物联网技术环境下的智慧校园系统设计

周易欣 刘禹佳 杜轶男

（长春市奢岭高校园区长春建筑学院 吉林省长春市 130607）

随着社会的发展与时代的进步，现代信息技术与高校管理领域的融合程度进一步加深，尤其是在物联网技术的支撑下，高校校园内各类设备、各间教室、各教学及实验楼等能够与学生、教师结合为有机整体，借助大数据、云计算及虚拟化等先进技术手段，可以整合教师教学、学生学习、管理、科研等各项活动、各个流程中形成的海量信息，再借助强大的信息处理能力构建此类数据隐形关联，发现各项活动与流程中存在的问题并进行正确归因，以此为高校管理决策提供依据与支持。近年来，我国高校积极踏上信息化发展之路，围绕着智慧校园引入先进技术与设备，在智慧校园建设方面取得了显著的成就。下文将结合文献资料，自身对物联网技术、智慧校园的思考与感悟，提出一种基于物联网技术的智慧校园系统设计方案，将校园原有无线传感器、4G 网络、无线网络、局域网络等进行网络融合，实现统一认证、统一管理，同时，根据高校当前各项管理需求合理设置智慧校园系统的功能模块，并简要阐释该智慧校园系统在学校管理多个方面的应用价值。

1 基于物联网技术环境下的智慧校园系统设计思路

传统高校信息化建设是指基于互联网技术实现物与物、人与人之间的信息交流，并针对教师教学、学生学习、管理及科研等设计了不同的系统、开发了不同的移动终端，如针对高校信息公开的官方网站；针对教师教学的网络课程平台；针对学生学习的图书馆信息系统等。这些系统一般具有不同的组网模式，所形成的数据格式也有极大的差异性，因此高校各类知识信息的流通与应用面临着网络、数据形式的阻碍，无法将高校内人、物、资源等结合为有机整体，很容易导致管理决策全局性薄弱[1]。

物联网技术是对互联网技术的延伸，其可以将校园基础设施（办公楼、教学楼、实验楼、体育馆等）、信息化设备（多媒体设备、多媒体教室、自动收付费设备等）、教职工、学生等结合为有机整体，构建万物互俩互通、信息共建共享的智慧校园系统，依次为高校各项管理工作提供决策依据。

基于物联网技术环境的智慧校园系统设计，需要基于高校校园原有的网络基础、信息化基础设施设备基础等，将门户网、手机客户端、邮件、短信、社交平台、网络课程资源平台等各类移动终端网络、无线网络、局域网等进行网络融合，保证各项业务数据能够实时流通，其自学习与自适应功能也能够从以往业务数据对比、分析中发现业务开展中存在的问题，继而保证业务的有序、有效开展。

2 基于物联网技术环境下的智慧校园系统技术需求

基于物联网技术环境的智慧校园系统框架至少需要包括六层：

2.1 智能感知层

智能感知层用以智能感知校园环境，提炼、识别及筛选各类数据。因此基于物联网技术环境下的智慧校园系统需要应用智能感知技术。

（1）传感器节点的布置要依据高校校园环境情况、管理需要及各项业务活动开展的需求而定。通常情况下，可将传感器节点布置在学生及教职工宿舍、教学楼、校医院、图书馆、食堂、体育场馆等处，保证信息获取的全面性；

（2）可借助6LoWAPN 对各传感节点进行组网，借助视频监控、RFID 标签、智能手持设备等技术对校园环境进行智能感知，并将所感知的数据传输给终端用户[2]。

2.2 网络融合层

当前高校校园内无线网、局域网等一般具有不同的通信协议、数据格式及组网模式，不利于信息的传输。为此，建议高校构建基于6LoWPAN 的IPv6 物联网网络，6LoWPAN 具有低能耗、传输效率高、节点可扩展、无限量地址的优势。其网络层也可支持128 位IPv6，可以实现大规模网络的部署。当前高校招生规模扩大，宿舍及教学楼数量有所提升，加之特色学科的建设、产教研的纵深融合，高校管理范围有所延伸。基于6LoWPAN 的IPv6 物联网网络可以实现校园环境的全覆盖，保证学校关键管理内容及业务开展无漏洞，信息服务无疏漏。

