基于云计算和物联网的数字校园的研究与设计

孙春志

（商丘师范学院 物理与电气信息学院，河南 商丘 476000）

在数字化校园建设中需要遵循以教育信息化带动教育现代化为的原则，在总体规划的指导下采用创新的管理机制、建设机制与运行机制，解决教育热点、难点问题，坚持统筹规划、分层分步推进，坚持标准先行、确保规范有序，坚持软硬并重、突出应用效果，坚持持续发展、重视运行服务[1]。数字化校园建设的意义在于为学校的教学科研提供交流、通用的服务平台，促进教学科研的发展；为学校的管理提供高效、共享的管理平台，提高学校内部行政管理的效率；为教师、学生、家长提供开放的数字化生活环境。

目前，我国高校的数字化校园建设取得了惊人的成绩，但在建设当中也存在着大量不容忽视的问题，主要表现在利用率低、共享度弱、资源不平衡、缺少科学规划、维护不到位等方面。如果数字化校园没有很好的适应性、拓展性和灵活性，它就不能够满足现在学校发展的需要。云计算和物联网的出现能够很好地解决传统数字化校园建设存在的问题，可以实现资源统一管理、灵活分配资源，降低了数字化校园建设和运维成本，提高数字化校园的安全性能。

1 云计算和物联网介绍

云计算主要应用于商业计算，基于互联网的、大众参与的计算模式，它的计算能力、交互能力和存储能力都是动态的、可伸缩的、虚拟化的，以服务的方式提供。云计算（Cloud Computing）是一种新近提出的计算模式，是分布式计算、并行计算和网格计算发展的产物。其本质特征即分布式的计算和存储、高扩展、用时付费，云计算具有可靠性、通用性、伸缩性、低成本等特性[2]。针对数字校园建设，云计算可以对学生综合数据进行挖掘，对影响学生学习成绩因素进行分析。云计算的使用非常方便，学生可以使用各种现代电子设备进行访问资源，甚至建立自己独特的学习虚拟环境。

物联网是通过传感器、GPS（全球定位系统）、RFID（射频识别）和激光扫描器，通过一定的协议把任何不相关物品通过互联网联系到一起，是物品、计算机以及人进行相互通信，实现信息同步和信息共享的功能，也是互联网和传感器相结合的一种新技术[3]。物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。继计算机、互联网之后，物联网作为一个新兴产业，也被视作世界信息产业的第三次浪潮。根据信息生成、传输、处理和应用的原则，对应的能够把物联网分为感知识别层、网络构建层、管理服务层和综合应用层。

2 基于云计算和物联网的数字化校园系统建设架构

文中充分结合了数字化校园建设的实际情况，提出了一种基于云计算和物联网技术的数字校园的四层模型，该模型包括感知层、网络层、服务层和应用层，基于物联网的数字化校园四层模型如图1所示。

图1 基于物联网的数字化校园四层模型Fig.1 Four model digital campus base on of colud computing and the internet of things

1）感知层：使用校园已有的设备进行必要的信息采集。进而根据需要部署和安装新的传感器及智能终端设备。这些传感器和智能节点，可以通过有线和无线相结合的通信方式把数据接入网络层，从而为整个数字化校园提供数据基础[4]。

2）网络层：采用有线网络与无线网络相结合的方式，把感知层采集的数据接入网络。这个层会根据不同的传输方式和设备设置不同的网络接口，这样为网络安全传输数据提供了极大的方便。

3）服务层：主要功能把网络层传进来的海量数据通过云计算技术进行有效的管理和存储，再使用云计算技术对数据进行挖掘，为下一层（应用层）提供服务。服务层由数据中心、监控中心、流媒体服务器和管理服务器群等组成。

4）应用层：由于服务层提供了智能化的服务，本层就可以开发校园所需要的每个子系统，也可以改善校园网络环境。

本设计采用模块化的方法对系统架构进行设计，系统架构包括基础设施、资源数据库、服务支撑系统、业务服务系统、服务接入系统、校安系统6个部分，基于云计算和物联网数字校园总体架构图2所示。

