基于物联网的智慧校园构建研究

2014-10-30周扬帆

物联网技术 2014年10期

关键词：三网融合智慧校园物联网

周扬帆

摘要：通过对智慧校园的定义和内涵的分析，指出了物联网作为智慧校园的关键基础的重要性，提出了基于物联网的智慧校园的总体框架和统一的校园综合信息服务门户，实现了应用服务的融合以及数据的融合，并引入三网合一的思想，同时综合融入各种网络接入手段。

关键词：智慧校园；物联网；三网融合；ZigBee

中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：2095-1302（2014）10-00-03

0 引言

随着网络和信息技术的发展，将校园网与物联网相结合，建构基于物联网的智慧校园逐渐成为教育信息化发展的重要课题。智慧校园是数字化校园的深化，对信息的再加工、再利用，通过信息化手段，提供智能化的业务处理方法，为师生员工提供更好的教学、科研、管理与生活的信息化环境。智慧校园是将人、信息技术、教学资源及环境以及社会性要素有机整合在一起的一种独特的校园系统。

物联网是利用传感器、RFID、采集器、视频监控等感知技术和设备，按约定的协议，把各种网络连接起来，进行信息交换和通信，从而实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的发展对智慧校园的诸多方面产生重要的推动作用。物联网技术可用于构建智能化教学环境，丰富实验教学，辅助教学管理，拓展课外教学活动等教育环节，能够应用于教学技术、学生管理、后勤保障服务等。

基于物联网的智慧校园是指通过利用物联网技术来改变教职工和校园资源相互交互的方式，将学校的教学、科研、管理与校园资源和应用系统进行整合，构建感知全面、响应及时、高效运行、智能综合的校园。

1 总体应用框架

基于物联网三层架构体系（即感知层、传输层和应用层），并结合智慧校园的实际应用需求，本文提出基于物联网的智慧校园的总体应用架构，如图1所示。该总体应用框架自上而下分为四个层面和两大支撑体系，分别为统一校园综合信息服务门户、应用服务融合层、数据融合层、通信网络融合层、信息规范与标准体系和安全保障体系。

1.1 统一校园综合信息服务门户

统一校园综合信息服务门户提供了统一的接入门户和业务界面，基于不同的授权角色向不同的用户提供其个性化的展示界面。该统一门户服务分为两种形式，分别为WEB门户服务形式和WAP移动个人信息门户服务形式。师生用户通过统一的校园综合信息服务门户来进行与之学习、工作和生活相关的各种事务的申办和查询、资源的统一获取、交互和协调。

图1 基于物联网的智慧校园总体应用架构图

1.2 应用服务融合层

应用服务融合主要包括用户身份管理、图书馆管理、校园公用设施管理、校内消费管理、校园安保和校园手机短信息通知管理六大智慧校园应用服务。

1.3 数据融合层

数据融合是指通过对智慧校园信息资源的整合，建立一个智慧校园信息资源共享平台。智慧校园信息资源共享平台的建立既包括身份信息、应用数据、消息、教学内容、感知信息五大数据的融合，也包括数据存储、中间件以及支撑软件的融合。

1.4 通信网络融合层

通信网络的融合是智慧校园建设的基础，它是指将智慧校园内的各种网络（如校园有线网、校园无线传感器网和移动通信网）通过技术的手段进行集中和融合，实施统一的管理和控制，综合利用各种网络接入手段，提供开放的标准接口，使用户在智慧校园中能够统一访问各个网络提供的信息服务，感受不到之间的隔阂。

2 基于ZigBee的智慧校园网设计

通信网络融合层由校园有线网、校园无线传感器网（WSN）、移动通信网（GSM）共三种网络组成，即在校园已有的有线网络的基础框架上，进一步部署校园无线传感器网络和移动通信网，从而实现校园教学楼、办公楼、学生宿舍、教职工宿舍和其他公共场所的无线全覆盖。

