低功耗广域物联网在高校智慧校园中的应用研究

曹红芳，王 青，步宏飞

（1.河海大学 基建处，江苏 南京 211100；2.江西赛特智能科技有限公司，江西 鹰潭 338000）

0 引 言

2018年6月，国家市场监督管理总局中国国家标准化管理委员会发布了《智慧校园总体框架》，对智慧校园的总体架构及建设进行了明确规范。这标志着高校智慧校园的建设有了统一的国家标准文件指导，高校智慧校园的建设进入一个全新快速发展的阶段。物联网是现代社会互联网技术飞速发展的产物，实质上是一种实现物品和物品有效连接的网络[1]。将物联网应用到智慧校园中，势必将显著地提高校园的智慧管理能力及办事效率，进一步加强师生间及同学间的相互交流，为其提供更加便捷、高效的智慧化服务[2]。

1 高校智慧校园物联网建设的现状和问题分析

1.1 高校智慧校园物联网建设的现状

全球物联网正从碎片化、孤立化应用为主的起步阶段进入“重点聚焦、跨界融合、集成创新”的新阶段，市场快速启动，在诸多领域加速渗透，物联网正处于跨越式增长的前夜[3]。高校智慧校园是指以促进信息技术与教育教学融合、提高学与教的效果为目的，以物联网、云计算、大数据分析、人工智能等新技术为核心技术，提供一种环境全面感知、智慧型、数据化、网络化、协作型一体化的教学、科研、管理和生活服务，并能对教育教学、教育管理进行洞察和预测的智慧学习环境。高校智慧校园具有互联性、智能化、交互性、移动性、开放性、共享性等特点[4]，主要有三个核心功能：一是为广大师生提供一个全面的智能感知环境和综合信息服务平台，提供基于角色的个性化定制服务；二是将基于计算机网络的信息服务融入学校的各个应用与服务领域，实现互联和协作；三是通过智能感知环境和综合信息服务平台，为学校与外部世界提供一个相互交流和感知的接口。

高校智慧校园旨在打造一个智能的校园工作、学习和生活一体化环境，这个一体化环境以各种应用服务系统为载体，将教学、科研、管理和校园生活进行充分融合。高校智慧校园是在数字校园的基础上发展起来的，是数字校园发展的高级阶段。数字校园解决了校园管理的电子化、信息化和网络化的问题，但是智能化的校园管理需要更多的动态化信息和数据，并且需要将范围扩展到校园内的万事万物和每一个角落。物联网技术将现实世界与虚拟世界融合到一起，进一步推动人类社会信息化和智能化发展，能够为人类提供更加智能的生活环境和更加精细的管理方式[5]。高校智慧校园的建设与时下物联网技术的高速发展密不可分，其需要通过物联网技术去连接各类人员、设备、物体和环境，进行实时动态的各类数据采集和信息通信，从而实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理，这样才能真正实现智慧校园一体化智能感知环境和综合信息服务平台的目标[6]。

经过近几年的发展建设，当前高校智慧校园中物联网实际部署应用的方案已经有很多，技术上主要是通过两大方面来实现。一方面是对原有的传统有线数据采集方案的改造利用，通过打通数据接口利用有线网络或WiFi等无线通信技术转发数据采集终端的各类数据，上报到高校统一的综合信息服务平台，实现大数据的收集、分析和利用。另一方面是通过引入部署新的无线传感器物联网数据采集方案，实现对传统有线方案的替代或全新应用场景的拓展。这些新的无线传感器物联网采集方案的各类数据采集发送，涉及到的常见无线通信技术主要有RFID、WiFi、ZigBee、蓝牙、3G/4G等。这些无线通信技术相对比较成熟，在市场上也已经有很多消费类和工业类场景的应用。把应用场景扩展到高校智慧校园里，可以快速实现开发部署和应用，促进高校智慧校园的建设。较为常见的典型应用场景主要有：利用RFID技术实现的校园一卡通，在食堂、校园超市、浴室、水电卡、图书馆借阅、上课考勤等场景的应用，利用WiFi、ZigBee、蓝牙等技术实现的建筑物室内照明管理、实验室用电设备安全管理、能耗监控等场景的应用，利用3G/4G技术实现的校园视频安防监控等场景的应用。

