基于云架构下智慧校园设计与实现

丁胜和

（唐山师范学院现代教育技术中心，河北 唐山 063000）

0 引言

近几十年来，全球互联网信息技术的高速发展，移动互联网的层层叠新，让几千年的人类社会生活发生了翻天覆地的变化，都在让人们生产与生活中的所有一切在高速发生改变。过去，我们没有电脑，网络并不发达，我们也不能像现在一样，即刻便能知道距我们数千里地方发生的事情。在通信还没有那么发达的时代，遇到紧急的事情，也只能采取人传人的方式进行通知，一件事情经过层层的传递，可能传到自己这里，事情也早已结束，信息的延迟和错漏是时常有的事。

所以，到了今天，任何一个人都能通过网络实时了解世界各地发生的事情，信息的高效传输使得社会更加注重智能化管理。从提出“智慧地球”到“智慧城市”，校园的信息发展也由过去的“数字校园”逐步发展到“智慧校园”，一种全新的结合教育、科研、管理和校园生活的管理模式应运而生。实现更加智能、便携、简单的校园管理更加的符合大众需求，也成为一件刻不容缓的事。

1 智慧校园需求分析

智慧校园是现代互联网信息技术和教育模式的结合，以物联网为依托，为校园环境提供全面的感知层。运用互联网和 AI技术，为教育教学和管理搭建高效、开放、智能的校园平台，智慧校园是未来教育的发展方向。最开始，学校的信息管理并不能进行线上共享，信息化管理还不够完善，各类信息都是相互独立的，它们之间有独立的业务系统，相互之间并不关联。使用的时候，需要通过多个系统进行操作查询，很多信息只能通过线下共享的方式进行传输，这给教育和管理带来了很多的不便。于是很多高校开始追求线上信息共享，建立线上统一数据共享系统，数字校园由此诞生。数字校园的主要目的是线上数据共享系统的构建，将线下信息升级为线上一键共享，建立统一的业务系统，让每个独立的业务可以相互关联，不用再登录多个系统就可以查询和分享数据信息。但是，数字校园依旧只能达到作为辅助的水平，虽然比以往便利了许多，但却没有到不可缺少的地步。

随着网络的升级， 4G、5G的出现，人们的需求也越来越多，数字校园远远满足不了现代人对于网络便捷的需要，后续开始有人提出“智慧校园”。在这个阶段，将实现面向管理的个性化服务，通过物联网和移动通信的便捷，实现物与物、物与人以及人与人之间的相互传输和关联，实现全面智能的开放式教育环境和便携、简单的生活氛围，最终实现对高校教、科、研，以及生活、娱乐、交通、安防等各个方面的精细化管理。

2 智慧校园产品

如今，智慧校园已经运用到从教育、科研、管理、生活等方方面面。例如：

（1）智能校门，通过云数据平台进行管理，涵盖到学校的人事考勤、访客登记、门禁安防等。应用人脸识别技术，在校门口宿舍或其他重点区域等出入口安装闸机或门禁，实现学生刷脸出入，从而有效的提升校园安全管理。全校区刷脸通行，可以从根本上解决校园 IC卡，忘带卡丢卡和冒用他人 IC卡出入的情况发生，提高工作效率，保障校园安全。

（2）手机借书，传统的图书馆借书都需要有借阅证或者学生证，一不小心忘带借阅证就没办法去图书馆自习、借阅了，如今，借助物联网线上通信，智慧校园系统全面对接图书馆系统，通过手机就可以查询到所有的借阅、归还信息，应用人脸技术配合摄像头，学生还可实现图书馆刷脸自助借还书籍，运用人脸技术可解决学生自助结账和图书借阅场景中传统 Ic卡忘带或丢失盗刷的问题，同时可以避免传统的人工排队造成效率低下的情况提升校园生活便利性，大大降低学校的人工管理成本。

（3）智慧教室，相较于传统课堂，学生的学习情况和教学决策智能依赖于老师的个人经验进行判断，而智慧教室可以通过学生的行为和各类数据进行数据统计分析，用更直观的方式全面了解学生的学习情况，从而调整教学策略。另外，传统教室环境比较差，经常一个教室容纳有几十甚至上百人，空气不够清新，灯光昏暗，教室里面，冬天冷夏天热，坐在教室里根本无心学习。而这些问题，通过智慧教室就可以得以解决，因为智慧教室可以根据学生不同时段身体状况，自动检测环境温度、湿度，调节室外景观照明自动设置，为学生提供一个安全舒适的学习环境，将自然因素降到最低。

