基于智慧校园的智慧实验田体系结构设计研究

尹莹莹

[摘要]为建设高等农业院校智慧实验田，解决传统实验田目前存在的管理和服务难题，构建高校智慧实验田体系结构，根据实际需要提出了智慧实验田应提供智慧学习、智慧管理、智慧安防、智慧数据和智慧控制五大服务，并对每一个服务内容的实现做了具体设计，为智慧实验田和智慧校园的建设研究提供了有益参考。

[关键词]智慧校园；教育信息化；智慧实验田

[中图分类号]G434 [文献标识码]A

近几年来，随着物联网、大数据、高速互联网等计算机技术、通信技术和信息技术的疾速发展，当前高等学校已经建成的数字化校园已不能满足学校工作和师生需求，正逐渐向智慧校园转型。在这个转变过程中，许多高校都根据自己学校的实际情况提出了适应自身需求，具有专业特色的智慧校园体系结构，高等农业院校與其它高校相比，专业特色更为明显，因此，在智慧校园体系构建和智慧模块设计时，更需要根据自己的特色特点，构建符合自身需求的智慧校园体系结构和智慧模块。

1 高等农业院校智慧实验田需求分析

在高等农业院校中，很多农业方面课程的学习研究都需要在实验田中进行，而现有的传统实验田中都存在信息管理碎片化、设备管理人工化、安全管理非智能化、环境管理非低碳化、资源管理非共享化等诸多问题，因此，以物联网、传感器、射频识别、云技术等计算机新技术为基础，打造一个泛在互联、互动协作、高度开放、信息共享、智能化、可视化、低碳化、安全化的智能化实验环境和综合信息管理系统，为师生提供一个服务更全面的学习和研究平台，已经成为高等农业院校智慧校园体系构建的一个重要研究内容，这样的智慧校园体系结构才能全面满足学校师生的学习科研需求。

总之，智慧实验田就是要利用新一代信息技术为广大师生提供一个全面的智能感知实验环境和综合信息服务平台，实现传统实验田的智能化、安全化和可视化管理，实现资源的互联、人员的互动协作以及实验田中设备资源、教学资源和科研资源的高度信息共享等。达到以人为本，服务教育的智慧目标。

2 智慧实验田体系结构构建

智慧实验田，重在智慧二字，因此，对智慧实验田的智慧性设计是构建智慧实验田体系的首要工作，是智慧实验田最终智慧与否的关键所在。而在进行智慧性设计时，首要的就是了解师生对智慧校园所提供的服务有哪些具体需求，再根据需求进行智慧性设计，同时还要充分考虑到随着发展而出现的需求变化，预留出足够的扩展空间。在以上对智慧实验田所提供的智慧服务目标的基础上，结实智慧校园体系构建方法，构建智慧实验田体系结构

2.1 智慧实验田构建目标

在智慧实验田体系构建时，要实现的终极目标就是，任何仪器设备、实验器材和实验对象都可以与实验人员实现无缝连接，利用智慧实验田所提供的智慧服务，实验人员可以随时随地，不受任何限制和约束地对实验对象进行管理和控制，提取自己所需要的实验数据。根据这一目标需求，在构建智慧实验田体系结构时，要考虑以下几点：第一，智慧实验田能够随时获取到实验对象的实时数据，这就要求有一层感知层，具体由传感器、致动器、可编程的逻辑控制器和分布式智能传感器组成，主要职责是探测实验田的实时情况；第二，智慧实验田能够随时把所探测到的数据传送给实验人员，这就要求有一层网络层，具体由各种通信设备、通信链路和通信协议组成，主要职责是将感知层感知到的数据进行简单识别处理后传输给智慧层；第三，智慧实验田系统能够具有相当的智慧性，能够根据实时数据进行判断和决策，这就要求有一层智慧应用层，利用一些数学算法和统计工具对获取到的数据进行处理，提取出其中的信息，控制相应软硬件设备来实现智慧管理、智慧安防、智慧数据和智慧控制等智慧服务。

2.2 智慧实验田体系结构

根据上述的智慧实验田设计目标与服务宗旨，构建智慧实验田体系结构如图1所示，整个系统由三层组成，分别是感知层、网络层和智慧应用层；感知层由各种传感器构成，负责感应到实验田中的实时情况，再由网络层传输到智慧应用层，智慧应用层对收到的数据进行分析处理，提取出其中的信息，作为智慧应用和智慧决策的依据，并能够根据实验人员做出的智慧决策控制实验田中的某些仪器，做到智慧控制。