1.2 高校智慧校园物联网建设的问题分析

大部分高校早已经实现了数字校园的建设，特别是近几年随着大数据、云计算、人工智能的发展，数字校园的建设也都得到了很大提升。在往智慧校园建设转型的过程中，物联网作为重要的核心基础和数据来源被广泛运用。很多高校虽然已经部署和实施了很多的物联网方案，但是这些方案在场景上和实际的智慧校园对于数据的需求全面性上还不够丰富，已经部署和实施的很多物联网方案在功能、性能、成本、可维护性等方面还有较大需提升的空间，这些都大大限制了智慧校园的智能化建设和效能发挥。终上所述，当前高校智慧校园物联网建设中的问题主要有以下两大方面：

（1）传统有线通信技术部署方案。有些本身已经具备了数据采集和通过有线网络发送数据到服务器平台的功能，有些则需要适当加以改造，打通数据接口通过有线或无线的方式将数据发送到服务器平台。这两种情况的借助传统有线通信方案实施的物联网应用，在高校智慧校园物联网建设中的推广应用都会由于有线通信采集数据的原因带来一定的落地困难，部署和施工难度大，后期改造维护也比较麻烦，而且在某些区域由于不具备有线部署的条件，还无法实施应用，造成在高校智慧校园物联网应用中的推广局限性。

（2）传统无线通信技术部署的方案，在性能和适用性场景上也存在一些局限性。例如WiFi、3G/4G等无线通信技术的物联网方案一般功耗都比较大，因而很多需要外部有线供电，导致部署和施工难度大、综合成本高、维护麻烦；也有一些WiFi、3G/4G通信的方案虽然使用了电池供电，但是较大的功耗导致电池寿命续航时间短，往往每隔几个月或不到一年就要更换电池，导致后续的维护成本高和工作量增加。此外，还有一些传统无线通信技术的传输距离比较近，例如RFID一般只有几厘米到几十厘米，蓝牙有几米到几十米距离，WiFi也就几十米到一百米之间，而国内大部分高校的校园面积都在几百亩到几千亩之间。这些无线通信距离较近将导致很多时候无法实现整个校园范围的深度覆盖和数据可靠稳定上报，从而导致智慧校园物联网应用场景丰富性不够，有时候就只能通过增加物联网终端传感器设备的数量去弥补覆盖率的问题，因此方案的综合成本高，后期远程升级维护也会比较麻烦。ZigBee无线通信技术在智能家具领域已经比较普遍成熟，虽然总体功耗比较低，通过中继组网的方式也能实现几百米甚至1 km以上的通信距离，但是由于其需要通过中继方式组网，实时性和多终端传感器数据并发应用时就会比较困难，不便于规模化应用，综合部署成本也相对较高。

2 低功耗广域物联网技术介绍

物联网被认为是继计算机和互联网后世界信息技术发展的第三次浪潮。物联网是伴随着各类传感器技术的发展和互联网技术的普及而诞生的，一般由感知层、网络层、平台层和应用层组成[7]。物联网与云计算、人工智能和大数据分析的结合，可以为人类社会的发展带来深远而巨大的影响。图1所示为全球物联网的联网设备数量及预测，从图中可以看到自2013—2020年，全球物联网的联网设备数量持续增长，特别是自2016年以来随着低功耗广域网技术的出现和普及更是呈现爆发式增长。

基于前文的分析可知，传统的有线或无线通信技术物联网方案有其自身的价值和优势，但是在很多智高校慧校园里的场景应用中都存在功耗、传输距离、规模组网等方面的局限性，因此需要寻找一种新的无线通信物联网解决方案，能够同时满足以上要求。低功耗广域网技术的出现刚好能很好的解决这些问题。

