物联网技术在高校智慧校园建设中的实践与分析

柯家海,陈志华

(1.广州医科大学,广东 广州 511436;2.广东技术师范大学,广东 广州 510665)

0 引言

随着科技的发展,物联网技术在许多领域中被广泛应用。物联网技术是指通过互联网将物理设备、传感器、软件和网络连接起来,实现设备之间的信息交互和数据共享。物联网技术的发展历程经历了RFID技术、传感器网络、云计算、物联网标准化、智能家居和智慧城市、工业物联网以及边缘计算等阶段,边缘计算是指在数据源头的一侧,采用集网络、计算、存储、应用为一体的开放平台,就近提供服务[1]。在高等教育领域,物联网技术有潜力促进智慧校园的建设,改变教育方式,优化基础设施管理。

1 高校智慧校园建设存在的问题

随着技术的发展,高校教师、学生和行政人员经常面临各种挑战,例如,教学资源的优化分配、能源的有效管理、实时反馈和评估以及有效的安全保障等。这些问题往往会限制高校的运作效率和教学质量。面对日益增长的学生人数和日益复杂的教学环境,高校需要找到更有效的方式来管理资源并提供高质量的教学,实现资源及其业务的融合和共享,促进校园的信息服务综合化和智慧化[2]。因此,高校智慧校园的建设需要解决以下问题:利用物联网等相关技术实现校园的智慧出入管理、智慧停车系统、智慧照明系统、智慧教室管理、智慧实验室管理、智慧图书馆管理、能源管理等。

2 物联网技术在高校智慧校园建设中的应用分析

2.1 应用场景的分析

物联网技术能够为高校提供全面且实时的数据,帮助高校更好地理解并解决这些问题。通过物联网设备自动控制照明、空调等,高校可以实时监测和管理能源消耗,减少浪费。通过智能出入系统,高校可以提高校园管理的安全性,同时也可以跟踪在校人员的动态。通过实时课堂反馈系统,教师可以获取学生的学习情况,从而及时调整教学策略。物联网设备可能会成为被攻击的目标,高校需要采取措施保护这些设备和数据的安全。针对这些应用场景,高校需要在物联网建设的成本、可行性和网络安全性上进行权衡。一方面,这类系统、设备可以提高能源效率,从长远看可以节省大量的运营成本。另一方面,这些系统、设备的初始投资和维护成本可能相当高。

2.2 应用场景的实现保障

尽管面临挑战,但通过适当的策略和技术,高校可以通过采取以下措施进行智慧校园建设的保障。高校要投资足够的网络基础设施,以支撑大量的物联网设备和数据传输,要根据设备数量和数据流量的预测,进行网络容量规划,确保网络带宽和吞吐量能够满足大规模物联网设备的通信需求,并根据实际情况扩容网络带宽和资源。高校要建立网络安全防护措施,包括设备身份验证、数据加密、访问控制、漏洞管理等,采用防火墙、入侵检测和防御系统等技术,监测和阻止潜在的网络攻击和入侵,监控设备状态和漏洞,定期进行物联网系统的安全审计和评估,发现潜在的安全风险和漏洞,及时修复发现的问题。

3 物联网技术在高校智慧校园建设中的应用

物联网平台提供海量设备的接入与管理能力,可以将物联网设备连接到云平台,支撑设备数据采集上云和云端下发命令给设备进行远程控制,根据不同的应用场景,可以快速制定物联网高校智慧校园解决方案,形成一个完整的物联网高校智慧校园构建思路,主要分为设备、物联网平台、具体应用3个部分。

3.1 设备

设备即物联网技术中的感知层和网络层。感知层是物联网体系结构中的底层部分,主要功能是收集、监测和感知物理世界中的数据,并将其转化为可用的数字信息,为上层提供准确、实时的数据基础,以支持物联网系统的各项应用和功能。高校可利用边缘计算网关进行数据的处理,边缘计算网关的核心功能是上下行协议的转换,可以针对不同的设备进行适配[3]。网络层负责将感知层收集到的数据传输到其他层,以便进行进一步的处理和分析。对于各类传感设备,高校可以通过ZigBee/LoRa/RS485等通信方式接入传感网或通过4G/5G/NB-IoT/以太网等多种网络接入物联网平台,并使用MQTT协议将业务数据上报到平台,平台也可以将控制命令下发给设备。