2.3 硬件支撑层

基于物联网技术的智慧校园系统，会产生海量的数据，而这些数据要想得到深入的挖掘与最大化应用，便需要交换机、服务器、存储设施等硬件的支持。

2.4 支撑平台层

基于物联网技术的智慧校园系统支撑平台层包括信息整合平台，以数据共享为核心对数据进行清洗与整合；应用整合开发平台用以支持高校各项管理活动与业务的开展，包括统一身份认证平台、统一信息门户平台、应用集成框架、智慧校园平台及企业服务总线等。

2.5 业务应用层

具体包括学生（招生管理，迎新管理，教务管理，学工管理，就业管理等）；科研（人员管理；项目管理；经费管理；成果管理等）；教师（协同办公；人事管理；岗位调动；年度考核；薪酬管理等）；财务（财务管理，薪资管理，收费管理等）；资产（资产管理；设备管理；后勤管理）；校园生活（学校网站；邮件；一卡通；图书管理；网络计费等）。

2.6 综合服务层

具体包括管理决策中心（财务分析；奖惩分析；危机分析；招就分析；迎新分析；高校分析）；自主学习中心（自主选课；提交作业）；交流中心（科研申请；师生互动；生生互动；教师黑虎洞；学术论坛；校园活动）；业务中心（科研申请；贷款申请；一卡通；离校办理；年终总结；计费中心）。

3 基于物联网技术环境下的智慧校园系统功能模块

3.1 智慧教学管理模块

智慧教学管理模块具体包括教室安排、设备管理、师生管理、实训管理四大子模块。其中教室安排是指借助设置在教学楼的传感器节点、智能手持设备等对教学楼内教室的使用情况进行感知，将所获取的教室使用率、使用时长等数据传输至教室管理人员，为教室的排课等提供依据；设备管理是指借助设备管理系统实时了解设备运行情况与相关参数，以即使对设备进行维护保养并重新安排授课教室；师生管理是指对教师授课、学生上课情况进行动态化监测，具体包括考勤、学生课堂表现等；实训管理是指借助视频监控等了解学生参与实训的情况，有助于教师调整实训方案[3]。

3.2 智慧消费管理模块

智慧消费管理功能主要借助射频技术或数据库技术实现。通常情况下，校园消费主要包括师生餐饮消费、活动消费、购物消费等。师生持有一张带有个人信息及金额的校园一卡通，内置RFID 标签，既能够将师生消费数额及项目实时传输到智慧消费管理中心，还能准确定位师生消费地点，切实保障师生人身及财产安全，

3.3 智慧安防管理模块

高校智慧安防管理功能可以借助视频监控设备及技术实现，结合GPS、图像识别、射频识别、遥感、无线传导等技术对校园环境的安全进行“无死角”监控。监控数据通过物联网网络传输至学校管理系统数据库中心，借助大数据及云计算平台对监控数据进行分析与处理，可以使校园时刻处于安全管控之下。与此同时，当校园内进入外来人员，或师生发生危险时，视频监控系统会根据不同区域设置的传感器识别外来人员的位置、危险发生的位置，调用其他监视器对其进行观察与记录，并向管理中心发出警报信号，安防人员可根据信号指示快速到达事发地点，以此解除安全风险。

3.4 智慧科研管理模块

智慧科研管理模块的功能包括记录科研信息，包括参与科研相关人员的基本信息，参与科研讨论会的频次、参加科研实验的次数等等；构建完善的科研流程，记录下科研方法、措施、组织等，借助系统的自学习功能识别其中冗余、成本高但效率低的环节，为科研方案的优化提供依据；该某块与科研人员薪资模块相连，可根据科研人员贡献率等确定绩效奖金；科研成果转化。科研人员可以借助该系统将科研成果与以往成果进行对比，深入分析科研成果可应用的领域，同类科研成果所取得的经济效益等，以此为提升科研成果转化率。

