基于物联网的智慧校园研究

李冰

一、前言

（一）物联网相关概述

物联网利用通讯技术如互联网将物体和微控制器、传感器、通信收发器等连在一起，并配置协议实现物体之间的相互作用，进而实现人类对物体的远程管理控制。一般物联网通过射频识别（RFID，Radio Frequency Identification）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描等信息传感设备将任何物品和互联网相连，进行信息交换和通信，从而对物体进行智能化识别、定位、监控和管理。物联网在用途方面极为广泛，可与多种设备进行连接。比如机器人、无人机、暖气与空调系统、安全警报装置、家用电器、办公设备等，并产生海量数据用于相关部门。尽管物联网仍处于初期阶段，但在许多领域已经开发了一些初步的物联网应用，包括家庭和工业自动化、医疗保健检测和辅助设备、智能电网和智能能源管理、智能车辆、交通管制等。然而，物联网目前面临两个主要挑战：第一，技术上的困难，物联网缺乏新颖性和异质性。第二，缺乏完整的获得批准的商业模式从而导致商业困难。而事实上，将物联网应用到智慧校园是不可避免的。智能校园是物联网的一个重要研究方向，并且物联网在智慧校园中的应用可以为城市互联网的应用提供有价值的见解。

（二）物联网与智慧校园

尽管将物联网应用到智慧校园还没有得到广泛的普及，但它的主要理念是开发利用校园的资源，将学校的应用系统进行整合，为师生提供高质量的校园服务。将物联网应用到智慧校园带来一系列的优势：智能感知的学习环境、智能能源管理、有效的监控系统和实时事件预警系统、智能化的业务流程、高效的停车场管理和安全透明的财务管理系统等。

二、物联网在高校智慧校园建设中的应用

（一）智慧校园相关概念

智慧校园是指向教职工学生基于自身不同角色的需求提供个性化服务，这样可以降低成本并提供高质量服务。智慧校园所提供的服务不仅局限在学术方面，还涉及校园社交、财政和环境等方面。所以智慧校园具有三个主要特点：一是提供一个全面感知的智能环境和综合信息服务平台，提供基于角色的定制服务；二是基于通过计算机网络和物联网融入到学校的个个服务领域，实现资源和人员之间的互联协作；三是通过智能感知环境为学校和外部环境提供一个相互交流感知的窗口。

（二）基于物联网智慧校园概念及其应用

1. 智能楼宇

智慧楼宇被誉为“一个将最好的概念、材料、系统和技术结合起来满足建设者需要的性能要求的智能化建筑”。我们可以从以下两个方面研究智能建筑。

第一，信息和通信技术基础设施。智能楼宇系统至少需要一个快速后端网络，服务器用来处理由大规模植入的传感器收集的数据。使用各种不同类型的传感器是建筑制动化必不可少的一部分。传感器可以远程关闭不需要的服务，检测教室或办公室的二氧化碳浓度，调节建筑内温度和湿度，测量周围污染的AR-EAS和开放空间。此外，适当的震动传感器将有助于检测建筑物的承压能力。智慧楼宇可以生成完整的环境参数报告，并且在需要时提供警报，这样可以减少昂贵的建筑测试需求。

第二，报告和协作。使用报告生成工具智能生成汇报，包括教室或办公室使用率、学生或教职工出勤率、空间使用模式、实时报警或能源使用等情况。在校园中，部门间的协作是改善跨部门业务流程至关重要的一步，实现这一目标的方式是通过信息共享，用来加强相关部门的沟通和联系。伯明翰大学（BCU）投资近1.28亿美元用于建设新的智慧楼宇，此后每年为建筑方面开支节省105万美元，并且二氧化碳排放量减少40%。同时，智慧楼宇提高了校园的舒适度和建筑的使用效率。

2. 学校智能电网

智能电网是利用新的信息和通信技术（ICT）改革电子电气系统。事实上，在世界各地有许多大学采用智能电网或微电网。例如，俄勒冈州立大学采用基于同步相量技术的监控和报警系统，这是大学采用智能电网用于应对日益增加的能量需求、保护环境、渴望使用可再生资源迈出的重要一步。然而，從同步相量测量技术得出的最优化结果并不理想，原因归结为这项技术仍处于起步阶段，需要更加全面深入的研究。研究指出可采用一些成熟的技术比如数据采集与监视控制系统（SCADA），专家建议在大学校园里将恢复供电集成的自动化程序依靠于SCADA和OPC共同完成，其中包含检测、隔离和自愈性的恢复。通过在大学校园内利用SCADA系统收集的数据研究，提出了一种基于拓扑结构的自组织映射（SOM）算法，SOM可分析当前配电网，提出微电网设计方法，并未对大学校园智能电网的发展提供建议。

