李俊華

（閩江學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心， 福建 福州 350108）

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能數(shù)字校園研究與設(shè)計

李俊華

（閩江學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心， 福建 福州 350108）

為解決當(dāng)前數(shù)字校園存在的資源整合與共享困難、管理效率較低等問題，在分析物聯(lián)網(wǎng)時代智能數(shù)字校園實際需求的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能數(shù)字校園系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及其功能模塊，研究了RFID技術(shù)、EPC編碼技術(shù)、傳感器技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)?；谖锫?lián)網(wǎng)的智能數(shù)字校園能夠?qū)崿F(xiàn)身份自動識別、圖書借閱管理、多媒體教室與實驗室管理、校內(nèi)消費管理等，為師生的工作、學(xué)習(xí)和日常生活提供更高效的服務(wù)。

物聯(lián)網(wǎng)；智能數(shù)字校園；RFID；自動身份識別

1 引言

現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展以及計算機(jī)相關(guān)硬件設(shè)備的快速普及，促進(jìn)了高校信息化建設(shè)的步伐，當(dāng)前各大高校已建成不同規(guī)模的數(shù)字校園，在一定程度上實現(xiàn)了高校信息化資源整合、校內(nèi)電子支付以及財務(wù)系統(tǒng)等各類信息管理系統(tǒng)的集成，[1]為師生的工作、學(xué)習(xí)和日常生活帶來了許多便利，如校園一卡通系統(tǒng)的建設(shè)與使用為學(xué)生在校內(nèi)就餐、購物、圖書借閱等提供了一種便捷的方式。然而，當(dāng)前數(shù)字校園在建設(shè)過程中不同程度地出現(xiàn)了信息系統(tǒng)集成難度大、用戶信息采集與更新不方便、學(xué)生一卡通丟失較多且難以進(jìn)行跟蹤追回等問題。同時隨著各類機(jī)構(gòu)和銀行不斷推出新的信息卡，每一位學(xué)生往往擁有多張信息卡，這給學(xué)生的日常使用帶來了許多不便。

自20世紀(jì)90年代以來，互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展與快速普及，對高校校園建設(shè)、教育教學(xué)模式、師生學(xué)習(xí)和生活方式產(chǎn)生了重要的影響，使高校全面進(jìn)入了數(shù)字化時代?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)與移動通信網(wǎng)絡(luò)的不斷深入發(fā)展，促使了新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)——物聯(lián)網(wǎng)的形成與發(fā)展，這將促進(jìn)新一代智能數(shù)字校園的研究與建設(shè)，從而為高校數(shù)字化資源與信息化系統(tǒng)的高效整合提供更有利的條件[2]，更好地為廣大師生的工作、學(xué)習(xí)和日常生活服務(wù)。為此，我們在研究了物聯(lián)網(wǎng)功能及其特征的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能數(shù)字校園系統(tǒng)。

2 物聯(lián)網(wǎng)時代的智能數(shù)字校園

物聯(lián)網(wǎng) （Internet of Things，簡稱IOT）又稱為傳感網(wǎng)，是互聯(lián)網(wǎng)從人向物的延伸，是指在真實物理世界中部署具有一定感知能力和信息處理能力的嵌入式芯片和軟件系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)施實現(xiàn)信息傳輸和實時處理，從而實現(xiàn)物與物、物與人之間的通信。[3]從技術(shù)的角度來看，物聯(lián)網(wǎng)是在計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上利用射頻識別 （RFID）、無線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，將射頻識別設(shè)備、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)施按約定的協(xié)議把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來進(jìn)行信息交換和數(shù)據(jù)通信，[3]以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)測和管理的新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。[4]

在物聯(lián)網(wǎng)中，各類終端設(shè)備被植入可進(jìn)行編碼、掃描、讀寫的微型感應(yīng)芯片，而且將其接入高速互聯(lián)網(wǎng)，使各類終端設(shè)備變得更加智能化，方便相關(guān)物品的自動識別、跟蹤定位、遠(yuǎn)程遙控、信息共享、資源管理等。[5]因此，物聯(lián)網(wǎng)能夠利用RFID標(biāo)簽、傳感器、無線通信網(wǎng)絡(luò)等實時采集物品的各種信息，并將這些采集到的信息通過高速互聯(lián)網(wǎng)或無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)叫畔⑻幚碇行?，這些信息在信息處理中心經(jīng)過云計算技術(shù)提供的海量信息處理功能對其進(jìn)行智能化處理之后，就可以實現(xiàn)人與人、物與物、人與物之間的有效溝通。[6]因此，物聯(lián)網(wǎng)可以提高各類物品和資源的管理效率和使用效率，也非常適用于智能數(shù)字校園的建設(shè)。

