物联网技术环境下的智慧校园系统设计

2021-07-05宋果昇周春萍

电子技术与软件工程 2021年10期

宋果昇周春萍

（山东青年政治学院山东省济南市 250103）

1 物联网技术及智慧校园概述

1.1 物联网技术

物联网技术是信息技术发展到一定阶段的重要标志，是对互联网的延伸和拓展，简单来说就是将现实世界事物重新建立在虚拟世界的一种技术，主要通过二维码、传感技术、扫描技术等技术手段来实现[1]。物联网概念在2005年正式提出，主要指借助信息传感设备，在遵循一定规则和约定协议的基础上，实现人与物、物与人、物与物之间的相互联系，并借助互联网进行信息采集、传输和交互，以便准确感知物质世界，为智能化实现提供支持。目前，物联网技术被广泛应用在各个领域，如生产、运输、存储和销售，医疗卫生，公共安全及环保等，在一定程度上代表了一个国家综合实力和技术实力。物联网应用主要涉及三个层次：

（1）网络层：核心网、通信网、云计算、人工智能、数据存储处理等，确保校园的全覆盖、安全稳定、便捷快速；

（2）感知层：传感器、GPS、数据库及智能终端等，收集校园环境中各种信息，为定位、识别与监控、数据分析与决策提供辅助；

（3）应用层：智慧校园、智慧交通、智慧城市等，实现各项业务系统的建设与数据共享，个性化服务定制、推送与智能推荐。

1.2 智慧校园

智慧校园主要通过物联网技术实现，利用各种计算机应用系统创建智慧化的学习、生活和工作一体化环境，实现校园内教学、管理、科研与生活的相互融合。智慧校园与数字化校园有一定相似性，但智慧校园相较于数字化校园更加智能化，需要在数字化校园基础上进行发展[2]。2018年，我国正式出台关于智慧校园创建框架，指出创建智慧校园能够为师生提供一个更加系统全面的感知环境和综合信息处理平台，还能实现校园内部各项工作的协同发展、加强校园内外的沟通交流。

2 智慧校园系统整体设计思路及技术支撑

2.1 整体设计思路

智慧校园系统是对互联网技术的拓展和延伸，能够将校园基础设施，如教学楼、办公楼、实验楼、体育馆、餐饮楼等，智慧设备，如多媒体教室、多媒体设备、一卡通等、教职工及学生等相互连通，创建信息共享、协同发展的智慧校园系统，为校内各项事务发展提供支持[3]。想实现这一目标，一方面要构建一个统一基础设施系统，确保有线网络、无线网络、局域网等全面覆盖校园，具有强大计算分析能力和功能的数据共享处理服务，因此，需要将各种传感设备、EPC、RFID 等安装在校园内不同设备中，形成完整的物联网体系。另一方面，智慧校园的载体是各种应用服务，业务逻辑较为繁杂，涉及基础设施也难以计数，要建立统一门户系统，为用户提供便捷访问。所有应用服务都需要经过门户系统的认证才能访问，以保障门户服务安全性。此外，还应遵循同一信息标准体系，对不同系统和功能进行控制，具体包括三方面：依据国际或国家标准进行软件设计与开发；健全信息编码及数据规范；依据实际制定适宜学校的硬件设施标准。

2.2 技术支撑

硬件支撑。智慧校园系统需要处理海量信息，并对这些信息进行深入挖掘、分析与存储，需要功能强大的服务器、交换机、存储设备等硬件设施[4]。同时，不同应用服务的实现，也需要相关硬件设施的支撑，如智慧照明系统，便需要MCU 作为核心控制部件、微波探测技术、光敏三极管、时钟模块等；自习室查询需要人体红外识别传感器等。

网络支撑。校园内的无线网、局域网等组网模式、数据格式和通信协议存在差异，不利于信息高效传输，学校应当制定统一信息体系，可以6LoWPAN 为基础，构建IPv6 物联网网络，充分发挥其传输效率高、高性能、可拓展及地址无限量的优势，实现校园内部网络全方位、无死角、统一化。

智能感知支撑。智能感知层发挥着感知校园环境，识别、提炼与筛选各项信息的关键作用，是物联网技术环境下智慧校园系统必须具备的技术。要根据实际环境和需求，合理设置传感器节点，如教学楼、宿舍楼、校医院、体育馆等，确保环境感知及信息获取的全面性；可利用6LoWAPN 将各传感器组网，并利用RFID、摄像监控等智能感知校园环境，并将感知到的信息实时传递给系统。

