智慧校园中物联网环境的建设与应用

孙振楠

（江苏联合职业技术学院镇江分院，江苏 镇江 212013）

0 引 言

物联网技术具有全面感知、可靠传输的特征。物联网环境在智慧校园中的建设与应用中，在智慧校园具备的数据处理能力基础上，聚焦智慧校园现有数据通信信道的打通，教与学活动中数据的精准采集，为学校多层面、多样化的发展、分析学业成绩背后的原因、帮助教师确定有针对性的教学策略、实现个体化教育提供数据基础。此外，智慧校园物联网环境架构的设计及相关应用的开发，为新技术在智慧校园中的应用提供了模型参考及实践指导。

为了提升学校信息化环境，适应新一代信息技术的发展，各类学校根据自身发展的需要有序开展智慧校园建设工作。在数字校园基础上建设的智慧校园，其基础设施包括全面覆盖的有线网络与无线网络、全面共享的数据与综合信息服务。目前，虽然智慧校园的硬件平台与相应的软件平台已经搭建完成，系统已经投入运行，但与预期的效果相比还有较大的差距。智慧校园的建设与应用存在着硬件与软件投入、系统建设与系统在教学活动中实际应用的矛盾。本文基于智慧校园建设工作，借鉴国内外先进的平台建设技术，结合教与学活动研究与分析智慧校园中的物联网环境，对现已完成的建设内容进行诊断与改进，依托物联网技术，从数据通信信道打通、数据精准采集的角度，对亟待解决的教学与学习支撑平台进行方案设计与应用建设。

1 智慧校园建设现状

2016年，教育部将“智慧校园”纳入《2016年教育信息化工作要点》[1]。目前国内外智慧校园的发展趋势主要集中在以下几个方面：全面信息化，营造社交型学习氛围；利用云计算技术，提供便利学习空间；随时随地智能化教学和管理；大数据为学生量身打造学习计划、分析学习行为；基于物联网技术构建智能校园；使用可再生能源，实现校园节能减排；构建传感互联的可监控校园，实现安全校园。

1.1 智慧校园中的数据问题

智慧校园的建设过程中，在技术上面临的主要问题有数据处理的问题和数据获取的问题。因学校发展需要，学校不同的部门在不同阶段建设了不同的管理平台，如学习资源管理平台、学生管理平台、教务管理平台、后勤管理平台和师资管理平台等[2]。由于数据源头较多，缺少统一的数据标准与规范，导致数据格式不尽相同、数据整合与处理困难。在数据处理问题上，为了整合各部门数据，解决平台不兼容、数据不统一等问题，宋苏轩等人通过云平台构建一站式服务中心、数据中心和认证（注册）中心实现了业务流程整合、数据统一规划治理[3]；邓嘉明等人以数据聚合为核心改变了传统数据的紧密耦合方式[4]。随着数据处理问题的解决，数据的获取不再受到约束，物联网技术具有全面感知、可靠传递等特征，物联网技术在智慧校园中的应用将传统的人与人之间的信息传递扩展到人与物、物与物，在数据获取方面实现了全面感知，为智慧校园的决策分析提供了数据支撑。

1.2 新技术在智慧校园中的应用

在此通过中国知网按主题“智慧校园”进行检索，设置查询时间为2015年1月1日—2020年12月6日，分析近5年关于智慧校园的高频关键词，出现频次见表1所列[1]。近5年知网所收录的关于“智慧校园”的文献共3 022篇，通过词频分类，合并同义关键词，最后得到7个与技术有关的高频关键词，排在前三位的高频关键词分别是“大数据”“物联网”和“互联网+”。通过共现矩阵分析，3 022篇文献中，“智慧校园”与“物联网”同时出现的频次为158次，如图1所示。

图1 共现矩阵分析图

表1 智慧校园研究的高频关键词表

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。物联网通过多网互联的通信技术保障传感层设备采集到的数据可靠、稳定的传输，供上层应用智能处理，具有全面感知、可靠传递、智能处理等特征[5]。本文在智慧校园建设过程中研究物联网环境，以物联网为基础设计整体架构，充分集成现有的信息化资源，打通数字通信信道，实现人与物、物与物相互关联。通过相关物联网应用的设计，在教与学活动中完成多项任务，调动教师应用新技术的积极性，使其成为智慧校园的重要组成部分；探究智慧实验室对不同专业、不同实验的环境影响，跟踪学生的实验过程、实验结果；采集学生、教师个性化数据，改变教师的教学方式和学生的学习方式，培养学生与时俱进的创新精神和信息化素养，探索物联网环境在智慧校园建设过程中的应用价值。

