基于物联网技术的智慧校园架构研究与设计

郑健江，郑康林

（ 1.重庆旅游职业学院 公共基础部，重庆 409000；2.四川幼儿师范高等专科学校 学前教育三系，四川 绵阳 621700 ）

基于物联网技术的智慧校园架构研究与设计

郑健江1，2*，郑康林2

（ 1.重庆旅游职业学院 公共基础部，重庆 409000；2.四川幼儿师范高等专科学校 学前教育三系，四川 绵阳 621700 ）

针对高校校园的从“数字校园”过度到“智慧校园”问题，采用基于物联网技术的M2M三层架构，通过挖掘智能信息，为学生、教师和行政人员快速获取有效信息，实现对高校的智能化管理。首先从智慧校园的发展趋势出发，对物联网技术在智慧校园中的应用进行分析，搭建基于物联网技术的智慧校园三层架构，即感知层、网络层和应用层，并给出每一层需要的技术及实现的功能；然后，依据重庆旅游职业学院的具体情况，给出“智慧校园”具体应用方案；最后以智能教室管理系统的实现为示例进行架构的验证。实验结果表明，基于该架构的智慧校园具有良好的应用效果，可为全面实施与推广智慧校园提供有价值的参考。

物联网技术； 智慧校园； M2M； 应用服务系统

2008年IBM公司提出“智慧地球”的概念，并为中国量身打造六大智慧方案：“智慧电力”、“智慧医疗”、“智慧城市”、“智慧交通”、“智慧供应链”和“智慧银行”[1]。随着教育信息化的发展，“智慧”在教育领域得到广泛应用，其中“智慧校园”尤为突出并成为经济全球化、技术革新和知识大爆炸的产物[2]。全国各大高校将逐步从“数字校园”升级为“智慧校园”。

“智慧校园”是以物联网为基础的智慧化学习、智慧化工作和智慧化生活的整合，该环境是以各种应用服务系统为载体而构建的教学、管理、科研及校园生活的融合[3-5]。“智慧校园”通过云计算、移动计算、数据挖掘、数据存储和物联网技术来改变高校学生、教师、行政人员、游客和校园资源之间的交互方式，其主要有以下3个特征：一是为师生和行政人员提供一个完整全面的智能感知环境和综合信息服务平台，并提供基于角色的个性化定制服务；二是将基于互联网的信息服务融入高校的各个应用服务领域，实现协作和互联；三是通过智能感知环境和综合信息服务平台为高校与外界提供一个交流和感知的接口[5-7]。任何时间任何地点的网络学习、融合创新的网络科研、透明高效的网络教务管理、绚丽多彩的校园文化、便利快捷的校园生活是“智慧校园”的终极目标[8]。

计算机技术对教育教学过程进行辅助设计、研究和管理促进了高校的教学改革，实现教育现代化并提高高校教学质量。随着互联网技术的不断发展，数字化校园以数字化信息和网络技术为基础，实现了资源共享，数据快速流通，校园从学习、工作、生活逐步实现了数字化。物联网技术实现了物体间的连通，智能化地实现信息的传递、获取和分析，改变师生的学习、工作和生活的方式[9]。物联网已经在智慧校园的教学、科研、校园生活、节能等方面投入使用，如智能实验室管理、图书馆的图书识别

与借还、校园一卡通、考勤管理、水电自动计费、节能的智能照明等。

本文的主要内容如下：

（1）根据物联网内涵，构建智慧校园M2M的三层体系架构。

（2）分析实现基于物联网技术的智慧校园关键技术和内容。

（3）根据重庆旅游职业学院具体情况，给出基于物联网技术的智慧校园架构应用方案。

（4）M2M三层架构的实现及效果展示。

1.基于物联网技术的智慧校园架构

物联网的全面感知、可靠传递和智能决策、智能分析等特征为智慧校园的建设与实施提供了技术支撑平台。智慧校园，能以应用服务的集成与融合的方式快速准确地获取与共享相关信息，实现数字化的完整服务同的体系，推进智慧化学习、智慧化教室、智慧化管理和智慧化决策的实现进程。

