基于物联网的智慧校园构建

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　　摘要：物联网技术快速发展，在普通高校智慧校园建设过程中发挥着重要作用。以基于物联网技术的智慧校园体系建设为载体，阐释物联网相关技术，分析智慧校园建设中物联网技术应用组成部分及作用，同时对智慧校园建设中存在的问题进行梳理，并展望未来技术发展方向。
　　关键词：物联网技术;智慧校园;教育建设
　　DOI： 10. 11907/rjdk.191864
　　开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　中图分类号：TP319
　　文献标识码：A
　　文章编号：1672-7800（ 2020）004-0208-03
　　0 引言
　　物联网技术推进了教育信息化发展，使教学及相关管理更加多样化、人性化、智慧化，为智慧校园建设与实施提供了技术保障[1]，对于提升教学质量具有重要意义。基于物联网的智慧校园体系建设及技术成为重要研究课题。
　　目前，关于智慧校园构建的研究分析主要集中在智慧校园信息化建设背景、设计与架构上。沈霞娟等[2]认为智慧校园信息化建设应包括网络基础设施、数据支持平台和智慧应用服务3项内容;蒋东兴等[3]将智慧校园体系结构划分为智能感知层、网络通信层、大数据层、智慧校园应用层、自适应交互平台和支撑保障体系;任军利[4]提出利用现代信息技术，整合高校资源，达到资源共享，实现校园智慧化功能;王凌云等[5]提出通过高速处理海量数据，为智慧校园建设提供动态服务。通过梳理国内外智慧校园建设研究现状，发现智慧校园建设基本理念是基于信息基础设施的完善以提供更优质的服务，通过资源整合方式实现资源共享。本文以基于物联网技术的智慧校园体系建设为主题，总结物联网技术在智慧校园建设中的应用，对智慧校园建设中存在的问题进行深入分析，指出未来技术发展方向。
　　1 物联网技术在智慧校园建设中的应用
　　智慧校园建设主要面向师生，目的是搭建针对师生在校日常生活、教学教务管理和教育资源共享的数字化建设平台[6]。智慧校园以智能感知和网络互联协作及与外部交流进行接口交流和感知，实践证明物联网技术非常适合智慧校园开发建设，以物联网为基础的智慧校园建设应用物联网技术与外部相互感知及交流是物联网的重要成分。
　　1.1 教学建设
　　在校园网建设中，对用户设置3种类型账户，分别是管理员、教师及学生。管理员账户拥有网络最高权限，可对教师账户及学生账户基本资料和权限进行修改与控制，同时可查看所有账户全部信息。教师账户和学生账户仅能查看自己的信息，且无权修改，但教师账户使用校园网的范围广于学生账户，教师账户在校园内均可使用校园网，学生账户只能在特定范围内才能使用校园网。例如在教室里，教师账户可以在多媒体上使用校园网进行资料查询，而学生账户在教室内没有上网权限，在图书馆与自习室内则可以进行网上查询操作。在每个教室里安装多媒体，并且保证每个多媒体之间网络互联，相互之间可以访问，进行资源共享。同时在校园中所有需要联网操作的地方均必须使用校园网，方便实时监控校园内网络动向，保障网络安全。
　　1.2 环境建设
　　在教室里安装智能窗帘与噪声监测器，根据光线感应系统对室外光线、灯光及投影亮度的判断，适时调整窗帘状态，给师生营造一个良好的教学环境;声音感应系统根据上课时的声音大小判断是否为噪声，若声音过大则会进行警报提醒，警报次数过多会有相关监督老师过来查看，进行秩序维护和课堂情况记载，扣除相应班级分数，以此可有效维护课堂秩序，培养学生课堂学习自觉性，方便学校对班级和老师进行考核打分，对教学管理起到很大帮助。
　　红外线感应技术的应用可以有效节约校内资源，加强校园智能化建设。走廊灯使用红外线感应灯，在有人时自动开灯，离开时灯熄灭，节约用电;在厕所中安装感应式水龙头，只有将手放在水龙头下时才会有水流出，在手离开时，水会随之停止，可以有效减少水资源浪费。
　　1.3 -卡通管理建设
　　一卡通是为学生在校生活提供便利的一个重要工具[7]。在卡中利用RFID电子标签植入用户信息，每人有且只有一张卡。校园卡既方便学生携带又方便管理员管理与维护。其主要功能包括：身份认证识别系统、校园餐饮收费管理系统、校园一卡通图书馆管理系统等其它管理系统。在每一收费处设置RFID阅读器，当卡放在设备上时，后台服务器采集用户信息，并将卡内余额显示在设备上，卡内金额交易根据收费员实际操作进行扣款与充值，比如在食堂用餐、超市购买物品、宿舍购买热水及充值。若卡内余额不足，将提示余额不足信息，只有在卡内额度充足时才能进行消费操作。