云計算技術(shù)和傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，促使了物聯(lián)網(wǎng)時代的到來。當(dāng)前手機(jī)已成為高校師生必備的日常用品，手機(jī)中具有可集成師生個人信息的SIM卡，這為物聯(lián)網(wǎng)時代新一代智能數(shù)字校園的構(gòu)建奠定了良好的基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)時代的智能數(shù)字校園是以師生用戶手機(jī)中的SIM卡和標(biāo)簽識別器為主要終端設(shè)備，以物聯(lián)網(wǎng)為網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，將高校師生的相關(guān)信息集成在其手機(jī)的SIM卡中，[7]從而使手機(jī)可用于實現(xiàn)師生身份識別、圖書借閱管理、多媒體教室與實驗室管理、校內(nèi)消費管理等多種功能，能夠方便、快捷地為師生的工作、學(xué)習(xí)和日常生活提供全方位的便捷服務(wù)。[8]為此，我們在研究物聯(lián)網(wǎng)時代智能數(shù)字校園實際需求的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能數(shù)字校園系統(tǒng)。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能數(shù)字校園系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)數(shù)字校園各類功能有效集成和方便用戶使用的基本理念，基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計了一種可實現(xiàn)用戶管理與自動身份識別、圖書借閱、校內(nèi)消費、學(xué)生信息管理等功能的智能數(shù)字校園系統(tǒng)。

3.1 體系架構(gòu)

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)時代智能數(shù)字校園對師生身份自動識別、應(yīng)用數(shù)據(jù)管理集成與共享的實現(xiàn)需求，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能數(shù)字校園采用如圖1所示的三層體系，主要包括應(yīng)用數(shù)據(jù)服務(wù)層、網(wǎng)絡(luò)通信層和終端用戶層。其中，應(yīng)用數(shù)據(jù)層包括用戶信息數(shù)據(jù)庫和用戶信息管理服務(wù)器以及圖書借閱管理、校內(nèi)消費管理等各類應(yīng)用服務(wù)器及其相應(yīng)的應(yīng)用數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)備份服務(wù)器，主要用于智能數(shù)字校園系統(tǒng)中用戶基本信息的存儲與管理、師生學(xué)習(xí)和工作中相關(guān)信息的管理及其處理、以及用戶基本信息、用戶個人賬戶信息、圖書借閱信息、多媒體教室和實驗室使用信息、校內(nèi)消費信息等數(shù)據(jù)的備份；網(wǎng)絡(luò)通信層包括互聯(lián)網(wǎng)、高校自建的校內(nèi)無線通信網(wǎng)和移動通信網(wǎng)組成，主要用于智能數(shù)字校園相關(guān)數(shù)據(jù)信息的交換與實時通信、短信收發(fā)等；終端用戶層包括具有SIM卡的普通手機(jī)、3G手機(jī)、智能手機(jī)和PDA、標(biāo)簽識別器，主要用于實時采集存儲在手機(jī)SIM卡中的用戶信息。這樣，通過師生手機(jī)SIM卡提供的統(tǒng)一用戶身份識別機(jī)制，可方便地實現(xiàn)數(shù)字校園系統(tǒng)內(nèi)各類數(shù)據(jù)信息的高效管理與校內(nèi)共享以及現(xiàn)有各類信息管理系統(tǒng)、數(shù)字化辦公系統(tǒng)的集成。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能數(shù)字校園體系架構(gòu)

3.2 系統(tǒng)功能模塊

以統(tǒng)一用戶身份識別機(jī)制為基礎(chǔ)，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能數(shù)字校園系統(tǒng)主要由用戶身份管理、圖書借閱管理、多媒體教室與實驗室管理、校內(nèi)消費管理五個功能模塊構(gòu)成，其功能模塊如圖2所示。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能數(shù)字校園的功能模塊