3.2 物联网平台

物联网平台作为承接设备与具体应用的中间服务,承载了抽象的业务逻辑及标准的核心数据模型,实现设备的快速接入,同时提供强大的模块化能力,支撑具体应用场景下的各类需求。处理层的主要功能是接收、处理、存储和管理物联网系统中的数据,并提供数据分析、规则引擎、设备管理和安全管理等功能。应用层的主要功能是解析、处理和应用物联网数据,为用户和应用程序提供实时监测、智能决策等功能[4]。

为实现集中管理和监控大规模的物联网设备,平台提供了设备注册、配置管理等功能,同时还提供了大数据分析和可视化工具,以帮助管理员更好地了解设备的运行情况,优化管理策略。平台通过收集设备传感器数据、运行状态和其他指标,结合数据分析和机器学习技术,可以预测设备故障,使管理员提前采取维修措施,并优化设备使用和维护策略。为实现物联网系统的集成及管理,平台要简化管理流程,降低复杂性,并提供统一的界面和工具来监控和管理各个系统,选择符合行业标准和开放标准的物联网设备。

3.3 具体应用

具体应用即物联网技术中的应用层,通过调用物联网平台提供的API接口,快速构建满足高校智慧校园需求的功能模块。应用层允许用户通过物联网平台或应用程序对连接的设备进行远程控制和管理,可以帮助用户了解和分析数据,实现智能决策和优化[5]。在高校智慧校园建设中,主要有以下具体应用:

(1)智慧出入管理。

物联网技术被用于出入管理,通过安装在门禁处的传感器,配合学生或教师的RFID卡,可以实现快速、便捷的出入管理,同时也能实时追踪在校人员的动态,提高安全性。

(2)智慧停车系统。

智能停车系统可以帮助解决停车难的问题,通过安装在停车位上的传感器,可以实时获取停车位的使用情况。教师通过手机App就能找到空闲的停车位。

(3)智慧照明系统。

通过物联网技术,可以实现照明设备的智能控制。例如,当检测到教室无人时,照明设备会自动关闭,可以有效节省能源。

(4)智慧教室管理。

通过使用标识符实现追踪和管理教室的电子班牌,可实时监测设备状态,包括所在教室编号、教室名称、连接状态、门状态、锁状态、可用状态等,详细情况如表1所示。

表1 智慧教室管理系统信息

(5)智慧实验室管理。

通过物联网设备,高校可以实现实验室设备的远程监控和维护,提高设备的使用效率。通过权限管理,管理人员能够确定可以访问这些设备的人员以及这些设备的使用方法。

(6)智慧图书馆。

智慧图书馆系统可以跟踪书籍和其他资源,在学生想要的书籍可用时通知学生,甚至根据他们的学习模式建议资源。此外,通过自动签入和签出,图书馆工作人员可以更加专注于为学生提供帮助。

(7)能源管理。

物联网设备可用于监视和控制校园的能源使用情况,识别能源浪费的区域并提出减少消耗的方法,如可以根据占用情况和一天中的使用时间控制空调以及实时跟踪用电情况。这就提高了高校基础设施的使用效率,减少了维护成本。

(8)智能自助餐厅。

物联网可用于管理自助餐厅的库存,确保学生需要时始终有食物可用。传感器可以提供最受欢迎的食品信息,有助于减少浪费。智能支付系统可以使交易变得更快、更容易。

(9)智能垃圾管理。

垃圾箱装满并需要清空时,传感器可以向校园管理人员发出警报,这可以提高校园的效率和清洁度。

随着技术的不断发展,人们很可能会在高校校园中看到更多物联网的创新应用场景。

4 结语

在高校智慧校园建设实践过程中,物联网技术发挥了重要作用,实现了校园内大部分环节的智能化和自动化,提高了设备的利用率和维护效率,为学生提供了更好的学习和生活环境,提升了校园管理的效率和学生的学习体验。高校智慧校园将逐步形成一个完整的生态系统,各个智能设备和系统之间将实现更紧密的互联互通、更高效的资源共享和管理、更智能的校园管理和服务[6]。

总之,物联网技术在高校智慧校园建设中有着广阔的应用前景和巨大的潜力,但在实施的同时,必须考虑到成本、安全性和隐私等问题。通过合理的规划和管理,物联网技术可以帮助高校实现智慧校园的目标,提高教育质量,优化基础设施管理。