基于物联网的智慧校园顶层架构设计

车 辉，王 莎，杨 波，邢慧芬，樊玉琦

（1.湖州市织里镇公共事业服务中心，浙江 湖州 313008； 2.湖州师范学院医学院，浙江 湖州 313000；3.中国移动通信集团山西有限公司太原分公司，山西 太原 030000； 4.巢湖学院 信息工程学院，安徽 合肥 238000；5.合肥工业大学 计算机与信息学院，安徽 合肥 230009）

0 引言

传统教育以灌输式教育方式为主， 枯燥呆板。填鸭式、被动式的学习方式令学生生厌，单一的学习方式也使学生无法获得优秀的学习资源。同时由于缺乏高质量的教育平台和教学资源，造成了城市与农村教育严重失衡，存在教育不公平现象。 随着教育的发展，传统教育也向以学生为中心、泛在学习、高效沟通、资源共享、实时互动等多种方式融合的现代化教育方向发展， 我国教育信息化迫在眉睫。 国务院在《国家中长期教育改革和发展规划纲要 （2010-2020 年）》、《2014 年教育信息化工作要点》中明确了教育信息化的发展目标，推动智慧教育[1]的建设。

智慧校园[2]是推动中国智慧教育发展的主力抓手，是“三通两平台”应用的具体体现。 智慧校园通过利用大数据[3]和物联网[4]等DICT 技术，增强学生和教师交互能力，实现学校产学研及应用系统有效整合，提升各系统资源交互明确性、响应及时性和灵活性，实现校园管理和服务智能化。

1 智慧校园整体系统架构

智慧校园系统架构分为IT 基础层、数据层、支撑层、应用层和展现层。其中IT 基础层是实现资源互联互通共享的基础，位于“三通两平台”建设系统的最底层，负责数据的采集和传输；数据层包括计算资源、网络资源、存储资源、安全资源，用以实现数据的存储和安全管理； 支撑层承担数据交换共享、运维管理、云服务中间件、云聚合中间件、大数据分析等功能，同时对外提供统一认证和接口开放等；应用层通过智慧校园的各种应用来实现教育信息化、智慧化，是“三通两平台”的具体呈现；而展现层通过Web、微信公众号、手机APP 等手段向用户呈现具体的应用成果。 智慧校园的系统架构如图1所示。 智慧校园的顶层架构包括应用层和用户层。

图1 智慧校园系统架构Figure 1 Smart campus system architecture

2 校园综合信息平台架构

智慧校园综合信息平台提供包括教育资源中心、办公自动化、教务管理、校产管理、综合评价、课堂教学研究（资源和视频公开课）、家校互动、教育APP 等多项功能服务。智慧校园综合信息平台的功能架构如图2 所示。

图2 智慧校园综合信息平台的功能架构Figure 2 Functional architecture of smart campus comprehensive information platform

2.1 教务管理

该系统主要包括学生、教职工信息管理、数据统计分析及查询功能。 学生信息、教职工信息数据采集与处理为建设数字化校园的基础， 为后期统计报表分析、 数据智能挖掘以及计算机辅助决策等教育信息化服务提供强有力支撑。

2.2 智慧校园办公系统

智慧校园办公系统依托智能工作流引擎，定制个性化业务流程，满足学校公众信息发布、办公及公文流转、行政管理审批等多维度办公需求，切实加强学校与基地、学校各机构间、教职工之间的工作协同，提升教务和校务两个方面的效率。

2.3 评价系统

评价系统基于其他系统生成的数据，其涉及了教学、实验、科研、素养等各个方面。 评价系统是利用大数据分析产生的结果， 避免了人为因素干扰，因此能够保证评价的公平公正。评价系统分为学生评价系统和教师评价系统。

2.4 校园资产管理

资产管理系统是对学校的各种资产通过软件系统进行管理，同时根据基础数据形成资产汇总报表、资产台账、设备使用率统计报表等，以实现学校各单位的资产信息化管理。

2.5 智慧教室系统

智慧教室为日常教学提供智慧课堂技术平台，系统模块对应课前、课中、课后等全面教学环节，兼容智能移动终端、PC、智能教具等各种终端设备。 智慧教室系统包括微课录制系统、教师备课系统、互动课堂系统、电子书包系统、教室设备管理模块等，其功能架构如图3 所示。

图3 智慧教室系统的功能架构Figure 3 Functional architecture of smart classroom system

2.6 教学资源中心

通过教学资源共享库， 可以实现对精品课程、媒体素材、文献资料、案例、试题库、实训视频、网络课程等教学资源的统一汇集、管理、共享和挖掘，消除教学资源的“信息孤岛”现象。

2.7 家校互动平台

家校互动系统是为教师、家长、学生提供无缝远程沟通方式的综合平台，实现家长在线查询学生考勤信息、成绩信息、课程表信息、任课教师信息及学生奖惩信息；手机短信互动，实现通过手机短信获取学生进出校、进出宿舍、学生作业以及教师寄语等信息。

