“感知校园”应用分析与设计研究

2021-03-22

无线互联科技 2021年3期

（青岛理工大学琴岛学院，山东青岛 266106）

0 引言

为了更好地提高校园信息化和加强校园安全建设[1]，在校园的不同位置安装视频监控设备，实时采集数据，借助相关算法来完成视频识别，分析采集到的数据特征，将识别出的信息数跟标准库对比，判断在该监控点的安全值是否超出规定预警上限，从而确定校园安全风险级别。依据级别的数值，启动预警设备，发送预警信号至校园安防控制部门，控制部门工作人员能够及时处理收到的预警信息，去现场核实危险性，采取有效的安全措施，防患于未然。

“感知校园”项目采用了4层模型，分别是感知层、网络层、平台层和应用层，数据的采集由感知层完成，数据的传输通过网络层完成，数据的分析由平台层处理，数据实时显示和管理由应用层完成。

1 核心技术

1.1 NB-IoT技术

NB是窄带的意思，具有强覆盖、低功耗、低成本、大连接4个特点，NB-IoT的中文含义是窄带物联网[2]，用于组建蜂窝网络，可以节约电量，使用的设备可以在互联网中实现数据连接，也可以稳定升级；该技术可实现超长待机和高效的网络连接。NB-IoT比GSM MCL大20 dB，都可转化为覆盖增益。

1.2 MySQL与XML

MySQL是一种经典的关系型数据库，其主要结构包括：表格、视图、存储过程、触发器等内容，可以存储大量的规则数据，这些数据可以永久存放到不同的数据表中，这些表格之间存在N∶M的关系。

XML是一种常用的非关系型数据格式，其主要结构是树形结构，存储内容以<>方式来分割存放，最大的优势就是可以存放大量不规则的数据，这是传统关系型数据库所不具备的功能。

1.3 PHP技术

PHP[3]是一种经典的Web站点技术，包括客户端和服务器端，客户可以通过浏览器访问服务器端的信息，这些信息以网页的形式展示；服务器端负责后台的信息处理，对数据库的读写查询等操作。PHP技术本身是开源技术，可以免费使用，不必考虑后期的收费问题；开源代码非常多，使PHP可以快速构建Web站点，已经成为当前的一种流行Web技术。

1.4 传感器

传感器是一种检测设备，能感知信号，可将信号转换成为电信号，通常可以检测到温度、湿度、烟雾、红外线等多种信号，还能够满足信号的传输，可以对信号进行处理、能够将数据存储起来。

2 研究过程分析

通过对校园室内外环境的调研，确定了合理的时间安排和期望目标，对每一个环节进行严密审查，实施过程中要有完备的文档资料，及时存档，以备日后查阅维护。研究内容和研究过程如下：

（1）查阅并收集资料，指定并评估可行性研究报告。

（2）针对研究报告和实际项目需求，进行软硬件需求分析，并设计出系统架构。

（3）关于采集模块，要采用恰当的传感器，确保数据采集的正确性和可靠性。

（4）利用网络技术和数据仓库技术完成信息的挖掘与整理。

（5）将汇总的数据上传至校园云服务器中，实现数据的加工与深度分析。

（6）校园云服务器将对数据进行处理，可视化显示所需要的图形、图像等信息，并导出到Web站点或智能手机应用程序中。

（7）对整个项目进行软硬件调试，调试通过后，再高效运行。

3 系统设计

“感知校园”项目是一个综合性项目，其后台部署在校园云服务器中，整个项目涉及多种软硬件知识。本项目主要包括数据采集与通信模块、信息处理模块、数据库管理模块和可视化交互模块，如图1所示。

图1 系统设计

4 数据采集模块

在“感知校园”项目中，需要使用传感器采集大量的数据，数据主要来源于室内（教室、宿舍）和室外，采集模块主要包括教室信息采集模块、宿舍防火防盗模块和室外采集模块。其解决方案为在校园里安装各类不同传感器，使用NB-IoT技术采集数据，并提取出有用的信息存储起来，借助智能手机或Web软件实时监控，实现自动化控制及防盗、防火的基本安全控制。

采集模块的主要工作原理是：通过室内外的各类传感器，采集到一些不规则的文本数据，这些数据经过格式化处理，并通过COM通信线实现上位机与下位机之间的通信，解析后的信息上传到服务器，服务器存储转发信息，分别传输到教学楼终端显示屏、宿舍楼终端显示屏、各类智能手机等设备上。

数据采集模块中各类传感器需要24小时运行，由传感器构成的网络设备耗电量很大，因此可以从技术环节达到节能省电目的。这里采用NB的节电技术，从硬件和软件两个方面进行技术优化，裁减不必要的硬件，简化物理层、优化协议栈，采用多缓冲技术防止卡顿，从而节约了电能，提高了效率。

5 数据库管理模块

在“感知校园”项目中，各类传感器[4]会从校园里采集到大量的数据，包括文本数据、语音数据、视频数据，这些数据需要存储到可靠的数据库中。对于格式规范的信息，本项目采用了MySQL数据库进行存储和管理；鉴于数据格式可能有些杂乱，本项目采用了非关系数据库来存储。

结合前期调研和需求资料，将采集到的信息经过处理后，分类存储到用户信息表、教师信息表、宿舍信息表、空闲教室表、设备状况表、风险管理表。在设计时，要确保数据格式规范，将一些不规范的信息存储到XML格式的非关系数据库中，这样可以确保数据库能够安全存储各类信息。

传感器采集到的各类数据，都要经过格式化处理，规范数据存储到MySQL数据库中，无法格式化数据将以XML或者普通文件存储，其数据处理模块原理如图2所示。

6 可视化交互实现

在“感知校园”项目中，实现数据的可视化交互是一个非常重要的模块。项目后台是构建在校园Linux[5]云服务器中的，系统开发采用了PHP+MySQL技术。目前，云服务器可以实时查看教室的温度、湿度、学生的出勤人数，也可以动态查询宿舍区的安全防火等信息；教师可以通过平台编辑教工工作量，实时处理工作日志管理工作；学生可以在线查询图书的借阅信息，平台可以利用大数据分析学生对阅览书籍的喜好，推送最新图书动态及学生可能感兴趣的图书书目等，这些功能都可以手机上便捷操作。

可视化交互模块很好地实现了校园数据的可视化展示，Linux云服务器端提供了大量的可供查询的信息，其主要查询的信息如图3所示。