在整个智慧校园内，校园无线传感器网主要作为校园各个局部区域（如宿舍楼、办公楼、图书馆、教学楼等）的网络，承担着该局部区域无线传感器之间的通信。ZigBee技术是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据传输率、高可靠性、可愈的双向无线通信技术，其层次化的结构和多样化的功能能够很好地解决物联网中无线传感器节点间网络连接的问题，因此，选用ZigBee技术作为校园无线传感器网络的核心支撑技术。移动通信网主要承担校园手机短信息的收发，该网络的建设工作主要由移动通信服务提供商负责。

2.1 三网融合设计

本智慧校园网采用如图2所示的方案进行校园有线网、基于ZigBee的校园无线传感器网和移动通信网的融合，即通过ZigBee网关设备的使用实现三者的融合。

其中，通过ZigBee网关系统总线内置GSM模块来实现与移动通信网的连接；通过提供以太网接口以有线的方式或内置无线上网卡以建立WLAN的方式来实现与校园有线网的连接。校园有线网通过总的学校网络网关实现与Internet的连接。

2.2 网络拓扑结构选择

由于各个校园的规模和建筑物地理分布的不同，其校园网具体搭建方式也各不相同，但其整个校园网的拓扑结构设计可大致相同。本基于物联网的智慧校园网采用“物理上总线型，逻辑上星型”拓扑结构。

ZigBee支持星型、树型和网状三种拓扑结构。其中，星型ZigBee网可看作为简化版的树型ZigBee网，两者均有逻辑层次鲜明的优点，但同时也存在“整个网络的性能受协调中心的制约、通信路径唯一、通信不可靠”的缺点；网状ZigBee网具有网络自组织能力，具有灵活、通信可靠的优点。因此，我们在进行智慧校园无线传感器网建设时，可依据实际情况（所需布置传感器节点数、覆盖范围、数据通信量、数据传输速率等）部署不同拓扑结构的无线传感器网络。

图2 三网融合示意图

3 教室监控子系统功能设计与实现

智慧校园服务系统的范围较广，笔者谨以教室监控子系统功能设计与实现进行阐述，图3为教室监控子系统构建示意图。

教室监控子系统利用单片机作为监控模块的控制器，实现感知、控制、显示和服务功能。监控模块布设在教室内，利用射频读卡器识别人员信息，由温度传感器采集教室温度，通过光敏器件采集教室内外亮度。传感器获取的数据经过控制器处理后一方面提交环境监控服务器，供整个系统使用；另一方面，智能调节教室电灯、电扇等设备的开关状态，最大限度地减少能源浪费。同时，传感器采集到的室内温度、亮度、人数等有关信息也会通过在安装在教室内的监控显示屏上显示出来。教室管理员通过查看信息采集模块发往远程控制服务器的相关数据，解除部分或全部智能控制模式，并进入手动控制模式，开放数据讲台灯和电教设备的控制权。在教室内的控制终端也允许通过遥控器，解除部分或全部智能控制模式，并进入手动控制模式。这样，管理员在查看各教室的环境信息和设备使用状况后，可以根据实际情况通过对教室进行远程控制。

图3 教室监控子系统构建示意图

在此种终端节点较多的情况下，部署树型ZigBee网会影响网络数据的传输性能，故而部署网状ZigBee网最好。我们在进行校园无线传感器网组网时，如果网络结构较复杂，或对终端的数据传输有严格的中继和管理要求时，我们应优先考虑网状拓扑。

4 结语

本设计方案统一网了WEB和WAP的门户，实现了应用服务的融合以及数据的融合，采用了三网合一的思想，网综合融入了各种网络接入手段。基于物联网的智慧校园系统是融合多种功能异构子系统的大集成，包括如教室监控子系统、安检系统、食堂管理、学生宿舍水电管理、日常教学管理、智能图书馆、实验室管理等。学校应根据自身的校园的实际情况，从人力、物力、财力、技术支持等多方面加以考虑，才能有步骤有计划地稳步实现，提高智慧化校园的建设步伐和成效。

参考文献

[1]陈平，刘臻.智慧校园的物联网基础架构研究[J].武汉大学学报：理学版，2012，58（S1）：141-146.

[2]沈洁，黄宇星.智慧校园及其构建初探[J].福建教育学报，2011（6）：122-125.

[3]沈苏彬.物联网概念模型与体系结构[J].南京邮电大学学报：自然学科版， 2010，30（4）：1-8.