3.2.1 用戶身份管理

為基于校內(nèi)師生手機(jī)SIM卡實現(xiàn)用戶身份自動識別，校內(nèi)師生在使用該智能數(shù)字校園系統(tǒng)之前，首先需要在學(xué)校智能數(shù)字校園管理部門申請在自己的手機(jī)SIM卡中以RFID電子標(biāo)簽的形式寫入自己的個人基本信息，如姓名、性別、身份、職務(wù)、單位、籍貫、出生年月日等。這樣，一張普通的手機(jī)SIM卡就可以變成存儲了師生用戶基本信息、可用于校內(nèi)師生自動身份識別的終端設(shè)備，寫入了師生用戶基本信息的SIM卡可完全替代目前互聯(lián)網(wǎng)時代數(shù)字校園中廣大師生用戶正在使用的工作證、學(xué)生證、就餐卡、圖書證等。在學(xué)生畢業(yè)或教師離職時，在學(xué)校智能數(shù)字校園管理部門申請刪除自己手機(jī)SIM卡中的個人信息，這樣用戶手機(jī)卡就失去了自動身份識別功能，變?yōu)橐粡埰胀ǖ氖謾C(jī)卡。系統(tǒng)管理員可以利用管理員SIM卡登錄系統(tǒng)，利用用戶信息管理功能對師生的基本信息進(jìn)行添加、刪除和更新等操作，對掛失的SIM卡賬戶進(jìn)行凍結(jié)，以免對師生的個人財產(chǎn)造成損失。同時，師生可通過登錄記錄查詢模塊查看自己使用圖書館、語言實驗室、微格教室、公共計算機(jī)機(jī)房、各專業(yè)實驗室等校園公共設(shè)施的詳細(xì)情況。自動身份識別功能主要用于學(xué)生進(jìn)行選課、學(xué)習(xí)成績查詢、實驗室上課、進(jìn)入圖書館、圖書借閱、校內(nèi)消費以及教師進(jìn)行實驗室上課、圖書借閱、校內(nèi)消費等場合的用戶身份自動識別。SIM卡跟蹤與定位主要用于用戶手機(jī)丟失之后，根據(jù)最近一次用戶身份識別時標(biāo)簽識別器的位置或手機(jī)最近一次的移動通信服務(wù)基站位置來定位手機(jī)最可能的位置，為用戶找回手機(jī)和SIM卡提供參考信息。

3.2.2 多媒體教室與實驗室管理

隨著數(shù)字校園建設(shè)的不斷完善，高校擁有了大量的多媒體教室、微格教室、語言實驗室、公共計算機(jī)機(jī)房、物理、化學(xué)、藝術(shù)設(shè)計等專業(yè)實驗室，如何有效管理這些公用設(shè)施成為智能數(shù)字校園需重點解決的問題之一。教師在多媒體教室給學(xué)生授課已成為高校的普遍現(xiàn)象，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能數(shù)字校園在多媒體教室的多媒體控制臺上安裝標(biāo)簽識別器之后，教師可使用自己的手機(jī)SIM卡進(jìn)行自動身份識別，代替原先的鑰匙或餐卡等來開啟多媒體教室控制臺柜門，進(jìn)而打開多媒體設(shè)備進(jìn)行上課，提高多媒體教室的使用效率。微格教室、語言實驗室、公共計算機(jī)機(jī)房等公共實驗室是當(dāng)前大學(xué)生學(xué)習(xí)的重要公共場所，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能數(shù)字校園中的公共實驗室安裝標(biāo)簽識別器之后，師生在進(jìn)入和離開公共實驗室時使用自己的手機(jī)SIM卡進(jìn)行自動身份識別，系統(tǒng)將會記錄師生使用公共實驗室的時間。同時，師生用戶在登錄語言實驗室的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺時也需要使用手機(jī)進(jìn)行自動身份識別，以便系統(tǒng)記錄師生使用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺進(jìn)行教學(xué)和學(xué)習(xí)的具體情況。在物理、化學(xué)、生物、藝術(shù)設(shè)計等專業(yè)實驗室門口安裝用于師生SIM卡自動身份識別的標(biāo)簽識別器，對教師和學(xué)生使用該實驗室的狀態(tài)進(jìn)行記錄，以便實現(xiàn)對專業(yè)實驗室科學(xué)、有效的管理，提高實驗室管理的成效。