　　1.4 图书管理建设
　　图书管理建设主要是RFID技术、定位系统以及红外线感应器的综合运用。图书馆门禁系统采用RFID技术对人馆人员进行身份识别[8]，在校园一卡通里装有唯一可识别的芯片，在刷卡进入时，由感应系统识别芯片并确认身份。
　　图书馆管理重点是图书，每一本书籍贴有唯一的RFID标签（二维条形码），馆内多处设有阅读器，由阅读器将书籍定位信息发送给主服务器，在登录服务器之后，可以查看所有图书信息，并且只有管理员可以进行该操作。在大厅设置导航电脑，借阅人员可通过电脑查询图书基本信息，如书籍位置、图书简介、作者介绍等，电脑联网操作也必须使用校园网，校园网管理员可对其进行网络管理。借閱图书时，管理员需使用红外线感应器设备对图书进行消磁操作，方可成功借阅图书，在图书馆门口设置相应感应器，若图书未进行消磁，设备将发出警报提醒，以免图书丢失。同时在归还图书时，需要对图书进行充磁操作，确保图书能及时放回原处，方便图书下次被借阅。
　　1.5 安全管理建设
　　校园建设重点之一是安全建设，无论是校内师生、工作人员还是校外人员，其人身安全在校内都需得到有效保障。除安保人员外，门禁和读卡设备、监控设备、安全通信控制系统都是安全管理建设中的关键应用。其中物联网技术发挥着很大作用，其典型应用为RFID、电子摄像头等智能终端。在校园各个教学楼、主干道及角落处均安装摄像监控，将校园划分后进行分块管理，每个区域均设置一个监控室，安排工作人员实时监控校园状况，确保人员安全。 　　除校内人员人身安全外，校内贵重的教学设备安全也很重要[9]，比如教室多媒体、实验室电脑以及其它重要实验设备等。在不易挪动的贵重设备装上有包含基本信息的RFID标签，将标签嵌入设备，并设置警报装置，在操作不当或设备故障时可自动发出警报提醒。在机房及有重要电子设备的地方需装上温度、湿度及烟雾报警器，在发生事故时，可及时发现并采取有效措施，减少设备损失。
　　2 智慧校园建设架构
　　2.1 建设规划
　　以物联网为基础的智能管理系统主要由4个技术体系层面有效整合而成，其主要包括：感知与控制层、网络层、平台服务层、应用服务层[10]。其中物联网技术在智慧校园中的建设主要通过感知层、传输层、数据处理层3个层面的建设实现，本部分将基于这3个层面展开分析。
　　2.2 建设方案
　　2.2.1 感知层建设
　　（I）RFID子网。在RFID子网中，根据射频识别独有的特点——自动识别，可以通过阅读器发射无线电信号读取并获得物体相关数据信息，主要由电子标签和阅读器两部件组成。根据获取信息数据距离的远近，可以将RFID分为低频、中频、高频以及超高频四大类。由于大部分高校已广泛使用校园一卡通，因此校园一卡通建设可以在RFID校园子网的基础上实现。关于RFID校园子网建设，本次设计方案采用校园卡和移动通讯技术相结合，并基于RFID 2.4 GHz频率融合手机SIM卡技术的特殊实现方式，使校园卡和电话卡两卡合一，把校园卡作为内部RFID识别基本媒介。其中RF-SIM卡是可实现中短距离之间无线通信的手机智能卡，通过它可以进行消费、身份识别等操作，是一个多功能的全方位服务平台。
　　（2）二维码子网。二维条码是按一定规律在平面上分布的黑白相间的图形，它是一种特定的几何图形，用来记录数据符号信息，通过光电扫描设备对其进行扫描，读取和识别其中包含的信息。二维码在校园中的应用非常广泛，主要集中在对图书馆书籍管理、机房内重要设备管理及校内物资入库、出库管理、出库内部管理和货物配送等环节。由于图书馆各房间大小不同、机房楼层间距较大，导致二维码分布比较分散，可以通过建设数据采集基站有效解决该问题。二维码具体作用如下：首先是入库管理，在物资上贴上二维条形码标签，通过标签可识别物资存放信息和特征信息，并将其信息存放在数据库;其次是出库管理，在物资出库时扫描上面的二维码，确认物资信息，再确认无误后更改库存状态;然后是出库内部管理，库存盘点和出库备货过程均需使用二维条码;最后是货物配送阶段，在配送物资之前，将配送物资的资料由终端传输到目的地，选出待配送的物品并扫描其二维条码，确认配送完该物品后，终端显示出相应提示，并确认配送情况。
　　（3）传感器子网。传感器是物联网核心元件，就像人体神经末梢，它对外界变化的感知最迅速、敏感，是感知外界变化的关键，而且传感器配备是基于物联网的智慧校园建设完整构成的必备条件。传感器的作用是存储拥有二维码及RFID识别工作物品的关键信息，在物品信息发生改变时，通过传感器可及时更新，改变物品信息，即时检测物品实时信息。传感器不仅在物品信息改变的识别上体现了敏感性，更重要的是传感器能够实现节点与节点之间的可靠传输，这对物联网建设与应用具有重大意义。