低功耗广域网是近年来出现的面向物联网应用的一种低功耗、远距离无线通信技术，LoRa、NB-IoT是其中的典型代表。低功耗广域网技术的特点主要有：首先，传感器节点模块功耗非常低，大部分场景下只需要一块几千毫安时的电池就可以实现3～5年的电池续航使用寿命，某些场景下甚至可以达到8～10年。这对于很多的物联网应用场景就显得尤为重要，因为在整个方案部署实施后，几乎整个产品的生命周期都不需要更换电池，带来后期人力维护成本和电池更换成本的双重节约。其次，通信传输距离远，通常低功耗广域网技术的物联网传感器节点到网关或基站之间的无线通信距离在城市区域可以达到2～3 km，在市郊或空旷区域可以达到5～10 km，这一优势使得在高校智慧校园应用时可以轻松覆盖整个校区。再者，低功耗广域网技术可以实现规模化组网应用，而且使用的是星型组网技术，组网结构简单，运行维护方便。因此，将低功耗广域网技术应用到高校智慧校园物联网建设中具有非常重要的价值，其低功耗、远距离、规模组网方便的特点可以带来综合成本低、部署方便、远程升级和维护方便的好处。

3 低功耗广域物联网在高校智慧校园建设中的应用

3.1 在高校教学和科研管理中的应用

传统的有线或无线物联网技术如RFID等在教室考勤、图书馆人员进出、图书管理、教学楼及实验室门禁等很多常规场景已经有很多应用[8]。这些方案相对比较成熟，而且成本低，但是需要人工手动打卡，有时候容易忘打且打卡后进出教室无法实时识别。可以将低功耗广域网技术引入到手环或胸卡类电子标签的RFID探测器中，将传统的RFID探测器改造成RFID+低功耗广域网技术的产品，每次进出教室均通过门口的新探测器自动识别并实现数据的无线远程传输，这样可以提升管理效率和增加教学类实时动态大数据的收集、分析。比如优化课堂纪律、统计某些公共选修课的出勤率和课程受欢迎程度，对教学起到闭环反馈，帮助老师和教务处提升教学质量和教学改革。此类方案也可以拓展应用到图书馆的人员进出和图书管理中，既可以统计图书馆的人员进出量，也可以对未登记的图书被误带出图书馆区域进行实时监测和提醒。

低功耗广域物联网技术可以用于高校仓库或实验室资产盘点和资产进出管理。目前很多高校实验室的资产盘点和管理还是使用人工的方式，效率不高且盘点困难。引入低功耗广域网技术后，可以在每个资产设备上贴装一个RFID标签，同时在实验室的进出口处固定安装RFID+低功耗广域网技术的探测器。这样每次进出实验室的资产会被固定式探测器自动检测并实时上报系统，方便资产的进出自动实时管理。定期的资产盘点可以利用移动式探测器，高校实验室不同区域之间经常会借用仪器，特别是没登记的借用会造成定期盘点寻找的困难，利用移动式探测器走一圈，可以捕获接近1 m范围内的资产信息，从而提高盘点效率。

低功耗广域物联网技术也可以应用到科研实验过程中，通过电压电流或震动类传感器进行数据的实时检测，自动判断实验是否被中断并发出告警，做到及时发现并干预恢复。低功耗广域物联网技术还可以帮助实现实验数据远程采集和远程发送指令调整实验方案，提高实验效率和安全性。此外，低功耗广域物联网技术还有很多的其他应用场景和价值，例如实验室过程中的产品或设备温度异常检测、实验仪器或重要资产异常移动告警、环境温湿度监测、易燃易爆或有毒气体的实时检测及告警等。