3 智慧实验田系统设计

根据上述体系结构，对智慧实验田模块系统每一个功能的具体实现进行了设计。

3.1 智慧学习服务模块

高等农业院校中很多专业的学生在大学期间都会开设一些在实验田中实地考察学习的课程，以往，这些课程的学习需要学生亲自到实验田中观摩学习，这样的学习方式，既为学生增添了奔波劳累之苦，又限定了上课的人数，也为教师增添了大量的工作量，而且还要受到时间、天气等其他客观条件的影响，十分不便。智慧实验田系统可以利用网络和虚拟现实设备，让学生能够不受时间地点的限制，在课堂就看到、感觉到要学习的内容，既减轻了教师的工作压力，又提高了学生的学习效果。

智慧学习服务设计：在课堂或是虚拟实验室中安装能够为学生提供视觉、听觉、嗅觉和触觉的虚拟现实设备，在实验田中安装温度、湿度等传感器和各种控制器，课堂和实验田间使用网络进行连接，学生在课堂使用虚拟现实设备能够观察、“触摸”实验田中的作物，达到学习的目的。

3.2 智慧管理服务设计

实验田的基本功能就是为教师和学生的科研实验和学习提供服务，因此，智慧实验田要具有基本的管理服务功能，为来上课的学生提供自动考勤服务，学生进入实验田前进行人脸识别，再根据系统中的数据，如果是本节课的学生则放行，否则不许进入；对于来进行研究的学生和教师则使用其他权限控制出入，并记录下到达和离开时间，自动生成实验田的智慧日志。

3.3 智慧安防服务

农业院校实验田一般占地面积都比较大，安全管理非常困难，温室实验田由于本身是一个封闭区域，安防管理相对简单一些，而大田实验田在管理时难度较高，传统方法使用围墙、护栏、铁丝网等作为防护，但效果并不是很好，容易被恶意分子或野生动物闯入，智慧实验田的安防功能更为强大，在实验田周边安装视频摄像头，红外感应器等，可以对可能出现的安全问题进行自动预警，充分利用物联网技术来保证实验田的安全。

3.4 智慧数据服务

对于做农业实验的教师和学生来说，一个很重要也很困难的工作就是实验数据的采集，这经常要耗费大量的时间和精力，智慧实验田能充分利用自身的技术优势，按照师生的需求为师生提供自动的数据收集服务，并且，还可以使用内置的组件，完成简单的数据统計功能，减轻实验人员的工作强度。

3.5 智慧控制服务

智慧实验室利用物联网技术和终端软件为实验人员提供远程控制服务，例如，实验人员可以通过计算机或其它终端远程控制实验室的温度、湿度、光照等条件变化，甚至还可以结合虚拟现实技术实现远程喷灌、远程施肥、远程修剪等技术难度更高的实验操作，从全面意义上实现实验田的机械化、智慧化。

4 结论

智慧实验田作为高等农业院校智慧校园体系结构中必不可少的一部分，正随着智慧校园的兴起而迅速发展，文章探讨了智慧实验田要实现的智慧服务功能，构建了智慧实验田体系结构，对体系结构中的智慧模块进行了具体的实验研究，为智慧实验田和智慧校园的建设提供了有价值的参考。智慧实验田和智慧校园的建设不仅可以为校园学习工作服务，还能够为整个学校营造出良好的智慧气氛，学生在学校体验到现代科技的先进，能够激发他们的创新能力，有助于培养出更优秀的学生。

[参考文献]

[1] 韩立峰，陈勇.高校研讨型教室门禁系统应用[J].华中师范大学学报（自然科学版），2017（S1）：152-155.

[2] 姚跃.基于大数据的智慧校园建设策略研究[J].信息与电脑，2017（04）：146-150.

[3] 陈明选，徐旸.基于物联网的智慧校园建设与发展研究[J].远程教育杂志，2012（04）：61-65.

[4] 吕倩.基于云计算及物联网构建智慧校园[J].计算机科学，2011（10）：18-21.

[5] 熊频，胡小勇.面向智慧校园的学习环境建设研究：案例与策略[J].电化教育研究，2015（03）：64-69.

[6] 袁晓戎.基于物联网的校园一卡通系统的设计与实现[J].自动化与仪器仪表，2017（04）：225-227.

[7] 蒋东兴，付小龙，袁芳.大数据背景下的高校智慧校园建设探讨[J].华东师范大学学报（自然科学版），2015（S1）：119-125.