3 智慧校园系统整体功能模块

3.1 智慧教学

学校的主要工作是教学，智慧校园系统必须重视智慧教学管理，包括教室管理、师生管理、设备管理及实训管理。教室管理根据传感器感知教室使用情况，将教室使用频率、使用时长、空缺教室等信息传送至系统，便于进行教室管理与安排；师生管理对教学上课整体情况进行动态化监控，包括上课考勤、考核成绩、课堂表现等[5]；设备管理体现使用设备的具体情况，如损耗、故障等，便于进行养护维修，避免教学设备故障或缺失；实训管理，通过传感器监控实训教室，实时了解实训情况，便于教师优化教学方案。

3.2 智慧应用

智慧消费，利用RFID 技术或数据库技术升级一卡通功能，智慧管理中心可以了解师生一卡通使用情况，通过一卡通定位师生位置和卡内金额变动情况，保障师生财产安全[6]；将一卡通与图书馆、教学楼系统相互连接，通过一卡通实现上课考勤、图书借阅、座位预约、交通使用等功能，为师生生活提供便利。自习室查询，在教室内安装红外识别传感器，通过人体红外识别技术判断教室内是否有人，为社团活动、讲座开办、教师补课等提供便利。

3.3 智慧后勤管理

智慧后勤管理主要包含智能照明、安防警报、智慧交通等功能模块，其中，智能照明系统利用MCU 作为核心控制部件和微波探测技术检测人体存在，利用光敏三极管检测环境光，系统根据人体存在和环境光情况，合理设置条件，对照明系统进行智能控制。

安防警报系统，设计安防专网为基础，集采集层、传输层、处理层与应用层于一体的校园智能安防平台，保证平台数据的安全性与实时性（具体见图1），通过视频监控、门禁、GPS、图像识别、图像传导等技术全面采集校园环境、人员及物体情况，将收集到的信息数据传输至中心数据库，利用大数据技术进行监测和分析，为校园安全提供保障[7]。任何区域传感器异常、进入校园人员发生危险，安防系统将会发出警报信息，并加强这一区域监控，安防人员可根据警报迅速进行处理。

图1：校园智慧安防系统整体架构

智慧交通系统，实现校园内车辆运行、道路管理及车位管理，校园车辆动态情况发布至校园网，可进行车位预定和取消、停车费支付、交通状态查询及数据管理。以停车为例，校园内会出现无法预测车辆数量，服务器显示有空位实际上没有空位的情况，使用智慧车位预定，能实时查询校内空余车位情况，系统会根据预定信息在一定时间内预留车位。借助物联网采集到的信息对校内交通情况进行数据管理，能够精确管理校内交通情况、车辆停放信息、停车费管理及车辆使用信息等。

3.4 智慧学生管理

智慧学生管理，能够对学生在校活动、学习情况、学生档案等进行管理，也有利于毕业后学生就业情况的跟踪管理。

3.5 身份认证管理

物联网技术环境下智慧校园系统，应用覆盖师生各种校园活动，含有大量个人隐私信息，一旦泄漏将会造成严重后果。因此，必须加强身份认证管理，建立具有强大身份认证和数据加密功能的统一认证系统，充分保障信息安全。

4 物联网技术背景下智慧校园系统实践成果

4.1 提供移动学习平台

信息化时代，学生获取信息的途径更加多元和便捷，在构建智慧校园时，教师应当充分利用多媒体优势，为学生提供更加优质教学资源、更加自由灵活学习空间，打破传统线下教学时空限制，深入挖掘学生潜力，致力于培养复合型高素质人才。教师利用智慧校园系统中在线互动课堂功能，根据教学大纲、教学内容和目标录制课件，将其上传至系统中，便于学生学习和下载，还可以利用实时互动功能，解答学生问题[8]。根据学生专业、喜好构建学生信息库，为学生智能推送相关学习资源，学习资源应当综合专业知识与拓展资料两方面，充分满足学习需求和拓展需求。如：利用智慧校园中图书信息管理系统，采集学生进入图书馆频次、时长、借阅书籍、检索信息等，借助大数据技术绘制学生画像，建立学生阅读行为与内在需求关联，为学生推荐智能化、个性化书目与资料。

4.2 提供智能化教学指导平台

智慧课堂系统是智慧校园系统中十分重要的内容，能够在一定程度上缓解教师压力，学生利用手机扫码进入课堂，老师直观掌握学生到课情况，后台智能统计学生出勤率，教师在线布置课堂测试和作业，提前设置好问题和标准答案，系统自动评阅和总结，迅速知晓高频错误，并据此进行课堂讲解[9]。通过智慧课堂系统，教师和学生网络教育资源的使用频次也可一目了然，不仅可以检验教师信息技术应用能力，还能掌握学生学习需求和兴趣，帮助教师调整教学大纲，深入挖掘学生潜能，从而提高教学质量和学生综合素质。