基于物联网的智慧校园平台设计_杨建军.pdf

第39卷第1期2023年2月山西大同大学学报（自然科学版）Journal of Shanxi Datong University(Natural Science Edition)Vol.39 No.1Feb.2023基于物联网的智慧校园平台设计杨建军（山西大同大学网络信息中心，山西 大同 037009）摘要：完成了基于物联网的智慧校园平台的设计与实现，提出了设备管控模型的概念，用于进行设备业务数据和告警数据的采集，同时下发智慧校园平台对现场设备的控制指令。智慧园区平台通过接入包括人脸识别终端、闸机门禁、红外人体感应终端在内的智能物联网设备，实现了校园出入管控、图书馆管理、宿舍管理、教室管理、校园金融和食堂餐饮管理6大业务功能模块，能够极大地提升全校师生及其他工作人员的学习工作效率和畅用畅行体验。关键词：物联网；设备管控模型；智慧校园平台中图分类号：TP319文献标识码：Adoi：10.3969/j.issn.1674-0874.2023.01.006随着 5G 时代的到来，高速率、低延时、大连接的网络基础设施助力万物实现连接和入网，各种各类智能和非智能设备能够通过诸如蓝牙1、WiFi2、ZigBee3无线通讯技术等物联网的方式接入系统中，从而实现大量终端在云端的统一管理和远程控制。目前，物联网行业实现爆发式发展，从过去单个的智能设备的线下使用，逐渐转变为万物的互联互通，智慧园区4、智慧工厂5、智慧城市6等概念也随之而来。1 系统整体设计基于物联网技术，设计实现智慧校园平台，并将其相关设备终端纳入统一管理。图1为系统的整体设计方案，分为设备层、网络层和应用层，其中设备层为智慧校园平台中所使用的三类物联网终端：人脸识别终端、闸机门禁和红外人体感应终端，其操作系统上均运行着所设计并实现的代理软件包agent，从而以物联网的方式接入；网络层为设备入网的方式，所涉及设备均通过校园网接入，并为其规划了物联网设备的专属网段；应用层为智慧校园平台的各个业务模块，包括6个业务功能模块和1个设备管理模块，具体将在后续展开介绍。首先对智慧校园平台的各个功能模块进行了介绍，明确了各场景下基于物联网技术的应用和实现效果；其次，介绍了智慧校园平台基于物联网的实现方案，主要包括物联网设备的接入方案、设备与平台之间基于物联网的交互方案、以及云端智慧校园平台基于基础物联能力的实现逻辑；最后，对基于物联网的智慧校园平台的前景进行了展望。图1 系统整体设计方案2 智慧校园场景功能介绍智慧校园平台集教职工、学生在校内的学习、工作、生活为一体，涵盖校园出入管控、图书馆管理、宿舍管理、教室管理、校园金融和食堂餐饮管理等6个收稿日期：2022-09-05作者简介：杨建军（1968-），女，山西大同人，工程师，研究方向：网络工程。E-mail：文章编号：1674-0874（2023）01-0021-07山西大同大学学报(自然科学版)2023年业务功能模块和1个设备管理模块，其实现效果如图2。其中设备管理模块主要实现智慧校园平台下所使用的智能设备的注册录入功能和设备管控模型，设备的控制功能均在各个业务功能模块中根据实际业务场景触发。智慧校园平台初始化一次性导入校内教职工工号以及学生学号、预留手机号、身份证号、预先采集的人脸信息，完成注册。图2 智慧校园平台首页此处主要介绍6个业务功能模块：2.1 校园出入管控模块校园出入管控支持教职工、学生通过人脸识别自动控制闸机门禁进出校园，后台对接国家政务平台获取国办健康信息，自动识别出人脸对应人员的疫情防控信息，判定为正常时准许出入。在疫情严格管控非必要不流动时，开启线上审批模式，校内人员必要情况申请出入校，需进行线上审批，填报出入校原因、出入校时间段，学生审批流程由辅导员或其他院系责任老师审批，职工需通过所在部门主要领导人审批。审批通过的教职工、学生，在审批的时间段内，出入校园人脸识别时显示“*审批通过”，闸机门禁开启可以通过，否则显示“*无有效的审批申请”，闸机门禁维持关闭状态。