3.5 智慧身份认证模块

基于物联网的智慧校园系统面向学校的各项管理活动、师生的全部校园生活活动。例如高校实验室仅支持师生进入，对外开放也需要经过高校的允许；高校学生管理中心中包含着学生个人隐私信息，一旦泄露会酿成极其严重的后果。因此，在登录各种网络或移动终端时，都需要对用户进行身份认证。建议高校构建基于PKI/CA 的统一身份认证系统，该系统带有强大的身份认证与数据加解密功能，并且支持异地登录，教职工可在家中实现异地办公，既能够保证师生个人隐私信息的安全性，还能够增强身份认证管理的灵活性。

4 基于物联网技术环境下的智慧校园系统应用价值

4.1 基于智慧校园系统的教学实践：师生交互，针对性教学

基于智慧校园系统的教学实践有助于构建智慧课堂。学生借助智能手机扫码进入课堂，教师在正式授课时，手机则成为课堂的“遥控器”，利用相应的教学软件教师可以在后台统计学生出勤率、习题解答情况等。不仅如此，教师使用网络课程资源的频次、学生下载网络课程资源的频率等一目了然，既能够检验教师应用信息技术的能力，也可掌握学生兴趣特点、学习需求等。教师结合对本节课综合信息的分析及数据价值的深入挖掘自测教学质效，并以此为依据调整教学方案，对于学生综合素质的提升具有重要意义。

4.2 基于智慧校园系统的实验管理：远程控制，智能化实验

随着社会的发展，社会对现代化人才的需求从专业知识及技能基础扎实，转变为实践能力、动手操作能力、创新创造能力强，态度端正及道德品质优秀。当前高校已经结合自身情况建立了手工操作室或实验室，为学生提供了可靠的实践平台。为进一步发挥实验室的作用，建议高校基于物联网构建智慧化实验室管理系统。该系统支持远程监控、信息感知、智能化实验指导、实验结果反馈及虚拟实验。当学生初步制定实验方案时，可借助虚拟实验平台计算实验所需材料、流程等，在优化改进后形成更为科学的实验方案，一方面可以避免实验材料浪费，另一方面可避免学生因多次挫折失去实验成功的信心。实验方案调整完成后，智能化实验指导平台会以动画、视频等形式为学生讲解实验室仪器、设备等操作规范，实验注意事项等。再配合教师的讲解，可以保证学生实验过程的安全性。当学生开始实验之实验完成后，系统会记录下学生实验过程的所有信息，反馈给教师后，教师给予针对性指导，可以保证学生达成预期实验目标。

4.3 基于智慧校园系统的学生学习：移动平台，个性化学习

在高度信息化时代，各类媒体层出不穷，学生可以获取信息的途径更为便捷，教师及教材不再是学生知识的权威性与唯一来源。与此同时，教育信息化要求高校为学生提供更为自由、灵活且开放的学习空间，致力于挖掘学生潜能，培养一专多能的社会型人才。基于智慧校园系统地学生学习，可以实现移动化学习，学生的学习空间不再局限于教室，还包括图书馆及宿舍等。以图书馆为例，基于智慧校园系统的图书馆信息管理平台能够收集学生进出入图书馆频次、学生借阅书籍、学生阅读时长、学生检索等信息，借助大数据可实现用户画像，构建学生阅读行为与其内在需求的隐性关联，继而为学生个性化、精准化推荐相应的书记与资料。

5 结束语

基于物联网技术环境的智慧校园，将校园内人、物、资源等各类要素结合为有机整体，将教师教学、学生学习、安全保障、学校管理、科研等各项管理与业务活动集成在统一平台上，以此实现万物的互联互通与信息的共建共享。于此同时，物联网不仅具备信息感知功能，还具有强大的数据处理功能，其能够借助大数据、云计算等挖掘数据价值，构建不同维度数据的隐性关联，为管理、教学活动、科研活动及校园活动的开展提供决策支持。除此之外，基于物联网技术环境的智慧校园系统可应用于校园管理各个方面，尤其是在教学实践中的应用可以增强师生的交互性、培养学生实践等综合素质、激发学生自主学习意识，为学生的个性化发展提供针对性及差异性信息服务与教学指导。为构建完善的智慧校园系统，高校需要结合自身实际与未来发展计划，积极引入现代信息技术与设备，为师生发展、办学质量的提升奠定坚实有力的基础。