3.2 在高校校园生活和安全管理中的应用

物联网技术可以实现对校园周边环境的实时观察监视，有效排除各类不稳定因素[9]。在高校校园生活物联网应用中，传统的有线或无线物联网技术如RFID已经实现了宿舍、食堂、超市、浴室、教学楼、以及公共校园区域等场所的一般性消费类应用，基本都可以满足实际运行的需求，而且方案也比较成熟和普及。但是在高校校园生活的能源管理应用中，低功耗广域物联网技术有其独特的优势。例如，将低功耗广域物联网技术应用到高校室内照明特别是楼道照明和校园里室外路灯的场景中，可以利用环境光线、声音传感器，自动联动到相关照明设备的电气控制或调光模块里，实现远程的照明开关、调光、故障监控告警和用电量数据收集。由于此类低功耗广域技术的物联网传感器功耗低，可以使用电池供电无线部署，而且大部分情况可以在已有照明设施上加装传感器模块即可，不需要重复已有设施建设，因而方案部署简单，远程监控和维护方便，综合成本低。高校教学楼、实验室、图书馆、宿舍、食堂等很多室内区域都装有空调，经常会发生忘关空调或空调温度设定不合理导致的能源浪费。通过引入低功耗广域物联网技术，在室内加装相应的温度传感器实时监控室内实际温度并无线远程传输到管理平台，再结合平台收到的区域内视频或红外监控数据进行人员判断，就可以实现空调忘关管理和温度设定合理性管理，避免能源浪费。

在高校校园的安全管理中，除了常见的RFID门禁类应用和基于3G/4G视频安防监控类应用，车辆以及停车位管理工作量庞大且复杂，一旦管理不及时或不到位还会引发安全事故。因此可以在进入校园的自行车和汽车上装基于低功耗广域网技术的物联网电子标签卡，借助其低功耗、远距离传输和易规模组网应用的特点，一方面可以作为进出校园的身份识别和频次统计，另一方面可以结合定位技术对各类车辆进行定位管理查询和乱停乱放管理，维持校园管理和秩序。此外，还可以实现精细化管理，设定电子围栏，对校园内某些不允许机动车驶入的区域，可以进行实时监测和管理，提高校园安全管理的水平。

在高校建筑物里安装烟感、明火、水浸等传感器可以实现室内安全管理，并在参数超标后进行报警信号的发送和应急设施的启动，从而有效减少灾害的发生。利用低功耗广域物联网技术实现的此类物联网传感器，其电池供电方案比传统的有线方案部署方便高效，信号稳定和传输距离远可以提升告警实时性和有效性[10]。高校内某些安全门或特定区域常闭门的管理，要求长期正常状态下不能有打开进出，一旦有异常打开，需要及时告警并通知相关人员到现场查看，借助电池供电的低功耗广域网技术无线门磁传感器，可以实现这类应用。

3.3 在高校校园设备预测性维护中的应用

高校校园里有很多的重要设备设施需要长期稳定正常运行，一旦出现故障或异常，将导致很大的安全问题和经济损失，如空调外机故障、配电房变压器故障、水泵故障、有害气体风机排放故障、重要科研仪器设备故障、水管或气体管道压力异常等等。将低功耗广域物联网与边缘计算人工智能技术结合的智能设备预测性维护传感器，有功耗低、传输距离远、部署简单、远程维护方便等优点，可以大大提高本地处理的智能化水平和响应速度，降低人工成本，降低设备故障造成的安全事故、财产损失和维修费用，进一步提升高校智慧校园建设的综合管理效果和水平。

4 结 语

低功耗广域物联网技术因其低功耗、远距离、规模组网的特点，非常适合高校智慧校园的物联网应用中的很多场景。当然每种技术都有其自身的特点和适用性，例如RFID在校园的食堂、超市、图书馆等场景的应用就非常普及和成熟，3G/4G在校园安防视频监控领域的应用也非常匹配。低功耗广域网技术由于其传输的数据字节数一般不大，因此对于视频监控类数据传输量大的应用场景，还是WiFi或3G/4G比较合适。在推进高校智慧校园物联网建设的过程中，应该客观合理的根据各类实际应用场景选择合适的物联网技术，只有这样才可以充分发挥各种物联网技术的优势和特点，进而推动高校智慧校园的建设并发挥其应有的综合价值。