基于物联网技术的智慧校园建设与研究

吴有龙 杨忠 徐楠 谢慧 张旭

摘 要：针对传统的“数字校园”向“智慧校园”迈进中计算机和信息技术的发展，原有的数字校园的运行方案和技术手段都有待进一步完善。文中结合智慧校园建设过程中的现状，重点论述了智慧校园的三层物联网架构，包含传感层、网络层和应用层，以智慧教室为例提出基于物联网技术的建设方案，为智慧校园的智能化建设提供一种新的参考模型。

关键词：物联网;数字校园;智慧校园;智慧教室;智能化;建设方案

中图分类号：TP393.18文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）01-00-02

0 引 言

随着以物联网、大数据、云计算、人工智能和移动互联为代表的新一代信息技术的发展，在教育领域，集智能技术、智能应用和智能管理于一体的智慧校园已成为新的研究热点[1-4]。与传统的数字校园相比，智慧校园能够更快、更灵活、更经济地提供各种服务，是高校教育信息化发展的一种新模式。

目前，国内外大学都在开展智慧校园的建设工作[5-6]。

美国南加利福尼亚大学利用物联网技术，对校园内建筑的供暖、送风、空调等进行跟踪和控制，实现了智慧节能的“绿色校园”[7]。浙江大学智慧校园的建设已涵盖了安全、绿色、生态、和谐和科技等多个领域。上海交通大学学者提出无处不在的智慧课堂理念，将校内图书馆电子资源嵌入到教务管理系统中，实现了课程内容、教学内容和电子储备资源的实时交互。南京邮电大学学者提出建立一个开放、创新、合作、智慧化的综合性信息服务平台，基于这个平台，教师、学生和管理人员可以定制基于角色的个性化服务，充分感知不同的教学资源，实现工作、生活、学习的互动、共享和合作环境，实现教育信息资源的有效收集、分析、应用和服务[8]。因此，智慧校园的引入是新一代信息技术发展的必然产物，将物联网技术融入智慧校园建设，必将使智慧校园更加完善，为高校稳定快速发展提供了便利[9-10]。

1 智慧校园的现状和关键技术

智慧校园的物联网强调通过建立相关链接来构建一个智慧服务系统，实现人员、机器、楼宇和管理之间的数据信息交互，实现对人、物的定位、管理和控制。图1所示是基于物联网的智慧校园具体模型框架，其主要包括传感层、网络层和应用层。

传感层位于物联网架构的底部，是数据信息采集的关键部分，能用分布计算的方式实现数据的融合，为各类数据的推送和系统的数据分析提供数据支持。传感层包括各种智能终端接入设备，如手机、平板等，以及其他环境传感器设备，如视频音频输入设备、射频识别系统、智能传感器、GPS、传感器网络接入网关、中间件等。传感层不仅可以通过接口从硬件设备和环境条件中获取信息，还可以提供所有收集信息的人工反馈，实现对身份、环境、位置和需求的信息采集、捕获和对象识别。

网络层是由传感设备接入的通信网络，其功能主要是将互联网、移动通信网（3G和4G）和卫星通信网等融合在一起，建立统一的网络平台，提供稳定、安全的网络传输，使各项业务的协作成为可能。网络层主要通过网络访问所有感知设备，将从环境中感知到的所有信息转换为相关的语义信息。然后对感知信息进行分析，通过校园云存储和计算相关数据，实现对服务的记录和云服务的发现与组合。

应用层是各种现有数字应用系统的融合，通过将信息服务整合到各类信息系统中，实现校园门禁管理、考勤管理、便捷缴费、实时监控、教室智慧控制、图书管理和各类公共设施管理等功能，构建和谐、生态、和平、绿色的校园，将智慧管理融入校园管理的各个方面，为教学、科研和管理提供智慧支撑。

高校信息化建设在发展的过程中，已经形成了有线网和无线网相结合的基本网络。在此基础上，建立具有各種应用的数字校园，如办公自动化、各种邮件系统、卡片系统、科研管理系统和学术服务系统。但是由于各种系统都是周期性地构建，而不是统一地规划和部署，因此缺乏统一的信息门户和身份认证，每个系统都各自进行划分和设置规则。因此，形成了许多信息孤岛，造成数据冗余，不利于统一数据和协同工作，也不能满足全面实现教学和教育信息现代化，以及提供各种智慧化综合信息服务的需要。在这个信息化建设的过程中，必须整合目前的资源，建立一个基于数据融合的智慧校园，统一数据中心与数据交换系统，统一信息门户和身份验证。

2 基于物联网的智慧校园发展应用

在智慧校园领域，学习、生活和工作的过程是通过在线系统进行的，这使得学生、教师和管理人员可以随时随地通过网络参与学习和工作。智慧教室是智慧校园的一个典型应用，可以利用物联网相关技术提供智慧服务。与传统的网络化、数字化教室相比，智慧教室最主要的特点是可以实现智能监控、反馈和管理。图2为智慧教室整体设计方案。

智慧教室由多个模块组成，包括智能识别、安防监控、门禁系统、环境监测、智能窗帘、灯光控制和智能遥控等模块，可实现智慧的“教”，智慧的“学”和智慧的“管”。智慧教室的各个模块融合构成了六大系统，可实现的主要功能包括：教务考勤管理系统、智慧教学系统、智能设备管理系统、智能环境监系统、智能安防监控系统和智能电器控制系统。

智慧教学系统的主要设备包括电子白板、投影仪、教师和学生计算机、音频输入/输出设备、多媒体控制器等，可实现教师和学生的在线互动，资源共享和分发，以及远程/本地视频通信。智能设备管理系统采用高频读卡设备对教室内的设备进行监控管理，通过有线或无线方式进行远程登录控制及仪器设备的管理。智能环境监控系统利用各类传感器采集的数据，可达到实时监测当前环境具体数据的效果，并反馈至上位机设备，上位机对数据分析后，将下达相应调整及控制命令，使得控制过程更加智能高效。智能安防监控系统在教室中安装烟雾传感器、门禁传感器、红外传感器、声光报警器和烟雾监测传感器，实时监测周围的环境信息，当有危险发生时，传感设备将监测到具体数据并向主机发出报警信号。智能电器控制系统利用传感器感知教室内情况，当房间里没有人时，灯光会自动熄灭，如果有人时，灯就会自动亮起来，根据光照的强弱，室内窗帘可以自动拉开或闭合等。物联网技术可被应用在智慧校园的各个方面，如智慧教室的建设、推广和应用能够大大优化教学资源的配置，通过物联网、云计算等技术构建的网络平台可实现对校园内教室、实验室、学生、教师和管理人员等教学资源进行统计、分析和管理。