开发一个能够用于分析和处理智能电网设备收集的大量数据的计算机系统对于实现预期目标是至关重要的。Kusakabe提供了一个实例研究，如何在大学校园中发展能源管理系统的需求。考虑到提高成员的认知和参与目标，作者声明他们取得了令人满意的成果，实现了校园可持续发展。基于Web的系统在云平台包括能耗分析和行为模式、控制需求响应的目的、对未来需求的预测以及如何使用机器学习模型已经形成一个巨大的数据集训练。此外，Newaz提出了一个基于云平台的网络架构，用于分析和理解大学校园内的能源消耗、未来需求预测和远程控制设备。尽管如此，它仍处于发展阶段。此外，技术细节并不是设计和开发校园智能电网的唯一必要条件，影响设计和开发校园智能电网的还有经济、政治和环境等因素。最后，一些大学已经开始结合智能电网技术和当前电网技术。物联网使政府、教职工、学生以及参与者控制和监控校园能源消耗变为了可能。

3. 学习环境

在过去几十年中，随着先进技术的变革和推广，教学发生了巨大的变化。研究者提出了一种基于学习者在校园范围内的社交网络提供情景的个性化学习体验方法。该方法利用传感器和移动学习进行简单配置Web服务器从而实现全面学习。然而，这还需要相应的教学设计和学习者正确的学习行为。基于物联网的智慧校园在教学设计方面有着重要的应用价值，比如构建了智能化教学环境、丰富的实验教学和多样的扩展教学活动等。基于物联网的学习环境不仅可以高效整合信息、社会、技术和物理相关的学习资源，还可以为学习者提供个性化智能学习服务。在智能环境中的学习过程分为四个阶段：学习递归过程、评价、互动性和分析，这四个阶段映射了智能系统的递归性和可持续性。智能学习的主要目标是结合学生的学习愿望、智力水平和知识水平，为学习者提供个性化的定制学习服务。

在微软公司的协助下，麻省理工学院开始基于智慧校园的若干个项目开发，称之为MIT iCampus。例如，研究课堂沟通系统（CCS）和班级学习伙伴（CLP）用来客服教师和学生在课堂上的交流问题，并通过练习和实时反馈及分析来提高学习效率。此外，基于游戏的教育项目（GTT）也在开发概念模型用于下一代的游戏教育平台。Adamko等人开发了提供问题、评估解决方案并收集数据的平台，以进一步研究用户在智能校园里的学习行为。综上所述，物联网技术下的学习环境是一个多维交互空间的整合体，这个整合体包含数字化、网络虚拟化空间和由各种实物组成的物理空间。

三、挑战和机遇

智慧校园目前面临三种障碍：技术、预算和管理障碍。技术壁垒主要涉及：安全性，隐私性、互操作性和标准化配置。在采用任何促进校园服务的技术之前，必须需要确认这项技术在校园和公共使用中是安全的。满足安全性和隐私性这两个要求是在当前异构环境下最难实现的。这种异构环境下的互操作性和标准化将最大限度的提高用户利益，其结构将对不同设备之间进行评估和比较，促进制造商之间的竞争。把物联网引入到校园建设中需要的成百上千的传感器、执行器和其他设备，学校对这些设备的配置将会是一个巨大的负担，在此情况下，基于物联网的智慧校园应开发或引入物联网设备的自动化配置系统来解决问题。在预算方面，公共设施预算的缩水、世界经济的现状和大学有限的资源成为阻碍智慧校园推广的原因。管理问题虽然没有技术和预算问题严重，但也是存在的。智慧校园为研究人员利用创新解决方案调查和提升校园服务打开了大门。目前来讲，基于物联网的智慧校园建设主要集中在智能楼宇、学习环境等，校园服务种类众多，还有许多其他校园服务没有得到足够的重视，比如智能就餐、智能宿舍等。通过合理的规划、投资和管理，物联网可以帮助校园提供更好的自动化和更高质量的服务。

四、总结

本文从智能楼宇、智能电网和学习环境等角度，对智慧校园使用物联网进行了研究，为校园内的社区提供有效、高效和优质的服务。此外，我们还从技术、预算和管理三个不同的维度，提出了基于物联网的智慧校园建设遇到的阻碍和挑战。最后，强调了未来智慧校园研究和建设可能遇到的机遇。