物联网的体系架构主要有3种：一是基于传感网络的架构，二是以RFID为基础的基于EPCGlobal的架构，三是基于M2M（machine-to-machine）的体系架构。M2M是人对机器、机器对人、机器对机器之间的通信，且机器与机器之间可以实现无人工干预的通信。相对人与人之间的通信，M2M不是语音业务，而是以数字业务为主，其业务需求也很多样，可满足不同行业的需求，故是目前应用最广泛的架构，也是实现物联网的第一步。M2M架构由感知层、网络层和应用层三级层次组成。根据物联网已有研究基础和学校的实际特点，智慧校园沿用三层体系架构，但根据高校的实际特点进行改进和细化，具体如图1所示。

图1 智慧校园体系架构图

1.1.感知层

智慧校园的感知层可分为数据采集子层和接入子层。

数据采集子层的主要功能是对智慧校园中的节点进行识别，感知并采集教师、行政人员的身份信息，学生的身份信息和学籍信息，课程相关信息，教学设备、实训室设备、校园设备、照明设备、热水设备等信息，图书及其借阅相关信息，校园环境信息等相关数据。数据采集子层所用到的主要设备有摄像头、人体感应器、红外感应器、各类传感器和RFID标签等。

接入子层的主要实现对数据采集子层所获得的数据进行传输，并接入到物联网。智慧校园网络结构具有层次性，形成自主网络之后还需接入更大的网络以便校园中所有移动的人和物都在该全局物联网中。将自主网络接入物联网方式主要有移动网络接入、固定网络接入、无线网络接入和电视网络接入等，采用哪种接入方式要根据具体情况进行选择，如教务管理、考勤管理、食堂管理、热水管理等采用固定网络接入方式，校园设备管理、校园环境管理等采用移动网络或无线网络接入。

1.2.网络层

智慧校园的网络层可分为网络传输平台和应用平台。网络传输平台是智慧校园的主干网络，利用RPR、M2M、Ethernet、VPN、移动通信、传感网等多种技术实时可靠地传送感知层感知到的信息。应用平台是智慧校园的支撑平台，其主要功能是集成各种数据信息，为应用层的服务提供开放接口，这样第三方便可在应用层方便地开发各种应用服务，供学生、教师、行政人员及其他相关人员使用。

1.3.应用层

智慧校园层包括三部分内容：学校信息化应用、管理决策和社会化信息服务。

学校信息化应用主要包括教务管理、考勤管理、图书馆管理、门禁管理、实训室管理、食堂管理、校园设备管理、热水管理、校园环境管理和照明管理。

管理决策属于较高层次的应用，包括考勤分析（学生迟到、旷课、事假、病假等情况）、评价分析（学生对学校、专业、食堂、教师等的评价等）、部门分析（各系部、各行政部门的比较及职能分析）、设备分析（教学设备、实训设备、热水设备、照明设备的使用和维护分析）和环境分析。

社会化信息服务是智慧校园最高层次的应用。在智慧校园中感知层采集到的数据经过网络层传输到应用层之后，如何存储这些数据并保证其可靠性，智慧校园中产生的数据来自PDA、RFID、摄像头、人体传感器、无线传感器等，其数量惊人、增长速度快、规模庞大，如何去管理非结构化和半结构化的数据，以及利用大数据挖掘、大数据分析等技术从这些海量数据中挖掘和分析有价值的信息，以及难以凭经验而人工获得的信息，为智慧校园提供智能决策。利用云计算服务、移动计算服务、大数据处理和大数据挖掘技术，实现较低成本高效地实现智慧校园大数据的存储、管理、分析和处理。

2.智慧校园建设的关键技术及内容

2.1.制定信息标准和规范

智慧校园是教育物联网的重要组成部分，信息标准和规范是智慧校园建设的基础内容，主要包含：

（1）建立校园的编码标准，包括校园信息术语标准、校园信息编码标准，并形成一套完善的编码解析机制。

（2）制定校园的数据交换规则，在此基础上建立数据交换标准。

（3）制定校园内应用系统的开发技术标准，包括中间件、数据通信接口和数据描述，在此基础上建立应用系统规范，以便第三方在应用层上开发各种供教师、学生和行政人员使用的应用服务。

2.2.建立网络支撑平台

智慧校园在教育信息化中的一个显著优势就是移动办公和移动学习，所以终端的无线接入是智慧校园实现的必要条件。但是如果完全放弃校园现有的有线网络平台，成本太髙，故智慧校园采用的是有线网络与无线网络相结合的网络架构。

