基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園構(gòu)建研究

引言

隨著網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的發(fā)展，將校園網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合, 建構(gòu)基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園逐漸成為教育信息化發(fā)展的重要 課題。智慧校園是數(shù)字化校園的深化，對(duì)信息的再加工、再 利用，通過(guò)信息化手段，提供智能化的業(yè)務(wù)處理方法，為師生 員工提供更好的教學(xué)、科研、管理與生活的信息化環(huán)境。智 慧校園是將人、信息技術(shù)、教學(xué)資源及環(huán)境以及社會(huì)性要素有 機(jī)整合在一起的一種獨(dú)特的校園系統(tǒng)。

物聯(lián)網(wǎng)是利用傳感器、RFID、采集器、視頻監(jiān)控等感知 技術(shù)和設(shè)備，按約定的協(xié)議，把各種網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，進(jìn)行信息 交換和通信，從而實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理 的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展對(duì)智慧校園的諸多方面產(chǎn)生重要 的推動(dòng)作用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可用于構(gòu)建智能化教學(xué)環(huán)境，豐富實(shí) 驗(yàn)教學(xué)，輔助教學(xué)管理，拓展課外教學(xué)活動(dòng)等教育環(huán)節(jié)，能 夠應(yīng)用于教學(xué)技術(shù)、學(xué)生管理、后勤保障服務(wù)等。

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園是指通過(guò)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)改變 教職工和校園資源相互交互的方式，將學(xué)校的教學(xué)、科研、 管理與校園資源和應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行整合，構(gòu)建感知全面、響應(yīng) 及時(shí)、高效運(yùn)行、智能綜合的校園。

1總體應(yīng)用框架

基于物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)體系(即感知層、傳輸層和應(yīng)用層)， 并結(jié)合智慧校園的實(shí)際應(yīng)用需求，本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧 校園的總體應(yīng)用架構(gòu)，如圖1所示。該總體應(yīng)用框架自上而下 分為四個(gè)層面和兩大支撐體系，分別為統(tǒng)一校園綜合信息服務(wù) 門(mén)戶、應(yīng)用服務(wù)融合層、數(shù)據(jù)融合層、通信網(wǎng)絡(luò)融合層、信息 規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)體系和安全保障體系。

1.1統(tǒng)一校園綜合信息服務(wù)門(mén)戶

統(tǒng)一校園綜合信息服務(wù)門(mén)戶提供了統(tǒng)一的接入門(mén)戶和業(yè) 務(wù)界面，基于不同的授權(quán)角色向不同的用戶提供其個(gè)性化的展 示界面。該統(tǒng)一門(mén)戶服務(wù)分為兩種形式，分別為WEB門(mén)戶服 務(wù)形式和WAP移動(dòng)個(gè)人信息門(mén)戶服務(wù)形式。師生用戶通過(guò)統(tǒng) 一的校園綜合信息服務(wù)門(mén)戶來(lái)進(jìn)行與之學(xué)習(xí)、工作和生活相關(guān) 的各種事務(wù)的申辦和查詢、資源的統(tǒng)一獲取、交互和協(xié)調(diào)。

圖1基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園總體應(yīng)用架構(gòu)圖

1.2應(yīng)用服務(wù)融合層

應(yīng)用服務(wù)融合主要包括用戶身份管理、圖書(shū)館管理、校 園公用設(shè)施管理、校內(nèi)消費(fèi)管理、校園安保和校園手機(jī)短信 息通知管理六大智慧校園應(yīng)用服務(wù)。

1.3數(shù)據(jù)融合層

數(shù)據(jù)融合是指通過(guò)對(duì)智慧校園信息資源的整合，建立一 個(gè)智慧校園信息資源共享平臺(tái)。智慧校園信息資源共享平臺(tái)的 建立既包括身份信息、應(yīng)用數(shù)據(jù)、消息、教學(xué)內(nèi)容、感知信 息五大數(shù)據(jù)的融合，也包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、中間件以及支撐軟件 的融合。