3.2.3 圖書借閱管理

師生進(jìn)入圖書館時只需將自己的手機(jī)放在圖書館門禁處的標(biāo)簽識別器處，圖書館門禁管理模塊即可根據(jù)所讀取的RFID電子標(biāo)簽信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接脩艄芾砟K，進(jìn)行自動身份識別處理。對于其合法用戶，圖書館門禁自動打開，否則用戶將無法進(jìn)入圖書館。圖書借閱管理功能主要用于用戶在閱覽室查閱圖書時記錄已查閱圖書信息、查閱的起始時間、查閱次數(shù)等，以及用戶在借書處通過手機(jī)SIM卡成功進(jìn)行用戶身份識別之后，通過相應(yīng)圖書的二維條碼來記錄用戶借閱的圖書詳細(xì)信息，從而實現(xiàn)完全自動的圖書查閱和借閱。同時，師生用戶在圖書館所借閱的書籍目錄信息會以手機(jī)短信的方式發(fā)送到用戶手機(jī)上，以便師生用戶對自己所借的書籍進(jìn)行及時的核對。學(xué)生在圖書館電子閱覽室查閱學(xué)校購買的中外文期刊數(shù)據(jù)庫、電子書籍、視音頻學(xué)習(xí)資料等電子資源時，可利用自己的手機(jī)SIM卡進(jìn)行自動上機(jī)管理功能。由此可見，物聯(lián)網(wǎng)在圖書館管理中的應(yīng)用可大大提供圖書館管理的自動化程度，降低圖書館管理方面的人力投入。

3.2.4 校內(nèi)消費管理

高校的校內(nèi)消費是師生日常學(xué)習(xí)生活的重要組成部分，基于SIM卡自動身份識別的校內(nèi)消費管理是一種便捷、安全的消費支付模式，可為高校師生提供優(yōu)質(zhì)的支付管理服務(wù)。校內(nèi)師生通過手機(jī)SIM卡的自動身份識別之后，就可利用水電費支付管理功能支付相應(yīng)宿舍和家庭的自來水費、公共浴室使用費、宿舍熱水使用費、洗衣費、電費等，這樣可大大減少使用現(xiàn)金支付的麻煩。師生在校內(nèi)超市購物或在校內(nèi)食堂就餐時，利用手機(jī)SIM卡成功進(jìn)行自動身份識別之后，便可利用超市消費管理或餐飲消費管理功能為自己的購物和就餐付款，實現(xiàn)校內(nèi)方便、安全的消費。校內(nèi)巴士消費管理主要用于師生用戶在乘坐校園巴士 （或電瓶車）的時候，進(jìn)行自動身份識別和消費支付，以此取代當(dāng)前校園巴士使用現(xiàn)金消費的模式。個人賬戶管理主要用于師生用戶查看自己的賬號余額、消費記錄、從自己銀行賬戶向校內(nèi)SIM卡賬戶轉(zhuǎn)賬等功能，同時，師生用戶每在校園中成功進(jìn)行一次消費或充值，消費管理系統(tǒng)都會將其消費的具體項目及其所花費的數(shù)額、或充值數(shù)據(jù)及其賬戶余額通過手機(jī)短信發(fā)送到用戶手機(jī)上，以便師生用戶對自己的賬戶進(jìn)行實時監(jiān)視和管理，從而提高校內(nèi)消費支付的安全性。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能數(shù)字校園的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 RFID技術(shù)

射頻識別RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，RFID系統(tǒng)主要包括RFID電子標(biāo)簽、標(biāo)簽識別器兩部分，其中RFID電子標(biāo)簽中存儲有EPC碼。[9]RFID技術(shù)是基于物聯(lián)網(wǎng)的智能數(shù)字校園的核心技術(shù)，它能為師生手機(jī)上SIM卡貼上RFID電子標(biāo)簽，當(dāng)師生攜帶具有RFID電子標(biāo)簽的手機(jī)SIM卡通過標(biāo)簽識別器時，電子標(biāo)簽被標(biāo)簽識別器自動感應(yīng)并通過無線網(wǎng)絡(luò)將電子標(biāo)簽中的信息傳送到信息處理中心，經(jīng)過處理之后再將處理結(jié)果發(fā)送到標(biāo)簽識別器上，從而實現(xiàn)靈活、高效的自動身份識別和信息管理。[10]

