基于物联网技术的智慧校园系统建设分析_杜雪娟.pdf

25网络通信与安全Network Communication&Security电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering我国是教育大国，截至 2022 年，全国各地共有学校 52.93 万所、在校生 2.91 亿人，这表明我国教育事业发展态势良好，也客观要求加强校园管理，提升学生的在校生活、学习质量。值得注意的是，我国近年来校园管理得到的关注较多，校园暴力、学生公寓安全需要予以重视，学生线上学习、数字化资源的使用等有助于教育活动开展的技术也更多走入公众视野1。尽管各地均在尝试校园管理的信息化，但进度各有不同，目前各地以教育信息化十年发展规划高校信息化建设十四五规划、中小学学校智慧校园信息化十四五建设规划实施方案等为核心，指导各地校园信息化建设，物联网技术、智慧校园成为高频词汇，在此背景下，有必要就基于物联网技术的智慧校园系统建设思路、方法进行研究。1 物联网技术与智慧校园系统1.1 物联网物联网（Internet of Things，简称 IoT）即“物物相连的互联网”，是指通过各种信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等技术设备和手段，实时信息实时收集、实时交互的一种信息化工作系统。物联网强调以物理对象为直接连接目标，完成大范围的信息共性、自下而上的反馈、自上而下的管理，在现代社会管理系统中具有重要作用，也是包括学校在内各类组织管理模式的未来发展方向之一2。其技术原理如图 1。1.2 智慧校园系统智慧校园系统是通过信息化手段，实现对校园内各类资源的有效集成整合和优化，实现资源的有效配置和充分利用，将校务管理过程的优化协调，该系统主要为校园提供数字化教学、数字化学习、数字化科研和数字化管理3。2018 年 6 月 7 日，国家标准智慧校园总体框架（Smart campus overall framework）发布，智慧校园系统建设的规范性得到提升，其未来发展、应用也得到了更多重视。智慧校园系统工作内容如图 2。2 基于物联网技术的智慧校园系统建设思路2.1 联动性联动性，是物联网技术下智慧校园系统建设的基本思路，是指物联网下校园管理、服务、教育等各个部分的工作能够相互关联，一体化开展。如学生提出的入校请求，可被信息库快速响应，以门禁系统、报警系统共基于物联网技术的智慧校园系统建设分析杜雪娟（运城师范高等专科学校 山西省运城市 044000）摘要：本文以智慧校园系统建设为核心，分析了物联网技术在此过程中的应用，首先简述物联网技术与智慧校园系统，在此基础上研究基于物联网技术的智慧校园系统建设思路，包括联动性、实时性、可扩展性、集成化等内容，再就具体建设方法进行研究，分析系统基本架构、关键技术、系统作业流程等内容，最后对基于物联网技术的智慧校园系统建设进行展望，包括技术延伸、功能丰富、成本控制等，服务智慧校园系统建设和物联网技术的运用。关键词：物联网技术；智慧校园系统；信息技术；系统设计图 1：物联网技术原理图26网络通信与安全Network Communication&Security电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering同作业的方式，确定学生身份的合法性，以远程管理的方式开放门禁或阻止学生进入。由于物联网本身关注信息交互、共享，其联动性也成为物联网的基本特点，能够服务智慧校园系统开展各项工作，提升效率和质量4。2.2 实时性实时性是指智慧校园系统的建设中，应寻求发挥物联网物物相连、人物相连、人人相连的特点，能够在系统内快速处理、响应、反馈、加工各类信息，实时整个智慧校园系统工作的高度实时化。如学生提出了访问资源库的申请，此申请应快速借助有线或无线通信技术，被管理平台感知、响应，使学生的服务请求能够快速得到处理，短时间内即可进入信息库（如果学生身份不合法则予以拦截）5。