1.4 通信網(wǎng)絡(luò)融合層

通信網(wǎng)絡(luò)的融合是智慧校園建設(shè)的基礎(chǔ)，它是指將智慧 校園內(nèi)的各種網(wǎng)絡(luò)（如校園有線網(wǎng)、校園無(wú)線傳感器網(wǎng)和移動(dòng) 通信網(wǎng)）通過(guò)技術(shù)的手段進(jìn)行集中和融合，實(shí)施統(tǒng)一的管理 和控制，綜合利用各種網(wǎng)絡(luò)接入手段，提供開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)接口, 使用戶在智慧校園中能夠統(tǒng)一訪問(wèn)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供的信息服務(wù), 感受不到之間的隔閡。

2基于ZigBee的智慧校園網(wǎng)設(shè)計(jì)

通信網(wǎng)絡(luò)融合層由校園有線網(wǎng)、校園無(wú)線傳感器網(wǎng) （WSN）、移動(dòng)通信網(wǎng)（GSM）共三種網(wǎng)絡(luò)組成，即在校園已 有的有線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)框架上，進(jìn)一步部署校園無(wú)線傳感器網(wǎng) 絡(luò)和移動(dòng)通信網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)校園教學(xué)樓、辦公樓、學(xué)生宿舍、 教職工宿舍和其他公共場(chǎng)所的無(wú)線全覆蓋。

在整個(gè)智慧校園內(nèi)，校園無(wú)線傳感器網(wǎng)主要作為校園各 個(gè)局部區(qū)域（如宿舍樓、辦公樓、圖書(shū)館、教學(xué)樓等）的網(wǎng)絡(luò), 承擔(dān)著該局部區(qū)域無(wú)線傳感器之間的通信。ZigBee技術(shù)是一 種新興的短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸率、高可靠性、 可愈的雙向無(wú)線通信技術(shù)，其層次化的結(jié)構(gòu)和多樣化的功能 能夠很好地解決物聯(lián)網(wǎng)中無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)間網(wǎng)絡(luò)連接的問(wèn)題, 因此，選用ZigBee技術(shù)作為校園無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心支撐 技術(shù)。移動(dòng)通信網(wǎng)主要承擔(dān)校園手機(jī)短信息的收發(fā)，該網(wǎng)絡(luò)的 建設(shè)工作主要由移動(dòng)通信服務(wù)提供商負(fù)責(zé)。

2.1三網(wǎng)融合設(shè)計(jì)

本智慧校園網(wǎng)采用如圖2所示的方案進(jìn)行校園有線網(wǎng)、 基于ZigBee的校園無(wú)線傳感器網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)的融合，即通 過(guò)ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)備的使用實(shí)現(xiàn)三者的融合。

其中，通過(guò)ZigBee網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)總線內(nèi)置GSM模塊來(lái)實(shí)現(xiàn) 與移動(dòng)通信網(wǎng)的連接；通過(guò)提供以太網(wǎng)接口以有線的方式或內(nèi) 置無(wú)線上網(wǎng)卡以建立WLAN的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)與校園有線網(wǎng)的連 接。校園有線網(wǎng)通過(guò)總的學(xué)校網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)與Internet的連接。 2.2網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇

由于各個(gè)校園的規(guī)模和建筑物地理分布的不同，其校園 網(wǎng)具體搭建方式也各不相同，但其整個(gè)校園網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)可大致相同。本基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園網(wǎng)采用“物理上總線 型，邏輯上星型”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