4.2 EPC編碼技術(shù)

EPC（Electronic Product Code）編碼技術(shù)是基于物聯(lián)網(wǎng)的智能數(shù)字校園的關(guān)鍵技術(shù)之一，它能夠為單一的物理對象提供唯一的標(biāo)識碼，是一種嚴(yán)格意義上的物品標(biāo)識，可以克服二維條形碼無法識別單個物品、條碼容易破損而丟失信息等缺點，[11]目前通常采用64位或96位的ID編碼。存儲在EPC碼中的信息包括種類、名稱、時間等物品基本信息，以及物品概述、物品功能等物品的參考信息。雖然EPC碼存儲的信息非常有限，但它通過與對應(yīng)的后臺數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)相連，可通過名稱解析服務(wù)器實時獲取EPC碼對應(yīng)的物品詳細(xì)信息。[12]

4.3 傳感器技術(shù)

傳感器是一種能感知預(yù)定的被測指標(biāo)并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件和裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，是物聯(lián)網(wǎng)中采集信息和實現(xiàn)對現(xiàn)實世界感知的重要設(shè)備。[10]傳感器的種類很多，如速度傳感器、射線輻射傳感器、熱敏傳感器、位置傳感器、能耗傳感器等，由于基于物聯(lián)網(wǎng)的智能數(shù)字校園是以師生用戶的SIM卡為EPC碼存儲設(shè)備的。[10]所以，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能數(shù)字校園用戶終端采用的標(biāo)簽識別器是射線輻射傳感器，主要用于讀取師生用戶手機(jī)SIM中嵌入的EPC碼信息。傳感器在讀取這些EPC碼信息之后，首先將其轉(zhuǎn)換為適合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式，然后再將這些采集到的EPC碼信息發(fā)送到相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)，供信息處理中心服務(wù)器對這些信號進(jìn)行相應(yīng)的處理，以實現(xiàn)智能數(shù)字校園的自動身份識別和自動控制等。

5 總結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)時代的到來給高校數(shù)字校園系統(tǒng)的升級與維護(hù)帶來了一次新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能數(shù)字校園能夠有效解決傳統(tǒng)數(shù)字校園建設(shè)中所遇到的數(shù)字資源整合與共享、自動身份識別、圖書借閱管理、校內(nèi)安全消費、校內(nèi)各類信息管理系統(tǒng)集成等難題，通過基于師生用戶手機(jī)SIM卡的統(tǒng)一自動身份識別，為廣大師生的日常學(xué)習(xí)和生活提供高效、優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。雖然基于物聯(lián)網(wǎng)的智能校園在高校公共設(shè)施管理與使用、用戶自動身份識別等方面具有很好的應(yīng)用前景，但由于標(biāo)簽識別器這一個設(shè)備的成本較高，不便于在個性化的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、辦公系統(tǒng)查詢等信息資源服務(wù)場合應(yīng)用，導(dǎo)致基于物聯(lián)網(wǎng)的智能數(shù)字校園在校內(nèi)統(tǒng)一上網(wǎng)認(rèn)證、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)等個人應(yīng)用方面具有一定的局限性，如何充分利用物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢提高數(shù)字校園的智能化程度還需進(jìn)一步研究。

[1]高進(jìn).從一卡到無卡——高校校園一卡通金融支付展望[J].江西青年職業(yè)學(xué)院學(xué)報，2009，19(3)：38-41.

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Analysis and Design of Intelligent Digital Campus Based on the Internet of Things

Li Junhua
(M odern Education Technology Center of M injiang University,Fuzhou 350108,China)

In order to solve such problems in theexisting digital campusesas difficulties in integrating and sharing resources,ineffectivemanagement,etc.,this paper,after analyzing the requirements for intelligentdigital campuses in this era of internetof things,designsa systematic structure and functionalmodulesof intelligentdigital campusbased on the internetof things.Subsequently,itgoes further into a study ofsome key technologies,such asRFID,EPCCode and Sensor.The intelligentdigital campusesbased on the internetof things include the following functions:automatic identification,librarymanagement,multimedia classroommanagement,laboratorymanagement,campus consumptionmanagement,which provide teachersand studentswithmore efficientservice.

the internetof things;intelligentdigitalcampus;RFID;automatic identification

TP393

A

1673-8535(2010)03-0049-06

李俊華(1971-)，男，福建仙游人，閩江學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心實驗師，研究方向：數(shù)字化校園的研究與應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源系統(tǒng)的應(yīng)用與開發(fā)、通信與信息系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用研究。

（責(zé)任編輯：鐘世華）

2010-03-01