2 智慧校园物联网环境架构设计

智慧校园物联网环境架构的设计以现有智慧校园为基础，依据信息规范与标准和物联网的感知层、网络层和应用层三层架构打通智慧校园数据流通信道，如图2所示。现有智慧校园包括统一的基础设施平台、共享数据平台、基于多网融合的新型网络监控与管理系统、IC卡与手机融合的综合校园卡应用系统、面向信息服务的各类应用系统[6-7]。

图2 基于物联网智慧实验室架构

智慧校园物联网环境的感知层根据接入系统“物体”的特点，包括NFC标签、多媒体设备、校园卡、射频读写器、教学抢答器、二维码、RFID标签、环境监测传感器、联动执行器等物理设备；网络层在基础设施平台上扩展无线射频、ZigBee、NFC、2.4G等通信技术；应用层基于教与学活动的需要，包含环境监测系统、数据分析系统、听课管理系统、多媒体互动系统、学习档案记录系统、图书管理系统、实验室预约系统、资源共享平台、德育管理系统、实验设备管理系统、教务管理系统等。在基础设施方面，针对目前学校中的传统管理方式，从安全、节能、高效、舒适4个方面，设计基于物联网的学校设施监管系统，通过硬件和软件的精选和设计，实现设施的全程监控、智能管理，提高设施的服务效率。

3 物联网环境的建设与应用

智慧校园中的物联网环境实现物物相连、人人相连，对接入的“物体”数据实时采集，精准获取学生、教师个性化数据，为使用大数据技术分析数据，为学校多层面、多样化的发展、分析学生学业成绩背后的原因、帮助教师确定有针对性的教学策略、实现个体化教育提供数据基础。

3.1 智慧实验室建设

实验室作为学科时间与探索的重要场所，传统的管理方式局限于设备管理、使用人员管理。智慧实验室随着智慧校园的发展而兴起，突破传统管理方式的局限，实现实验数据与各平台的对接。基于物联网的智慧实验室，在实验数据采集的基础上融合了实验环境数据的采集，监测实验室内温湿度、光照、二氧化碳等环境数据，跟踪实验设备使用情况、所处位置。通过对采集到的数据进行综合分析，为探究实验室内环境对不同专业、不同实验结果的影响，同时在实验室环境一定条件下，分析实验操作者的操作行为对实验结果的影响打下基础[8]。

利用RFID定位技术有效管理可外借实验设备，将实验设备接入网络，通过分类、编目，使实验设备像图书一样管理。通过检测每次实验的结果，教师端平台通过比对每次实验的结果，判断设备是否损坏等情况，对实验设备的借出实现可追溯管理，提高实验设备的使用率。

3.2 自动测评物联网实验平台开发

自动测评的桌面式物联网实验平台模拟物联网应用场景，如智能家居、智慧商超、智慧小区等，是物联网技术的落地应用的展示平台。平台有助于普及物联网技术应用，通过物联网设备选型、布局、安装、连接等操作自动评分功能，评定学生的实验质量。平台包括实验工位、计算机、设备套件、移动端APP、PC端软件、自检模块，平台结构示意图如图3所示。平台通过实验综合管理系统采集、分析学生操作数据，并将分析结果及实验质量通过PC端或手机端反馈给学生。系统功能模块包括：登录模块、题库管理模块、用户管理模块、答题模块、自动判分模块、成绩查看模块和答题分析模块。

图3 物联网自测平台结构示意图

3.3 校园手环设计

校园手环作为智能穿戴设备，其集成校园生活中的门禁识别、刷卡消费、名片交换、运动记录、时间查看、信息系统身份识别等功能，具有便携、智能、操作简单、美观和时尚、可以方便的与移动设备进行通信等优点[9]。校园手环作为学生、教师在校期间的身份标识，通过对手环日常数据收集、分析，形成学生与教师的个性化数据采集、分析，进而实现教学精准化建议、学生行为的过程性监测。手环上的课堂抢答模块便于记录学生答题情况，形成学习档案记录，完善课堂教学智能化，为多元化评价反馈，最终形成课程学习记录提供依据[10]。

3.4 听课预约系统开发

根据教师听课预约机制，开发听课预约系统，以解决教师扎推听课、影响课堂效果问题。听课预约系统根据教师的专业、所任教学生的专业智能筛选、排序，预约成功后生成二维码。听课前扫描二维码签到，听课后，通过二维码入口实时上传听课评价。系统中的NFC标签方便修改手机情景模式，免除了忘记修改静音模式带来的听课影响。

4 结 语

物联网具有全面感知、可靠传递的特征，智慧校园中的物联网环境有效地打通了数据流通途径。在现有智慧校园基础上建设智慧实验室、自动测评物联网实验平台、校园手环、听课预约系统，贯穿教师的教学活动过程、学生从入校到毕业、从学期开始到学期结束、从课堂开始到课堂结束的过程，精准采集教师、学生的个性化数据，为大数据技术的数据智能处理提供了数据基础。