其他方面的工作也采用此思路，强调发挥物联网优势，提升系统管理、服务效率。2.3 可扩展性可扩展性，是指智慧校园系统的建设应考虑未来变化，在常规提供管理、教育等服务的基础上，确保本系统具有可优化的空间。如物联网建设、运用必然依赖数据信息，尤其是实时信息，以保证系统的工作能力为目标，需要在常规建设信息工作系统、数据库的同时，提升数据传输、加工能力，使大量、不同的数据可在短时间内得到系统的集中处理、响应6。这意味着 CAN 系统技术以及必要的有线、无线通信技术，可视作智慧校园系统建设的重点技术，用以辅助物联网建设和应用。2.4 集成化集成化是现代信息技术发展的核心趋势，主要强调通过芯片设计、制造和封测等，使其功能的持续优化，将一些此前不兼容或未作出兼容性分析的技术，集成到一块芯片中，集中进行管理。从技术实现的角度出发，当前物联网建设以及智慧校园系统建设，对高新技术的依赖性有限，可通过目前市场、研究部门普遍采用的一般性集成技术，实现物联网建设，将教育、信息管理、安全管理等工作纳入到同一个系统中。但集成化也需要考虑逻辑管理方面的支持，可借助 PLC 逻辑控制技术或分布控制、集中管理等方式，保证物联网对智慧校园系统的服务能力。3 基于物联网技术的智慧校园系统建设方法3.1 物联网技术下的系统基本架构图 2：智慧校园系统工作内容27网络通信与安全Network Communication&Security电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering以物联网技术为依托，智慧校园系统建设重视信息的采集、处理，以及物联网内各个节点的实时交互，考虑到校园工作内容多样、主体较多，信息采集和交互等工作应重视互不干扰，即便同步产生也应能够有条不紊的完成处理，做到全覆盖和差异化服务。按此要求，系统的基本架构如图 3 所示。该架构下，基于物联网技术的智慧校园系统共分为四个部分，即参与节点、执行单元、管理单元、辅助单元。参与节点是指智慧校园系统内，通过物联网实现实时连接的各类主体，包括校园内的师生、教务系统、学生公寓、食堂以及其他可作为独立节点连接到智慧校园系统内的主体，包括警卫人员、医务人员等。该结构是智慧校园系统的主要服务对象，如学生尝试进入校园时，借助指纹、面部识别等方式，快速通过系统认证，可准予进入校园，以避免闲散人员进入学校造成安全方面的隐患。需要注意的是，参与节点与执行元件之间的带有双向交互的基本特征。学生出具的信息需要由执行元件收集，由计算机分析，再予以反馈，以完成认证活动。执行单元即智慧校园系统内的信息采集、交互设备，包括传感器、监控设备、射频识别设备等，这些设备也是物联网工作的关键结构之一，可以由学校管理（如门禁系统），也可以由师生等主体自由管理（如智能手机）。如学生尝试进入校园数字化图书馆，可借助智能手机访问数字化图书馆，此时执行设备由学生自行管理；当学生尝试进入校园、公寓时，对其进行信息采集的设备则由学校统一进行管理。管理单元是智慧校园系统的核心部分，该部分以计算机或计算机群组成，由管理人员设定工作程序，履行系统应有的各项工作。如门禁管理功能、实时响应功能、智能管理功能等。如果学校管理内容过多，以计算机群作为管理中心，以实现大量信息的实时处理，反之则以大容量计算机进行处理，以减少作业成本，能够满足物联网管理即可。辅助单元是指智慧校园系统内的其他辅助性结构，一方面物联网建设需要考虑功能延伸，另一方面校园管理的复杂性较高，需要以辅助性设备确保物联网技术下智慧校园系统的功能得到妥善履行。如服务主体较多的情况下，需要设置总线系统处理信息，门禁系统则需要提供必要的报警服务功能，需要以报警器发挥辅助作用。原则上辅助单元并非物联网技术的核心结构，以智慧校园系统功能完善化为目标则应加以考虑。