　　2.2.2 传输层建设
　　校园网建设是传输层建设的基础，目前大部分高校已建立校园网。加快无线校园网建设的步伐，使基于物理网技术的管理范围更广，同时还应加大移动服务构建频率、无线传输通道建设和路由器建设，这三者是无线传输通道建设的主要内容，也是传输层中的重要传输媒介。
　　2.2.3 数据处理层建设
　　数据处理层建设是智慧校园建设的一个重要环节，通过对用户信息的分析处理实现信息判断。在已有技术基础上通过对各种软件的有效利用与融合，建立智慧校园软件平台，通过对软件平台的使用实现校园管理智能化，在这个过程中有两个重要应用。
　　首先是校内管理应用，包含学生教学管理、后勤管理、学生管理、图书馆管理、教职工和学生考勤等，建立完善的物联网架构，同时构建统一的信息平台。比如教务管理系统、智能后勤管理系统、图书管理系统等，利用这些系统可以有效提高教学质量与水平。
　　其次是对校内人员身份识别的应用，主要是门禁身份识别系统，其中包含实验室、教室、图书馆、车禁，学生宿舍等门禁身份系统，在校园内建立一套完整的身份识别系统，通过RFID、校园一卡通和二维条码识别确认身份，加强安全建设。
　　3 问题及发展方向
　　智慧校园建设相关研究表明，在实际构建过程中还存在诸多问题。目前智慧校园研究集中于技术应用层面，对物联网相关技术的意义和作用强调得较多，对教育教学方面考虑较少。智慧校园概念还需普及，相关技术也有待进一步发展，智慧校园不会在短时间内取代数字校园。在教育领域的技术应用还需加强，其上升空间较大。
　　基于物联网技术的智慧校园建设促使数字校园向智慧校园转化，对教育质量的提高有重要作用，同时也开拓了教育信息化与智能化的新边界。目前教育正处于变革阶段，教育信息化与智能化起着重要促进作用，它们既提升了教学和管理质量，也加快了教育科研、秩序管理和政策的实施与融合。教育管理信息化与智能化还需在实践中继续积累经验，构建更好的环境和更完善的建设体系。
　　目前在智慧校园建设中，物联网技术与其它技术之间的联系并不密切，大部分应用使用物联网技术实现，技术应用单一，应着力打破技术壁垒。人工智能与云计算技术已逐渐在智慧校园中得到应用，具体措施包括在校园安保中设置基于人脸识别的视频监控系统，在图书馆内设置自动借书还书系统等，既节约人力成本，同时也可进一步确保校园安全，提高工作效率。未来智慧校园建设必将融合更多的智能技术。
　　4 结语
　　基于物联网技术进行智慧校园建设是高等院校智慧校园建设发展的主要方向。相关技术改进依赖于人工智能与云计算技术的发展与应用[11]，未来应加强技术之间的深度融合，探索新的建设方式，以创造更高价值。
　　参考文献：
　　[1] 刘永峰.物联网技术在智慧校园建设中的应用[J].中国战略新兴产业，2018（12）：73.
　　[2] 沈霞娟，高东怀，刘健，等.面向智慧校园的第四军医大学新校区信息化建设方案初探[J].华东师范大学学报（自然科学版），2015（1）：45-46.
　　[3] 蒋东兴，付小龙.大数据背景下的高校智慧校园建设探讨[J].华东师范大学学报（自然科学版），2015（3）：119-125。
　　[4]任军利.基于信息化的“智慧校园”建设方案与实施[J].信息系统工程，2016（4）：124-125.
　　[5] 王凌云，龙虎.大数据时代下智慧校园信息化建设探究[J].凱里学院学报，2016（12）：35-36.
　　[6] 吴彦.基于云计算和物联网技术的智慧校园建设和发展研究[J].网络安全技术与应用，2018（9）：62-63.
　　[7] 刘彤.物联网应用于智慧校园的可行性研究[D].呼和浩特：内蒙古大学，2015.
　　[8] 孟勋.基于物联网的智慧校园建设[J].中国科技信息，2019（7）：19-20.
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　　[10] 让金鹏.物联网技术在智慧校园建设中的应用现状与发展趋势[J].计算机产品与流通，2017（12）：222.
　　[11] 周彦伟.智慧校园建设中的物联网技术研究[J].科技风，2018（36）：104.
　　（责任编辑：江艳）
　　作者简介：朱倩（1983-），女，硕士，武汉科技大学城市学院信息工程学部讲师，研究方向为物联网、信息技术教育。
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