3 智慧校园云架构设计

根据云计算的服务模式，整个智慧校园支撑服务平台采用云架构，其体系架构图如图1所示。将智慧校园支撑服务平台的体系架构划分为基础设施、平台支撑层、软件应用层。

图1 智慧校园支撑服务平台体系架构

3.1 基础设施层

基础设施层主要包括服务器、存储集群、基础网络、物联网感知设备，构建基础设施设备资源，基础设施层对智慧校园平台和应用提供基础服务支撑，利用云计算的特性，为数据计算提供强大的支撑力，并且可以在不影响上层结构的情况下随时对基础设施层进行扩充和升级。

3.2 平台支撑层

平台支撑层主要包括分布式存储与计算平台、统一身份认证平台、服务访问平台，提供计算和数据服务，为用户注册、单点登录、服务查找、服务注册提供功能支撑，利用云计算的特性，可以做到负载均衡、备份容灾和提供接口服务。平台支撑层是整个智慧校园建设的核心，支撑服务平台提供核心的平台服务，将数据存储、数据计算、用户认证等进行集中的控制和管理，统一为上层应用服务。

3.3 软件应用层

软件应用层主要包括课程管理、设备管理、服务管理、虚拟实验室、电子档案中心、电子文件中心等。通过基础设施层和平台支撑层的支撑，软件应用层构建了智慧校园的智慧学习、校园智慧管理、安防设施、手机借书、AI人脸识别、智慧教室等智慧产品，满足了教学和科研的应用，并为教职工和学生的校园生活提供了便利。

4 智慧校园的实现

在建立好整个云架构服务平台基础上，平台与数据服务支撑已经完成，接下来学校需要对整个学校资源、数据平台、教学场所等进行测试和实验性改造。主要从以下几个方面进行实现：

4.1 网络层面的实现

网络是建设智慧校园的基础，所有的系统和数据都需要通过网络进行传输和运行，没有网络，数据就不能流动，因此，建设智慧校园，没有网络是无法进行的。

（1）校园网的建设。在学校的多个地方，例如教学楼、图书馆、行政楼、学生宿舍、操场、机房等建立多个无线接入点，安装无线路由器等设备，在各个区域搭建无线局域网，使校园的各个终端都可以通过校园网进行链接。

（2）物联网的搭建。物联网的搭建是整个智慧校园的核心。物联网的本质是通过各类传感器对数据进行采集，并集中传输到智慧校园管理终端进行统一处理和分析，所以，物联网是支撑智慧校园数据的重要一环。物联网的设备主要有烟雾传感器、红外传感器、空气传感器、雨水传感器、智能摄像头、智能开关、物联网网关、温度传感器、湿度传感器、亮度传感器等，通过各个传感器收集的数据，经过物联网网关接入智慧校园平台，从而实现智慧教室、身份识别、门禁安防、手机借阅等动能。

（3）网络融合。在学校数字化校园的基础上，利用物联网人脸识别、AI技术，通过互联网进行高效互联，从而在学校原有的基础上打造升级成智慧校园。另外，通过增加无线 AP、网络终端，提高校园带宽，使校园内的各种终端都可以畅通无阻的连接校园网络，实现校园的高效沟通。

4.2 系统功能的实现

在整个智慧校园的设计规划、云架构确定下来后，接下来需要对整个智慧校园的各个功能模块进行实现。下文将以智慧教室、智慧教学为例。

（1）智慧教室的实现。将教师、学生、智慧平台相互打通成云共享空间，教师在共享空间进行课前备课和上传导学资料，学生通过共享空间进行预习。授课时老师通过扫码获取备课课件并与学生互动教学，课后的作业及习题学生通过共享空间学习测试，整个过程智慧平台将全程收集，并用于教学数据分析。另外，还需对教室环境和设备进行管控，通过传感器对教室的温度、湿度、亮度进行采集，系统根据所采集的数据对温度、湿度、亮度和空气调节系统进行控制，保证整个教室环境的舒适。智慧教室通过红外线，智能开关等方式来远程和智能的管理控制教室内的所有设备。如教室投影仪、显示器、电脑幕布，空调、电风扇，灯光，窗帘、门窗和排气系统。通过环境感知或讲台上的控制终端以及智慧教室管理平台自动或手动的进行设备的调节和开关，真正做到人来即开，人走即关，节约能源。

（2）智慧教学的实现。智慧校园最终目的以教学服务为主，通过线上教学和线下教学相结合，实现智慧教学的目的。首先，利用云架构、物联网技术和搭建的基础设备设施，将学校所有的资源进行整合，搭建一个线上访问共享平台，让学生和教师可以通过线上平台登录访问教育资源。教师可以将平常上课的笔记、教学资料、PPT课件、录播课以及课后作业上传到线上系统平台，学生可以通过自己的账号，在电脑或者手机上随时随地进行登录查看，从而实现智慧教学的目的。