2.3.建立数据库共享平台和身份认证平台

建立数据库共享平台，需明确数据的来源和责任，如学生的选课数据由教务处教务管理人员负责，学生借还书记录则由图书馆管理员负责。并在此基础上建立从釆集、处理到应用的流程规范，以确保共享数据的准确性。

身份认证平台是由校园信息中心提供授权，无论是学生、教师还是行政人员在宿舍、办公室、家

里的固定终端，还是智能手机、PDA等移动终端，都能通过用户名和口令方便地享用智慧校园网络上授权该用户使用的所有信息服务。

2.4.建立网络支撑平台

信息服务综合应用平台是将校园内各分散的应用系统进行集成，提供一个可供各类用户信息访问的综合应用环境。按照校园的职能定位，信息服务综合应用平台主要包括管理服务、诊疗服务、教学服务、决策服务、虚拟校园服务、生活服务、科研服务、以及对外服务等。

2.5.建立教育大数据与云计算应用平台

智慧校园中的数据来源于RFID、无线传感器及各种移动终端，产生的数据量十分庞大，数据中包含有时间、地点等多种属性信息。与Web方式下的数据相比较，其存储结构更为复杂。要支持国家级层次智慧校园所需的各种云服务，实现实时化和智能化的教育，必须要建立教育大数据与云计算应用平台，以完成教育大数据的存储、管理与分析，以便为用户提供有价值的服务。在该平台中，智慧校园的数据中心是云服务的提供者，教师、学生和行政人员则是该平台的使用者。

3.基于物联网技术的智慧校园架构应用方案

3.1.逻辑结构

智慧校园的建设目标是建立一个开放智能的学习、工作和生活环境，使广大学生、教师、行政人员可以充分享受其角色赋予的相关服务，全面感知校园的各种服务资源。因此，建立重庆旅游职业学院目前各应用系统的服务融合平台，如图2所示，各用户通过该平台获取其角色权限内的相关服务。

图2 智慧校园逻辑结构

3.2.应用框架

基于物联网技术的智慧校园应用架构如图3所示，由5层构成，自下而上依次为：第1层是物体对象的连接及对其信息的感知，对应体系架构中的“感知层”；第2层是网络融合，对应体积架构中的“网络层”，第3、4、5层对应体系架构中的“应用层”。感知层除了物体对象和感知设备外，主要是如何将各对象与全局物联网的连接，其主要方式有光纤接入（FTTX，如FTTC、FTTB、FTTH、FTTP等）、数字用户线路（XDLS，如ADSL、RADSL、VDSL等）、基站发信台（BTS）、3G/4G网络移动站（Node B）、无线访问接入点（AP）、三制线同步串行总线接口（Microware）等。

网络层主要是对网络进行融合，网络融合是对校园内的各应用网络（如有线网络、广播电视网、因特网、无线网通信等）进行整合以形成统一的校园全局物联网，为智慧校园的服务应用提供网络支持与保障。应用层主要包括数据融合、服务融合和综合运用平台。数据融合层主要是对身份信息数据（如学生学号、姓名、性别、出生日期、电化号码、专业、年级等）、教学信息数据（如学生已修课程、选修课程、课程信息等）、感知信息数据以及其它相关数据的融合。服务融合层可实现多业务平台（如教务管理系统、办公自动化系统等）的集成和资源共享，是智慧校园建设的目的和表现形式。综合运用平台层具有统一的业务界面，用户经身份认证后可按照所属的角色（学生、教师、行政人员、游客等）享受权限内的相关信息服务。

3.3.应用框架

智慧校园采用有线与无线相结合的架构，网络总体结构如图4所示。通过在学校原有有线网络架构的基础上部署无线网络，实现对行政大楼、教学楼、学生宿舍、食堂、运动场的无线覆盖。有线采用原有的结构，无线总体架构选用无线接入点（Wireless Access Point，AP）方式，采用IEEE 802.11a/b/g作为智慧校园无线网络的通信协议标准；教学楼、宿舍楼、行政楼、学生活动中心和食堂原来都已实施有线网络接入，现采用室内型AP接入无线网络，以方便学生的移动学习、教师和行政人员的移动办公；其他室外公共场所如操场等采用室外型AP进行无线网络的接入，而校园内分散楼宇间通过室外型无线交换机来实现无线网络的覆盖。

