创新物联网应用驱动智慧校园—以南京市北京东路小学物联网项目为例

陈云龙

一、项目概述

改革开放40年，改变了中国，也改变了中国教育，从20世纪90年代末提出的教育信息化已经进入了2.0阶段：要实现从专用资源向大资源转变，从提升学生信息技术应用能力向提升信息技术素养转变，从应用融合发展向创新融合发展转变[1]。 南京市北京东路小学物联网创新应用正是朝着创新融合发展这一方向努力。

学校物联网应用是智慧校园创建中的一个项目，是基于应用集成、数据融合和智能感知与应用于一体的系统。本着服务前置和服务与教育教学业务紧密融合的宗旨，努力创设自动化、智能化和流程化的智慧物联环境。目前物联网项目已经完成基础软件平台部署，实现了3座会议室内的灯光、电源、空调、门禁、所有多媒体设备(包括：计算机、一体机、音响、话筒、调音台、电源时序器、LED显示屏、LED矩阵、液晶投影仪、场内监控、舞台幕、窗帘等)的关联，45间普通教室的电源、一体机、讲台显示器、数字展台等设备的集中管控，公共场馆还配合以环境、能耗、视频监控等进行辅助管理。软件系统层面以OneControl物联网应用平台为基础，通过二次开发实现了基于移动端APP和计算机端WEB的集中监控和管理(如图1所示)。

图1

二、概要设计

学校物联网项目设计以业务流程和实际需求为主线，充分利用物联网无线传感灵活、方便部署的优势，全面、及时、方便、完整地采集所需数据，快速进行数据传输，安全可靠地进行校园的智能化管理建设。

完成物联网架构时，在充分研究和调研多种物联网协议及市场上设备兼容性的基础上，确定采用ZigBee布网方案(如图2所示)，基于两个方面考虑：一方面是ZigBee具有高安全性、节点数量多、技术相对成熟、功耗低、反应时间短、组网方式灵活以及对硬件要求低等多方面优势；二是通信协议的一致性是组网设计中的关键点，通过实验发现，在物联网通信过程中如同时有Wi-Fi，RFID，ZigBee，Bluetooth等多种通信方式存在时，汇聚到物联网平台的数据就存在一定的延时，设备之间的协同工作就受到影响，会出现设备开启或关闭时间不一致，影响用户使用体验。

图2

物联网平台部署上，安全稳定是重点，坚持私有云方式部署。首要是安全稳定，学校私有服务器群配备深信服、高性能硬件防火墙，能主动监测数据内容，可以自定义数据类型和表达式，杜绝了外部入侵；私有云的部署即使在外网中断时，物联网网关与服务器始终保持正常通信，对于设备的控制不受影响，保证了使用的稳定(如图3所示)。

图3

三、创新应用

1.智慧场馆预约管理

学校物联网建设根本目标是服务于教育教学，深入探究和创新应用是在设计和建设中的首要任务。南京市北京东路小学是一所全国名校，在全国著名小学语文特级教师孙双金引领下，学校的办学理念、管理方式、教育质量和校本特色堪称全国基础教育学校的典范。学校每年都有数百所学校的教师入校参观学习和研讨，公共会场的使用率非常高，因此基于物联网提出了智能化的场馆预约管理设计。

智慧场馆预约管理系统是整合门禁和物联网系统联动的公共场馆整体解决方案。 设计以移动终端应用为主，系统界面全图形化直观显示，场馆设备实现自动与在线控制功能，基本实现全自动化无人值守管理。

智慧场馆预约管理系统的业务流程：教师通过手机端发起预约申请，选择活动需要使用的设备或者是选择场景模式(照明模式、会议模式、上课模式)；管理员审批并选择活动的技术支持和后勤服务人员，由短信和微信形式反馈审批信息(如图4、图5所示)；预约者在活动时间段自动获得授权，可以通过指纹打开场馆门禁，系统根据预约模式自动开启相关设备，技术支持和后勤服务人员可以通过手机端视频监控设备反馈状态，及时了解场馆情况，以判断是否需要到现场服务(如图6所示)；预约者开始使用场馆，并能根据现场情况随时选择调整时间；会议结束后所有设备自动关闭，并反馈信息让预约者进行使用评价(如图7所示)。

图4

图5

图6

图7

智慧场馆预约管理系统并非是一个封闭性的系统，是一套能与学校原有应用系统完全融合的系统。用户端将系统应用整合到学校原有APP中，并实现用户统一身份认证，不会强制改变用户使用习惯，即在原有APP中实现系统的所有功能。

智慧场馆预约管理系统是与门禁系统和物联网系统协同的一个整体。集合了门禁和物联网设备的权限管理和控制，根据预约者的需求在本地化云服务端完成各项功能。

2.业务精确匹配

除公共场馆外，45间普通教室的多媒体设备的管控采用了“集中+分散”的管理模式，对于系统而言集中管控很容易实现，而在学校应用场景中，存在着很多个性化应用场景，例如，在集中管控时间之外的使用设备、课间设备管理等。在设计中首先保留了传统的物理按键，在普通教室环境中，普通物理按键需要具有隐秘性，避免学生无意触碰而引起设备非正常开关；其次是结合所有教师的任教情况，在系统中设计了用户权限与课表关联功能，系统根据教师任课表自动分配其权限。只要是教师任教的班级都有权限通过手机端远程控制设备的开关(如图8所示)。对于音乐、美术、科学等专用活动室，还配置了适应课表的自动开关设备的功能。课间时间避免频繁开关设备，采用了大屏幕显示设备与计算机系统分离的方法，下课时只需要通过手轻按显示屏实现开关，而系统仍保持运行，下节课触屏能无等待使用。

图8

3.智慧放学管理

学校处于南京市主城区，学校周边交通环境繁忙拥挤，学生放学时家长接送是一大难点，虽然学校指定了家长接送点，但是学生出校门的时间家长不能获知，以至于造成大量家长拥挤到学校门口，既影响学生路队出行也造成道路交通拥堵。采用物联网方式，利用校门口LED显示屏，自动显示班级放学状态，有效疏导和缓解了校门口拥堵的现象。

智慧放学管理系统由学校自行设计选型，采用非接触式UHF超高频电子标签一体机和班级路队牌结合，通过二次开发与设备接口对接。系统自动感应到放学班级位置，判断其处于放学状态，LED显示“正在放学”；当班级出校门，系统再次自动感应和确认，并通过LED显示“已经放学”，同时系统通过微信端向家长推送放学状态，家长就能随时了解学生放学情况，在规定的接送点等待学生即可。智慧放学管理系统做到全程师生无感知运行，师生按照原有的放学习惯进行，不需要有任何人为参与，避免了来回打卡等方式带来的不便(如图9所示)。

图9

四、应用效果与展望

南京市北京东路小学物联网项目经过近一年的应用，基本达到了设计预期，全年无故障运行天数超过99%，特别是通过预约管理系统进行了120多场次的使用，极大地节约了人力和能源成本。学校物联网项目实施完成后，已有数十家学校和单位前来参观交流。

我校物联网建设尚处在初级阶段，物联网方便着师生的生活和学习，尤其是在平安校园、智慧学习、个性发展等方面有待发挥更重要的作用。相信以物联网创新应用驱动的智慧校园会成为学校发展最重要的里程碑。