ZigBee支持星型、樹(shù)型和網(wǎng)狀三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，星 型ZigBee網(wǎng)可看作為簡(jiǎn)化版的樹(shù)型ZigBee網(wǎng)，兩者均有 邏輯層次鮮明的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在“整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能受協(xié) 調(diào)中心的制約、通信路徑唯一、通信不可靠”的缺點(diǎn)；網(wǎng)狀 ZigBee網(wǎng)具有網(wǎng)絡(luò)自組織能力，具有靈活、通信可靠的優(yōu)點(diǎn)。 因此，我們?cè)谶M(jìn)行智慧校園無(wú)線傳感器網(wǎng)建設(shè)時(shí)，可依據(jù)實(shí)際情況（所需布置傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)、覆蓋范圍、數(shù)據(jù)通信量、數(shù)據(jù)傳輸速率等）部署不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

3教室監(jiān)控子系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

智慧校園服務(wù)系統(tǒng)的范圍較廣，筆者謹(jǐn)以教室監(jiān)控子系 統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行闡述，圖3為教室監(jiān)控子系統(tǒng)構(gòu)建示 意圖。

教室監(jiān)控子系統(tǒng)利用單片機(jī)作為監(jiān)控模塊的控制器，實(shí) 現(xiàn)感知、控制、顯示和服務(wù)功能。監(jiān)控模塊布設(shè)在教室內(nèi), 利用射頻讀卡器識(shí)別人員信息，由溫度傳感器采集教室溫度, 通過(guò)光敏器件采集教室內(nèi)外亮度。傳感器獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)控 制器處理后一方面提交環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器，供整個(gè)系統(tǒng)使用； 另一方面，智能調(diào)節(jié)教室電燈、電扇等設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，最大 限度地減少能源浪費(fèi)。同時(shí)，傳感器采集到的室內(nèi)溫度、亮度、 人數(shù)等有關(guān)信息也會(huì)通過(guò)在安裝在教室內(nèi)的監(jiān)控顯示屏上顯 示出來(lái)。教室管理員通過(guò)查看信息采集模塊發(fā)往遠(yuǎn)程控制服 務(wù)器的相關(guān)數(shù)據(jù)，解除部分或全部智能控制模式，并進(jìn)入手 動(dòng)控制模式，開(kāi)放數(shù)據(jù)講臺(tái)燈和電教設(shè)備的控制權(quán)。在教室 內(nèi)的控制終端也允許通過(guò)遙控器，解除部分或全部智能控制 模式，并進(jìn)入手動(dòng)控制模式。這樣，管理員在查看各教室的 環(huán)境信息和設(shè)備使用狀況后，可以根據(jù)實(shí)際情況通過(guò)對(duì)教室 進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

在此種終端節(jié)點(diǎn)較多的情況下，部署樹(shù)型 ZigBee 網(wǎng)會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸性能，故而部署網(wǎng)狀 ZigBee 網(wǎng)最好。我們?cè)谶M(jìn)行校園無(wú)線傳感器網(wǎng)組網(wǎng)時(shí)，如果網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，或?qū)K端的數(shù)據(jù)傳輸有嚴(yán)格的中繼和管理要求時(shí)，我們應(yīng)優(yōu)先考慮網(wǎng)狀拓?fù)洹?

4 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)方案統(tǒng)一網(wǎng)了 WEB 和 WAP 的門(mén)戶，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用服務(wù)的融合以及數(shù)據(jù)的融合，采用了三網(wǎng)合一的思想，網(wǎng)綜合融入了各種網(wǎng)絡(luò)接入手段。基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園系統(tǒng)是融合多種功能異構(gòu)子系統(tǒng)的大集成，包括如教室監(jiān)控子系統(tǒng)、安檢系統(tǒng)、食堂管理、學(xué)生宿舍水電管理、日常教學(xué)管理、智能圖書(shū)館、實(shí)驗(yàn)室管理等。學(xué)校應(yīng)根據(jù)自身的校園的實(shí)際情況，從人力、物力、財(cái)力、技術(shù)支持等多方面加以考慮，才能有步驟有計(jì)劃地穩(wěn)步實(shí)現(xiàn)，提高智慧化校園的建設(shè)步伐和成效。

20211223_61c3628a3fd84__基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園構(gòu)建研究