3 智慧教育APP 架构

智慧教育通过手机APP、微信公众号等多种方式实现了移动教学和家校互通，连接了学校、家长、老师和学生， 真正实现了移动互联和泛在学习。APP 共有4 个功能模块，即微官网、微教学、微管理和微家校。其中微官网功能帮助学校快速建立智能移动门户网站，充分展示学校的风采；微教学功能为学生提供海量精品课程和大量同步练习，改善教育教学质量； 微管理功能大大简化学校管理流程，提升教师工作效率； 微家校功能畅通家校沟通渠道，实现家长与教师之间无缝沟通。 智慧教育APP功能模块如图4 所示。

图4 智慧教育APP 功能架构Figure 4 Functional architecture of smart education APP

4 校园智慧管理系统建设

4.1 多媒体教学系统

多媒体教学系统是以多媒体中央控制系统为核心，协同电子白板、投影仪、录播系统等视听设备，融合灯光控制等外设操控为一体的全方位智能化教学系统解决方案。其中智能录播系统支持双高清视频源，能够帮助学校录制课件、通过网络同步直播课件、提供学生课后复习，而且为后期老师听课评课，提供了很好的课件资源。 智能录播系统包括课件录制、智能跟踪、智能导播、课堂直播、后期编辑、课件资源管理等六大功能模块。

4.2 数字化探究实验系统

数字化探究实验系统是计算机信息技术应用到理科实验中去的一种现代化实验装置或媒介， 由传感器、数据采集器、数据分析管理软件和实验辅助器材组成。其中传感器主要负责前端实验量的采集，数据采集器连接传感器， 负责把传感器的模拟电信号转换成数字信号并与计算机进行通信； 而数据分析管理软件则负责数据信号的显示、处理与分析等；另外，实验室还配有专用的实验辅助器材，比如力学实验轨道小车、向心力实验器、机械能守恒实验器、各种电学实验板等。 探究实验室结构如图5 所示。

图5 探究实验室结构示意图Figure 5 Schematic diagram of the structure of the exploration laboratory

4.3 校园安防系统

随着近年来校园暴力事件和突发事件的增加，通过中小学校安防系统的建设来提高校园管理与安全防范，成为各中小学校新的安防需求。 校园安防系统[5]依托物联网、云计算和视频融合技术，时刻注意着校园的一举一动，为中小学校园提供安全保障。 校园安防系统包括视频监控系统、入侵报警系统、电子巡更系统、门禁管理系统和校园消防系统等。 校园安防系统的网络架构如图6 所示。

图6 校园安防系统网络拓扑图Figure 6 Network topology diagram of campus security system

4.4 校园数字广播电视系统

校园数字广播系统由控制中心、传输网络和终端设备三部分构成。校园数字广播系统主要实现播放广播体操、眼保健操、通知及上下课铃声、英语听力教学、考试等功能。 校园电视系统由节目源接收和编码、网络电视管理和客户端等三部分组成。 系统基于校园网，依托硬件部署方式，实现视音频文件的精确同步和实时编码，并可通过卫星、互联网等多种媒介，对大型会议、重要校园活动、名师讲座等进行直播，实时录制、保存并发布至资源平台，实现回看与共享功能，用户通过浏览器或者移动终端APP 即可收看。

4.5 校园一卡通系统

校园一卡通系统主要由系统平台和各种应用系统组成。 系统利用校园网络，通过感应式射频IC卡，实现了身份鉴别、电子支付等功能，同时实现架构在此平台上的应用系统数据共享功能。校园一卡通系统有效地连接了在校师生和智能校园， 实现“一卡在手，走遍校园”目标。

4.6 校园能耗管理系统

校园能耗管理系统[6]通过对校园内的办公楼、教学楼等建筑和场所的水、电、气等能源资源的消耗情况信息与数据进行采集、分析和处理，并实时监控管理，为能源部门的决策提供支持。 通过实施校园能源管理系统可以实时掌握能耗数据、转变能源管理模式、提高能源监管水平、发现有效节能机会、评估节能改造效果。 校园能源管理系统架构如图7 所示。

图7 校园能源管理系统架构Figure 7 Architecture of campus energy management system

5 结语

中小学基础教育通过“三通两平台”的建设，消除了传统教学的弊端， 推动了教育信息化的发展，同时克服了教育不公平的现象，有效推动了教育事业的发展。 智慧校园通过校园综合信息平台建设、校园智慧管理系统建设、智慧教育APP 建设，并结合大数据分析技术，实现了对学校管理的科学分析和决策；通过智慧教室系统建设、探究实验室建设，推动了教学信息化、智能化、现代化，使翻转课堂成为现实。 通过校园广播电视系统建设，实现了教育信息发布现代化、多样化；通过校园安防系统、校园能耗监控系统实现了平安校园、 绿色校园的建设。总之，智慧教育（基础教育）以智慧校园为抓手，以教育公共资源库为中心，真正实现了教育资源的校校通、班班通、人人通，推动了无处不在的泛在学习、透明高效的教育管理、和谐稳定的绿色校园和丰富多彩的校园文化建设。