融合WLAN 和移动通信的智能数字校园方案研究

2020-04-16吴淑坤

唐山师范学院学报 2020年6期

吴淑坤

（唐山师范学院计算机科学系，河北唐山 063000）

1 引言

数字校园最基础的核心技术是计算机网络技术[1,2]，基于计算机网络实现信息资源共享，强调合作、分享，是一种集网络化、数字化、智能化为一体的新型教育、学习、办公以及研究的教育环境。“数字校园”的出现使校园学习以及办公效率大大提升。

传统数字校园基于有线网络，这种方式具有布线难度大、扩展性差、覆盖面有限、设备要求高等缺点，这种校园系统的使用者需要被限制于计算机前。之后，数字校园建设中引入无线网络，提高了校园网络的覆盖面和增加信息接入点，使办公以及学习移动化，但WLAN 设备成本高，因此只会在师生比较密集的教学楼以及图书馆等公共场所有覆盖，在其他地方无法使用数字校园系统。另外，传统数字系统产生的教育大数据，不能够高效存储和处理，数据挖掘深度有限，信息利用不充分，难以通过移动互联网推送个性化教育服务。

为解决传统数字校园使用瓶颈，浙江大学提出了“智慧校园”[3]的方案，这个方案中包括不限时间和地点的网络学习、全透明高效率的校务管理、多彩丰富的校园文化和生活[4]，这种新型的开放式的教育模式为学习者提供了个性化成长和发展需求环境[5]，学习者可以运用和创造资源，并自由选择多种媒体整合学习资源。另外，“智慧校园”在校园的安全防护、智能教务管理及图书馆信息管理等方面具有全方位感知并能及时反映的特性。因此“智慧校园”是信息化教育产业发展的必然趋势[6]。

本研究提出一种融合WLAN 和移动通信的智能数字校园方案，该方案借助物联网技术以及移动终端取得数据，利用融合WLAN 和4G 移动通信技术的移动互联网层进行数据传输，使用大数据相关技术对大量的用户及教学资源等数据进行存储、分析，为师生以及学生家长提供全覆盖的个性化服务。

2 数字校园系统设计

图1 数字校园系统总体架构图

如图1 所示，融合WLAN 和移动通信技术的数字校园系统架构，主要包括移动互联网和校园大数据平台两个模块。

移动互联网模块包括通信设备以及网络数据传输方式，WLAN 和移动通信为数字校园系统中的两种数据传输方式，移动终端则同时包括用户移动设备以及物联网终端，移动终端通过移动互联网络层与数据平台进行交互。

校园大数据平台模块包括应用展示、数据处理以及数据存储三部分，其中应用展示部分为校园数据平台给用户所提供的应用支持，纯软件实现，具有实现代价低、可扩展性强等优点；数据处理部分用于处理用户数据，后台数据平台在获取用户数据并处理后可以对用户提供个性化服务；数据存储部分用于存储应用数据以及用户相关数据。

3 数字校园系统的实现

3.1 移动互联网的实现

融合WLAN 和移动通信的网络架构如图2 所示。师生在校园WLAN 覆盖区域可以直接通过WLAN 访问校园网，在覆盖区域外自动切换到4G移动通信网络访问校园网。

图2 融合WLAN 和移动通信的校园移动互联网

WLAN 选用802.11g 标准，这一标准在扩频方面采用OFDM 技术，传输速率最高可达54 Mbps，有效带宽为24.7 M。4G 移动通信网络这部分选用TD-LTE 标准。TD-LTE 标准下，传输速度能超过100 Mbps[7]，是我国第四代（4G）移动通信技术与标准。它是更适合于宽带系统的OFDM 技术，提供比3G HSPA 高2-3 倍的频谱利用效率，下行峰值速率可以达到110 Mbps、上行峰值速率达到30 MHz。另外，TD-LTE 支持1.4/3/5/10/15/20 MHz总共 6 种不同的系统带宽选项，更为先进的TD-LTE-Advanced 通过载波聚合技术，可以支持以上6 种带宽选项的不同组合，包括连续或者非连续频率资源的组合使用，最大可以达到100 MHz的系统带宽，充分满足各种频率资源场景和网络部署带宽的需求。

从通信系统角度看，4G 系统与WLAN 都由终端、网络、业务三部分组成，包含终端融合、网络融合和业务融合。每部分融合独立且关联。按照与移动通信关联程度，4G 与WLAN 融合方案又分成紧耦合与松耦合两大类。前者强调在移动、业务与应用的全面融合，后者则一般提供合并后台账单等功能，但由于松耦合在计费和业务方面和移动通信脱离，并没有发挥其无线移动的作用。考虑到松耦合在无线移动中的局限性，本方案采用紧耦合方式形成智能数字校园系统中的移动互联网架构。

3.2 校园大数据平台的实现

校园大数据平台使用非关系型数据库Hbase对用户数据进行存储，采用并行计算和实时计算等处理技术，对教育大数据进行高效、实时处理，并进行数据挖掘和分析处理。这里应用Hadoop 集群和MapReduce 编程方法对历史数据进行批处理，为不同用户提供差异性的个性化服务。

4 系统的应用

融合WLAN 和移动通信的智能数字校园系统，主要针对师生、家长、校长、教学主管、社会公众等用户角色进行应用服务设计。为保障信息安全管理控制，不同用户角色拥有不同的应用服务访问权限。应用服务主要分为五类：学籍、学工人员信息管理、教务教学管理、因材施教、学校资源管理、校园生活。详见表1。本文以教务教育管理为例对该系统应用进行详细分析。

4.1 日常教学

学生可以将课堂以及课后学习中不懂的知识点记录在手机并反馈到校园系统，数据平台对该学生反馈的知识点进行分析后，将数据平台中该知识点相关资料推送给该学生，并将该问题反馈推送给相关教师及助教，在该课程期末复习过程中，数据平台可以对该知识点进行重点推荐。智能数字校园还能为学生提供自主学习、合作学习等支撑环境，培养学生自主学习的能力，拓展学生的学习空间。

4.2 实验室的管理

实验室的管理主要由实验设备信息管理和实验过程信息化管理组成。学生可以通过移动设备登陆校园网，取得实验操作流程和方法，并阅读关于设备和操作流程的详细内容。如果学生在实验过程中出现错误的操作，物联网设备感知后会向远程信息化系统发出警告并切断实验设备防止发生事故。实验过程中的实验数据可以由物联网设备自动记录并提供给实验者，以方便实验者进行数据分析。学生可以将分析算法输入到校园数据平台，借助数据平台完成所获取数据的自动分析工作。另外，实验室内可以安装集成物联网感知技术的智能插座，插座除了供电外还可以实时地将实验用的设备耗电量反馈给管理人员，管理人员则可以完成实验室设备的能耗管理。