3.2 物联网技术的实现图 3：基于物联网技术的智慧校园系统框架28网络通信与安全Network Communication&Security电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering物联网技术是智慧校园系统建设的基础，也是建设智慧校园系统的基础，其实现的关键可细分为四个方面，即交互模块、智能分析模块、云服务模块、硬件服务模块。3.2.1 交互模块交互模块强调双向信息交互，在设计上主要强调根据智慧校园系统特点，保证交互模式的多样性。师生等人员在智慧校园系统内可选交互模式见图 4。短剧射频技术可服务刷卡就餐等一般服务，以信息实时共享的方式为师生和校园管理端（如食堂管理人员）提供便捷的服务。在访问线上信息库时，交互方式为半实物化，借助智能手机等发出服务请求，在信息化环境内由系统通过认证、提供服务。监控识别技术则用于进出校园等管理工作，以监控设备实时收集人员的面部特征以及一般性的环境信息，为管理工作提供持续帮助。短剧射频技术和监控识别技术强调通信有线化，移动终端访问则无需有线线路提供支持，可在无线模式下开展。非人员所使用的交互模式与此不同，见图 5。非人员主要是指执行终端和管理终端、数据库，实际工作中，执行终端的信息采集工作一般以管理终端提供的程序为基础，有序、规范进行，其反馈信息的交互行为，也是在管理终端默认程序支持下进行的。在采集原始信息时，则由人员进行管理、记录，如新生入学的信息采集，因管理终端尚未掌握新生信息，执行终端需要做原始信息采集，再提供给管理终端、滚入到智慧校园系统的数据库内。非人员使用的交互模式相对较短，一般以有线通信为核心模式，以保证作业效率，规避无线信号被干扰、破坏等问题。3.2.2 智能分析模块智能分析模块是物联网的关键模块，也是智慧校园系统“智慧性”的关键。智能分析的基础是广泛、详细的数据，以及数据处理、智能训练（主要是降维训练）等技术方法，对大量数据进行加工后提炼其核心数据，纳入到智慧校园系统的工作模块，用于管理活动。如高校校园内的公寓门禁管理系统，以智能技术为依托，要求首先采集学生信息，默认 X 学生的面部特征（包括眼距、额宽等各类具有特异性的面部特征）为：HU；9A；F8A；WG；79；G9面部特征采集的过程中，上述特点被记录到信息库中，在该生尝试进入公寓时，可被系统识别，并根据识别结果决定是否放行。见图 6。在该模式下，学生尝试进入公寓时，首先由门禁系统对其进行信息采集，再与信息库内信息进行对照，通过辨识后，学生可进入公寓，反之则阻止其进入并发出警报予以处理。图 5：智慧校园系统内非人员所使用的交互模式图 6：智慧校园系统内学生公寓的智能门禁管理图 4：智慧校园系统内师生等人员可选的交互模式29网络通信与安全Network Communication&Security电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering3.2.3 云服务模块以物联网支持智慧校园系统建设，云服务主要应用于数据处理层面，由于校园内的信息总量较大，且类别各有不同，如果均以线下作业平台进行处理，需要的存储空间、处理空间均较大，建设成本很高，同时很多临时性的工作数据并不具备保留价值，智慧校园系统建设无需考虑此类数据的长期留存，在此要求下，云计算得到运用，可视作物联网应用于智慧校园系统的重点技术之一。该技术主要强调云端信息处理，工作过程如图 7所示。实时人员信息、实时管理信息、其他实时信息均可通过有线、无线线路得到传输，将其服务和管理请求发送到云端，由云端快速完成处理，再反馈给智慧校园系统管理处，由管理处根据云端处理结果作出响应和处理。云服务的优势在于能够快速完成信息处理，但其弊端也应予以重视，云服务是第三方提供的，安全性往往存疑，可能导致校园信息泄露，因此目前此模式并未在国内智慧校园系统中得到普遍运用，未来工作中，如果本校的信息处理数目有限，也并不建议优先采用云服务模式，可在资金允许的情况下，建立服务校内以太网的计算机群，用以处理较多的实时信息。3.2.4 硬件服务模块硬件服务是物联网建设的基础性条件，也是构建智慧校园系统的基础。主要是以计算机、通信网络、执行终端等设备的购买、安