同时，系统自动统计出入校人员情况，包括当日出校人数、入校人数、出校入校时间、所在学院、所在宿舍等信息，用于统计分析出校/入校人员时间段分布、学院分布、宿舍分布，若出现密接者，及时发现时空伴随人员，实现校园出入管控自动化、智能化。2.2 图书馆管理模块图书馆管理支持教职工、学生通过人脸识别自动控制闸机门禁进出图书馆，同时由红外人体感应设备识别人员出入。系统自动统计出入图书馆人员情况，包括当日进出图书馆人数，结合图书馆原有座位，在系统上实时显示图书馆剩余座位，以供教职工、学生判断是否前往图书馆。2.3 宿舍管理模块宿舍管理支持学生通过人脸识别自动控制闸机门禁进出宿舍，系统自动统计出入宿舍人员情况，包括当日进出宿舍人员信息、所在学院、最晚归宿时间，可实现自动查寝。2.4 教室管理模块教室管理支持通过红外人体感应终端自动统计出入人数，显示空闲自习教室和当前教室人数，以便学生根据自习室人数选择忙闲合适的自习室前往学习。教职工、学生还可以线上预定教室用以开展授课、培训、活动等事项，平台在线显示各教学楼教室预定信息（时间、教室、活动内容），活动信息还可一键同步到首页广播栏，其他学生均可选择感兴趣的课程或活动前往参加。同时选课学生在进入教室时需人脸识别签到，课后教师在系统中自动导出签到信息以统计课程出勤情况，避免在课程中点名签到浪费时间，也避免他人代答到的情况。2.5 校园金融模块校园金融模块支持教职工、学生在实名认证后，绑定个人银行卡。教职工可选择绑定的银行卡为工资卡，后续学校自动转入工资。学生授权自动扣费，后续学校自动从该卡收取学费。教职工及学生均可在线向个人校园账户充值及余额提取，校园账户支持在学校食堂、超市、咖啡厅、水果店、文印店刷脸支付消费，依据商家设置，可提供一定的消费折扣，同时消费累计积分，积分可在消费时抵扣。2.6 食堂餐饮管理模块食堂餐饮管理支持教职工、学生通过人脸识别完成个人校园账户支付，同时提供菜单供教职工、学生提前预览，并可在线选择菜品、自提时间进行下单，食堂自动按所下订单及取餐时间打包，以减少教职工、学生在食堂排队等候时间，同时减少人员聚集。3 智慧校园物联网技术方案3.1 设备管控模型提出“设备管控模型”的概念，每种物联网设备222023年都具有“业务数据”“告警数据”和“控制指令”三种特异属性以及“设备基本信息”一种通用属性，其中业务数据是指设备按照固定周期或预先设定的触发条件而产生的具有业务含义的数据，告警数据是指设备因故障问题而产生的错误代码、错误描述，控制指令是由人或系统根据业务场景需要对设备进行控制而产生的计算机命令，设备基本信息包括设备标识（devSN）、设备类型（devType）、设备型号（devNum）、设备状态（devSta-tus）、设备部署位置（devPosition）等属性，通用获取方法为INF_getCommonInfo，参数为设备标识。智慧校园平台共有3种类型设备：闸机门禁应用于校园出入管控、图书管管理、宿舍管理，红外人体感应终端应用于教室管理、图书馆管理，人脸识别终端应用于所有模块。其设备管控模型如下。3.1.1 人脸识别终端（1）通过INF_FaceDev_getBusinessInfo方法获取业务数据，如表1。表1 INF_FaceDev_getBusinessInfo返回值键名(Key)userNameuserNouserPhototimeopenGategateDevSNpayCash类型StringString自定义Img对象DateBoolStringBool中文名人员姓名人员工号/学号人员照片通行时间是否联动闸机开门闸机设备标识是否联动扣款是否必须获取必须必须非必须必须非必须非必须非必须人脸识别终端搭载人工智能AI模块，在设备自身操作系统应用程序中实现人脸到人员工号或学号的映射，设备上传相关数据到智慧园区平台，后端各个模块继而能够根据人员编号查询到相应的业务数据执行后台程序。