窄带物联网在智慧校园建设中的应用探索

□纪明明 刘礼文 陈明武 唐桂林

物联网是以Internet为基础的拓展和延伸，它是Internet对网络中物体控制的发展方向，物联网是互联网的换代网络，既能提供互联网的全部功能和服务，又能兼容原来的Internet，还能实现万物的互联互通。物联网是真实的，而Internet是虚拟网络。希望打造一个随时都可以收集物体所有数据的网络世界，物联网通过射频识别设备、传感器、GPS定位设备、等信息传感设备，按照既定的协议，把网络中的物品与Internet连接起来，进行信息交换和收集，从而实现对网络中的物品的识别、定位跟踪、和监管的一种智能化网络。

窄带物联网成为物联网发展的一个重要分支。全称为：Narrow Band Internet of Things，简称：NB-IOT，窄带物联网是基于蜂窝网络通信，只要消耗极小的带宽，就可以直接实现基于GSM或基于LTE的网络部署，设备的部署成本能够得到极大的降低、同时还可以能够实现平滑升级。窄带物联网作为物联网发展的一个新兴技术，窄带物联网支持超低功耗设备的蜂窝数据连接广域网。

一、窄带物联网在智慧校园中的应用

窄带物联网的构架体系一般而言，窄带物联网主要应用在智慧校园的三个要应用层面，通过窄带物联网设备和智慧校园管理系统的软硬件有机结合，组成窄带物联网智慧校园管理平台，通过对智慧校园的三个层面的精确控制管理，将智慧校园进行整合，将窄带物联网真正处于智慧校园的核心，为智慧校园的运营提供强劲动力。

(一)智慧校园的全面感知。窄带物联网通过遍布在校园各个角落和物体上的各种各样的传感器，以及由它们组成的无线传感网络，来感知整个校园区域。感知层主要的任务是对各种校园信息进行搜集和感知，如通过传感器测量校园周边环境，如温湿度、光照强度、PM2.5浓度，噪声强度等，为校园营造一个良好工作学习环境，对校园资产设备运行状态进行二十四小时监控，以达到对校园资产运维的精确管控。通过无线通信网络与因特网的融合网络，实时准确地将获取的海量校园信息上传到智慧校园管理平台，充分利用云计算和大数据技术对海量的校园信息进行分类、数据聚合和智能处理，感知层是智慧校园的基础。

(二)智慧校园的网络层。智慧校园的网络层主要是通过移动通信网络和互联网等基础的网络设施，对来自校园感知层的海量数据信息进行传输和接入，以实现对校园信息的传输功能，网络层主要采用能够接入各种异构网络的设备，如接入移动通信网网关、接入Internet网关等，由于这类设备都具有比较强的硬件支撑能力，可以采用相对比较复杂的协议进行设计。

(三)智慧校园的应用服务层。根据智慧校园不同应用场景和不同设备的需求，感知层的数据通过网络层传递到智慧校园的应用服务层，需要对获得的海量数据进行智能分析和处理，通过采用不同的数据处理逻辑，对传递来的数据进行分类、过滤、删除冗余数据、定位丢失数据，然后对处理过后的质量比较高的数据进一步进行数据挖掘，即从数据库或者信息库中的大量数据中获得有效、潜在有效、新颖的最终可理解的模式，将获得的有效数据通过与同期历史数据进行比较，与目前的校园环境结合起来，通过数据与应用场景的有效关联，针对智慧校园的特点，如固定资产的监管、教学软件系统的运行状态等，可以采用风险分级预警的运行模式，提前制定应急预案，把预警信息实时地上传到管理平台，实现即时的业务反馈和控制，利用仿真将应急预案进行优化，以提供更好的决策依据。

二、智慧校园的物联网应用场景

智慧校园中有很多应用物联网的场景，包括能源管控、资产管理、安全监控等。

(一)智慧校园资产管理。通过物联网电子标签绑定的的校园资产，应用在资产的采购、出库、入库、以及资产盘点的各个环节，节省了大量的人工统计、管理成本，管理效率非常高。

(二)智慧校园能源管控。校园作为能耗大户，对于水、电、天然气需求巨大，传统的人工抄表，损坏保修的管理模式已经不再适合，通过引入接入物联网的智能水表、电表和天然气表，能够对校园的实施能耗进行掌握，对水电气的泄漏事故可以实时的进行维护，最大程度的保障校园中师生的人身安全，同时也避免了能源的浪费。

通过对智慧校园感知层、智慧校园的网络层以及智慧校园的应用服务层的有效整合，提升智慧校园的运营效率，深化业务创新模式、降低业务运行成本，从而实现感知、分析和响应及时感知的一体化物联网运行模式。

三、智慧校园建设中面临的主要问题

基于物联网建设的智慧校园面临的问题，例如我国的物联网发展起步较晚，现在仍然处于初期发展阶段，物联网的技术标准体系不完备，制度建设尚未开始，因此在智慧校园建设中面临的主要问题有以下几方面。