图4 智慧校园网络结构

4.教室管理系统的实现

以智慧校园对教室的管理为切入点，对物联网环境下的教室管理进行开发，以实现智能感知的智慧校园。

教室管理主要是对教室空间的智能管理，将智能感知的数据分为教室设备状态、教室人员状态和教室环境状态。识别教室内人员的状况是实现智能教室管理的关键问题之一，如表1所示为感知数据经过特定算法而汇总的教室人员状态表，该表是教室人员状态表的抽象设计。NumberVector反映数值上的变化，TimeVector 反映时间变换。

表1 教室人员状态表

每一个智能管理系统都有一个后台管理系统，专门用于管理和控制各种智能感知机制的工作，以便由管理人员修改智能感知模式，更好地为该空间的人员提供智能服务。在教室管理系统中主要有以下三种模式：

（1）上课模式。在师生上课时，对周围环境和学生的行为都有一定的要求，选择该模式极大促进教学质量。

（2）课外模式。课外模式较上课模式宽松和自由，故在课外时可自动切换该空间的智能感知模式。

（3）在某些特殊情况下，可自定义智能感知模式，如考试、开会等，最终目的是更好的为学生、教师和行政人员服务。

其后台系统如图5所示，通过调整后台管理的各种模式的开关，便可启动默认的感知模式，并按照预定的模式采集数据，感知分析数据到最后通过各种辅助设备来提供给相关人员更好的智能服务，从而实现智能教室的管理。

图4 教室管理系统后台模式

5.结语

本文针对教育信息化的发展促使各大高校将“数字校园”升级为“智慧校园”问题，提出了智慧校园M2M的三层架构， 并以重庆旅游职业学院为例，给出三层架构需要完成的功能及每一层的应用方案。在应用上，该架构的系统能够自动根据智能感知对教室管理系统、教务管理系统、校园“一卡通”管理系统等服务融合进行决策与管理，从而有效的服务学生、教师和行政人员，提高高校的智慧管理，具有较强的应用价值。

展望未来智慧教育物联网的发展趋势，目前该架构的系统还存在很多不足之处，如虽实现了各子系统的功能，但未形成一套较为完善的智慧校园服务控制机制。此外，在对数据源进行更精确的计算，更好的对高校进行智慧管理是下一步要进行的工作。

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Research and Design of Smart Campus Architecture Based on Internet of Things Technology

ZHENG Jianjiang1, ZHENG Kanglin2
( 1. Department of Basic Education, Chongqing Vocational Institute of Tourism, Chongqing 409000, China; 2. Department of Preschool Education, Sichuan Preschool Educators College, Mianyang, Sichuan 621700, China )

In view of the university campus from the "Digital Campus" over the "smart of the campus", using the technology of Internet of things based on M2M three layers architecture, through data mining intelligent information, access to effective information for students, teachers and administrative staff quickly, thus intelligent management in Colleges and universities. First of all, from the development trend of smart campus starting, analysis the connotation of Internet of things technology and application in smart in the campus, build the Internet of things technology campus three layer architecture based on smart, perception layer, network layer and application layer, and give each layer need technology and the realization of the function; then according to the specific the situation of Chongqing Vocational Institute of Tourism, given the "smart of the campus" the specific application program, application program includes smart campus logical structure, application framework and network structure; finally, to realize the intelligent management system for classroom for example structure verification. Experimental results show that the architecture based on the smart of the campus has good application effect, and provides valuable reference for the comprehensive implementation and popularization of smart campus.

the technology of the Internet of things, smart campus, M2M, application service system

TP311

A

1673-9639 (2016) 04-0067-07

（责任编辑 田 波）（责任校对 印有家）

2016-05-23

黔江区科技计划项目“高职旅游类《计算机应用基础》立体化教材的建设与应用”（2013032）。

郑健江（1982-），女，重庆旅游职业学院教师，硕士，研究方向：物联网技术、网络规划与设计。郑康林（1980-），女，四川幼儿师范高等专科学校教师，研究方向：软件工程、教育信息化。