1）基础设施

基础设施包括有线接入网络覆盖整个校园、部分主要楼宇接入无线网络、中心机房的建设、数据中心建设，数字化校园建设中使用有线与无线相结合的方式是大势所趋，这种有线与无线相结合的方式可以针对校园网存在的扩展性不足、成本高和布线难等问题给予弥补，使得通信方式更为灵活多样化。校园网拓扑结构图如图3所示。

2）资源数据库

资源数据库的建设包括了教学资源库、学习资源库、科研资源库和应用系统支撑库，其中教学资源库包括学科课件库、教学视频库、各学科试题库等，主要用于远程教学和考试。

3）服务支撑系统

服务支撑系统要实现统一身份认证，采用单点登录模式，根据各应用系统的后台管理程序，可以根据建设情况，采用模块化的方式往数字校园中添加整合[5]。统一应用支撑平台层作为数字化校园应用系统的承载平台，提供跨平台应用框架和底层通用服务，并为各个应用系统的运行、开发与部署提供支撑作用。

4）业务服务系统

业务服务系统的设计采用模块化系统设计，这种设计理念对以后的新增业务系统比较机动灵活，业务服务系统包括财务管理系统、教务管理系统、科研管理系统、人事管理系统、学籍管理系统、档案管理系统、设备管理系统、远程教育系统、电子政务系统、班班通、校信通、校园一卡通等[6]。

5）服务接入系统

依靠门户服务器和应用服务器作为基层支撑软件，使得数字校园中的应用系统在功能和内容上可以方便统一开展，门户服务基于安全服务和认证服务进行用户认证和权限管理[7]。门户服务的功能包括内容管理、个性化服务、用户管理与授权、单点登录、支持多种设备的接入等。服务接入方式主要通过校园门户网站（WEB）和校园移动网站（WAP）等进行统一登陆入口接入[8]。

6）校安系统

控制中心经过网络控制键盘，使得每个监控硬盘录像机得到控制，可以实现对每台视频监控画面进行巡航或者拉近控制。

3 结 论

基于云计算和物联网技术的数字化校园，实现了校园内不管何人何物何时何地都可以实时互联互通，海量信息在新技术平台的聚合而产生新的信息，为广大师生提供了智能化的业务和服务平台。不仅为现代化教学提供了新的理念和方式，同时也充分利用了网络信息技术提供的资源，数字化校园的建设为学习者创造了新一代的虚拟校园和新型学习环境，可以实现不同地域数据实时共享，将高校内部的相对独立分散的网络系统进行统一整合，使学校资源得到合理利用。云计算和物联网技术的快速发展，大大促进了数字化校园建设，为高校提供了广阔的发展空间。

[1]薛静.基于虚拟化的云计算平台中安全机制研究[D].西安：西北大学，2010.

[2]王晶姝.基于物联网的数字化校园建设研究[J].软件工程师，2012（3）：40-42.WANG Jing-shu.Rensenrch of digital camps based on internet of Things[J].Sofcware Engineer，2012（3）：40-42.

[3]刘鹏程.云计算中虚拟机动态迁移的研究[D].上海：复旦大学，2009.

[4]赵婕.面向高职院校的数字化校园设计与关键技术研究[D].西安：西北大学，2010.

[5]李俊华.基于物联网的智能数字校园研究与设计[J].梧州学院学报，2010（6）：49-54.LI Jun-hua.Research and design of digital campus based on internet of things[J].Journal of Guangxi University Wuzhou Branch，2010（6）：49-54.

[6]吕倩.基于云计算及物联网构建智慧校园 [J].计算机科学，2011（10A）：18-21.LV Qian.Build intelligence campus based on cloud computing and internet of things[J].Computer Science，2011（10A）：18-21.

[7]宗平，朱洪波.智慧校园设计方法的研究[J].南京邮电大学学报，2010（4）：15-19.ZONG Ping，ZHONG Hong-bo.Reserch of intelligence campus design methods[J].Journal of Nanjing University of Posts and Telecommunications，2010（4）：15-19.

[8]严大虎，陈明选.物联网在智慧校园中的应用[J].现代教育技术，2011（6）：123-125.YAN Da-hu，CHEN Ming-xuan.Application of intetnet of Things in intelligence school[J].Editorial Board of Modern Educationl Technology，2011（6）：123-125.