(一)数据传输问题。成本问题作为基于物联网建设的智慧校园建设的首要问题，由于智慧校园建设院校包含的对象种类繁多，各个种类的对象的信息感知复杂程度千差万别，因此如果采用使用单一的感知技术，以满足高感知需求的对象作为建设基础，不仅会造成感知成本的浪费，而且会造成信息数据的大量冗余，因此需要运用多种感知技术，根据不同对象的感知需求，采用针对性的感知技术，做到量体裁衣，在满足感知需求的同时又尽量节约感知成本。多种感知技术的综合应用，不同设备网络的标准迥异，互不兼容，数据格式标准不一，迫切地需要一种统一的数据传输技术。

(二)能耗问题。物联网设备的续航问题随着物联网新技术发展和物联网设备数量激增变的越来越引起关注。随着物联网的发展,物联网设备对于电池的需求量越来越大，全球每年消耗的电池数量高达数十亿颗，数量庞大的废弃电池会严重污染环境。基于物联网建设的智慧校园物联网设备众多，对电池的需求巨大，因此如何保障设备续航的同时提前解决电池污染问题、迫切需要采用超低耗能设备技术的设备应用和升级。

四、窄带物联网的技术特点

基于物联网建设的智慧校园中包括有以下技术特点需求的设备。一是设备固定，无需移动，极小上行数据量，对传输时延较为迟钝；二是设备移动性较强，切换频繁，极小上行小数据量。

采用基于窄带物联网的智慧校园可以完全解决智慧校园建设的主要问题，窄带物联网设备功耗低、待机时间长，能够支持对高网络连接设备的高效连接，能够提供全面的室内蜂窝数据覆盖连接。窄带物联网设备电池寿命超长，部分设备甚至可以达到10年甚至更长。

(一)支持设备的海量接入。如在统一基站的状态下，同比与现有技术，窄带物联网技术能够提供超过50倍的设备接入数量，最大能够支持100倍左右的设备接入能力。其中一个扇区就能提供高达十万的设备接入支持，并且能够满足对于延时低敏感，设备成本极低，设备能耗极小以及更加优化的架构网络，而且随着现有窄带物联网技术的不断发展和进步，在不远的将来，整合进入物联网网络的设备会越来越多，需要预留出足够的设备连接能力为日后的迅猛发展提供更加广阔的空间，因此完全能够智慧校园的海量设备接入需求。

(二)超强的网络覆盖能力。窄带物联网具有强大的覆盖力，以校园教室室内信号覆盖强度为例，相比于传统的LTE网络，窄带物联网能够在其基础之上增加约20dB的增益，这就相当于将原有的网络覆盖能力直接提高了一百倍左右，以校园学生宿舍中的水表为例，即使水表处在水井盖之下，丝毫不会影响设备信号的传输，在中国学生众多，一般校园面积都比较大，因此设备对于网络覆盖能力要求特别高，无论是在人头攒动的教室，还是在学生稀少的操场，对于超强的网络覆盖能力的需求都是无处不在的。

(三)极低的设备能耗。物联网设备的功耗作为决定物联网应用的重要指标之一，窄带物联网设备功耗极小，这是由于窄带物联网设备的工作特点决定的，窄带物联网设备工作于较小传输速率，较小的数据量传输，正是由于窄带物联网对传输速率的低要求，才有了设备的低功耗。并且窄带物联网简化了传输协议，通过更加优化的网络组网设计，在很大程度上更加了窄带物联网设备的待机时间，因此窄带物联网设备功耗极小，窄带物联网设备才能具有更长的续航时间，可以大幅降低校园的设备能耗，节能减排。

(四)低成本。超低的设备制造成本，使得窄带物联网具有极大应用前景。每一项新技术的应用，设备成本的高低是直接决定技术能否快速应用先决条件，窄带物联网设备的通信模组成本作为设备主要成本，其制造成本极低，目前一个通信模组的成本不高于30元，并且呈快速下降的趋势，这对于窄带物联网设备的批量采购十分有利，并且依据行业发展规律，三年左右的时间，其通信模组的制造成本能降低到6元以内。这对于目前智慧校园建设中面临的设备采购资金紧张问题，能够的到很好的解决。

(五)超低的设备部署成本。相比于传统网络，窄带物联网可以不需要新建组网，其天线和射频都可以重复使用，随着无线通信技术的迅猛发展，第五代移动通信技术已经迅速在人们的生产生活中应用，以第二代移动通信技术的900MHZ工作频段为例，利用这一频段就可以完全满足窄带物联网设备的部署，不必再耗费新的频段资源，很大程度上降低了窄带物联网设备的部署成本。因此在智慧校园建设中，直接对老旧的校园通信基础设施进行改造，节省大笔的设施建设成本。

总之，在当今信息化技术快速发展的形势下，窄带物联网的技术特点使得其在智慧校园的建设当中能够发挥出极大的优势。窄带物联网技术深入融合到智慧校园的建设当中，为智慧校园的建设提供了更加有针对性的物联网应用场景，例如应用了窄带物联网技术的智慧校园，能够显著提升智慧校园安全防卫的可视化程度，大幅提高智慧校园的安全防卫管理效能，从而在根本上提高校园的安全防卫水平。校园作为人才培养的基地，智慧校园建设已经越来越受到人们的重视，随着大数据技术、移动互联技术、以及云计算技术的不断进步，同窄带物联网技术有机的结合起来，为未来智慧校园的建设提供强劲的发展动力。