校情况，并对未按时返校、归宿学生发送提醒。

大部分高校对学生上课的考勤管理都通过任课教师或学生考勤员完成，点名费时费力，一些教师还发明了通过拍照刷脸、微信等点名的办法。利用教学楼安装RFID感应器，进入教室的学生均被识别系统感应，可以完成对缺勤学生、迟到早退学生的统计，并将数据信息反馈到教务管理系统，任课教师、辅导员可以查看，及时了解学生的学习情况。

通过RFID技术整合一卡通，还可以实现教师签到、会议考勤等功能。在会议室入口设置RFID识别装置，当参会人员进入会场时，系统会自动进行身份识别，并在屏幕上显示座位引导、欢迎词等。

3.2  智能实验设备管理

高校的实验设备、精密仪器，动辄数百万元，为了有效提高教育资源的利用率，提高实验室管理水平，尤其是在建设开放实验室的过程中，借助物联网技术可以实现门禁管理、实验教学管理、安全防盗功能。

（1）门禁管理：结合门禁系统、师生校园一卡通、实验设备管理系统，管理员授权用户在规定时间才能通过门禁系统进入实验室，授权用户允许使用实验室内的实验设备，并且记录使用人员、使用和归还时间等信息。

（2）安全防盗：通过在实验设备及贵重物品上嵌入ZigBee传感器，这些节点能够以自组织方式组成网络，当设备移动时，传感器节点内置定位引擎通过与预设节点比较，超出预设范围时，第一时间通知实验室管理员，管理员可通过管理系统查看设备所在位置，及时做出处置。

（3）实验教学管理：首先，设备上的RFID标签可以帮助学生方便地获取实验步骤、操作要点、使用帮助等信息。其次，通过自动控制技术干预实验过程，操作不当时能自动警告并中断实验过程，避免不必要的损失和人员伤害。此外，实验数据可以实时监控并及时提供给实验者，实现实验教学的数字化、网络化与智能化。

3.3  智慧图书馆

RFID 技术在图书馆领域也已经有了广泛的应用，目前可以实现自助借还图书，图书自动分拣、精确定位、自动整序排架、自助盘点、智能图书车和防盗报警等一系列自动化、智能化管理功能。

RFID在图书馆自助服务应用的工作原理：RFID 芯片式自助服务系统是在图书中加入RFID 芯片，用来代替条码+磁条。借还书时，RFID系统先读取读者证的信息，再通过读取图书RFID芯片中的数据完成图书借还，RFID技术是非接触式工作，可一次进行多本图书借出操作，极大地提高了借还工作效率。当读者携带该书通过门禁检测系统时，系统会自动识别图书是否已经办理借书手续。

3.4  车辆定位追踪

车联网系统将计算机技术、ZigBee、RFID技术有机结合起来，能够提供自动控制、自动存储数据、数据查询等多种功能。车联网可以实现校园区域内车辆的进出管理、车辆防盗、停车诱导等，促进校园的交通秩序管理、平安校园建设。

校园入口部分主要由ZigBee协调器、感应器、摄像头、挡车器、电动栏杆、显示屏组成。车辆到达校园入口，校内车辆通过感应器识别后电动栏杆和挡车器变为通行状态，无需人工干预，外来车辆发临时卡，摄像头拍摄车牌信息并记录在车联网系统中。车辆进入校区后，车联网管理系统还可提供车位信息引导车辆停放。

3.5  智能后勤管理

后勤管理主要包括学校的照明、广播、餐饮、卫浴等。在教室、实验室、校园广播设备、路灯上安装传感设备，利用物联网技术，使校园内的灯、播音设备能够无线自主组网，使每一盏灯、播音设备都能遥测和遥控，自动调节照明强度、播音音量。例如教室、图书馆光照较强时，灯自动关，如果发现教室里没人，可以远程控制关灯;发现附近没人，校园内播音设备会自动停止播放或降低播音音量。在浴室装上读卡器，刷卡后喷头出水并进行流量计算，从而达到节能节水的目的。根据学生食堂安装的ZigBee系统，监测就餐实时人流量，分析后有助于改进餐饮服务，提高餐饮管理水平。

4  结  语

通过物联网在校内的大力推广，可成功建成身份识别和考勤管理系统、智能实验设备管理系统、智慧图书馆及车辆定位追踪等系统，大大减少了校内工作人员的任务量，极大地提高办事效率。

参考文献

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