例如，宿舍管理模块根据编号在数据库中关联查询到人员所在学院编号collegeNo、所在班级编号classNo、宿舍（精确到门牌号）domito-ryAddress等信息；校园出入防控模块根据编号查询疫情防控识别结果epidemicType；食堂餐饮管理模块根据编号查询到关联账户余额等。此外，人脸识别设备可以通过智慧校园平台联动控制闸机门禁，人脸识别设备上传的业务数据包括“是否联动闸机开门”openGate标识和闸机门禁设备标识gateDevSN，智慧校园平台校园出入管控模块收到数据后触发第 3.1.2 节的下达打开闸机门禁控制指令。（2）通过INF_FaceDev_getAlarmInfo方法获取告警数据如表2。表2 INF_FaceDev_getAlarmInfo返回值键名(Key)alarmNo类型String中文名告警代码是否必须获取非必须（3）通过 CMD_FaceDev_setWhiteList 方法下发白名单控制指令，参数如表3，响应如表4。表3 CMD_FaceDev_setWhiteList参数键名(Key)whiteList类型People 自定义类型，包含人员姓名、学号/工号、人脸图像中文名下发通行白名单是否必须获取必须表4 CMD_FaceDev_setWhiteList响应键名(Key)status类型Bool中文名下发成功状态是否必须获取必须（4）通过CMD_FaceDev_setPayment方法下发扣款金额控制指令，参数如表5，响应如表6。表5 CMD_FaceDev_setPayment参数键名(Key)payment类型Double中文名扣款金额是否必须获取必须表6 CMD_FaceDev_setPayment响应键名(Key)status类型Bool中文名下发成功状态是否必须获取必须智慧校园平台可以向设备下发扣款金额，该方法主要在联动收付款的模块使用，具体实现逻辑将在第3.3.2节介绍。3.1.2 闸机门禁（1）通过 CMD_GateDev_switchON 方法下达打开闸机门禁指令，参数见表7，响应见表8。表7 CMD_GateDev_switchON参数键名(Key)gateDevSN类型String中文名闸机门禁设备标识是否必须获取必须表8 CMD_GateDev_switchON响应键名(Key)switchStatus类型Bool中文名闸机门禁开关状态是否必须获取必须（2）通过INF_GateDev_getBusinessInfo方法获取业务数据如表9。表9 INF_GateDev_getBusinessInfo返回值键名(Key)switchStatus类型Bool中文名返回闸机开关状态是否必须获取必须杨建军：基于物联网的智慧校园平台设计23山西大同大学学报(自然科学版)2023年（3）通过INF_GateDev_getAlarmInfo获取告警数据如表10。表10 INF_GateDev_getAlarmInfo返回值键名(Key)alarmNo类型String中文名告警代码是否必须获取非必须闸机门禁设备接收到打开和关闭的控制指令并完成后，向智慧校园平台返回自身的开关状态；若闸机门禁设备接收到指令但因网络故障等原因无法完成指令，则向智慧校园平台返回告警代码。3.1.3 红外人体感应终端通过INF_InfraredDev_getBusinessInfo方法获取业务数据表11。表11 INF_InfraredDev_getBusinessInfo返回值键名(Key)inOrOut类型Int中文名返回人员进入/外出是否必须获取必须红外人体感应终端能够自动探测人员的进出，安装在教室或自习室的房间门口。当探测到人员进入时，终端向智慧校园平台发送人员进入信号；当探测到人员外出时，终端向智慧校园平台发送人员外出信号，从而实现获取房间内人员数量、有无人员的状态等信息。3.2 智慧校园设备接入系统基于设备管控模型的概念，设计并实现了在设备上运行的代理软件包agent，agent具备和