舒展

（九江職業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，江西 九江 332000）

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧化校園架構(gòu)設(shè)計(jì)——以九江職業(yè)大學(xué)為例

舒展

（九江職業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，江西 九江 332000）

以九江職業(yè)大學(xué)為例，基于該校目前校園信息化建設(shè)情況，以建設(shè)智慧化校園為研究設(shè)計(jì)目標(biāo)，綜合考慮高校教學(xué)、管理和生活服務(wù)等方面，從物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)入手，設(shè)計(jì)了基于RFID（射頻識別技術(shù)）、二維碼、視頻監(jiān)控等感知技術(shù)和設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)智慧化校園架構(gòu)。

物聯(lián)網(wǎng)；智慧化校園；架構(gòu)

一、智慧化校園內(nèi)涵

所謂“智慧化校園”是指在信息化背景下，將人的因素與設(shè)備因素、環(huán)境因素、社會因素相結(jié)合，所形成的一種以智能化教學(xué)系統(tǒng)為主的校園[1]。智慧化校園有三個(gè)核心特征：一是提供一個(gè)全面的智能感知環(huán)境和云服務(wù)平臺，為在校師生和管理部門提供基于角色的個(gè)性化定制服務(wù)；二是將學(xué)校管理和學(xué)生生活各個(gè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)，經(jīng)過統(tǒng)一接口進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，匯聚于云端的數(shù)據(jù)共享中心，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)和協(xié)作；三是通過智能感知環(huán)境和綜合信息服務(wù)平臺，為學(xué)校與外部世界提供一個(gè)相互交流和感知的接口[2]。

二、智慧化校園架構(gòu)設(shè)計(jì)

國內(nèi)很多高校已經(jīng)開始嘗試建設(shè)智慧化校園，例如，使用車牌識別技術(shù)進(jìn)行校園車輛管理[4]，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對教學(xué)樓電器進(jìn)行智能監(jiān)控[5]，利用可視化管理推進(jìn)校園管理建設(shè)[6]等，但對整體化的智慧化校園架構(gòu)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)的，實(shí)例卻比較少。九江職業(yè)大學(xué)2012年新校區(qū)建設(shè)開工，2014年搬遷，新校區(qū)在沿用已有的數(shù)字化平臺基礎(chǔ)上，還引入了教學(xué)在線平臺、教學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)、教學(xué)白板系統(tǒng)、校園一卡通系統(tǒng)等，為智慧化校園建設(shè)提供了可靠的基礎(chǔ)。

（一）系統(tǒng)功能分析

1.智能化人物互動系統(tǒng)

智能化人物互動系統(tǒng)，即存在人與物體相互交互操作的系統(tǒng)，且在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，需要人進(jìn)行相應(yīng)的操作與控制等行為。此類系統(tǒng)可以根據(jù)交互操作的差別，分成以下三個(gè)類別：物品標(biāo)識類、生物識別類以及終端操作類。

物品標(biāo)識類主要使用可識別的標(biāo)簽，例如：RFID、二維碼、條形碼等，通過相關(guān)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)簽信息采集，隨后，對標(biāo)簽所對應(yīng)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫內(nèi)相應(yīng)條目信息進(jìn)行操作。例如：修改、增刪、日志記錄等。生物識別類則主要是針對人體生物信息，例如：指紋識別、聲紋識別、虹膜識別、手勢操作識別、視線追蹤等，對用戶的個(gè)體特征信息進(jìn)行采集和核對以及對用戶的操作行為進(jìn)行獲取和處理。終端操作類指的是使用PC端或智能手機(jī)、平板等終端操作硬件，通過使用相關(guān)的軟件程序，利用硬件本身所擁有的固件。例如：攝像頭，GPS芯片、鍵盤鼠標(biāo)或觸屏等，采集所需的信息，根據(jù)采集的信息和指令進(jìn)行信息傳遞、交換以及系統(tǒng)控制等操作。在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，考慮到九江職業(yè)大學(xué)已有的系統(tǒng)和平臺，以最優(yōu)化利用為目標(biāo)，故物品識別類選擇使用已有的校園一卡通，生物識別類選擇主流的指紋識別，終端操作類則是采用在以往的PC端數(shù)字化平臺上增加手機(jī)智能終端接口模塊來實(shí)現(xiàn)。

如圖1所示，通過使用校園一卡通而實(shí)現(xiàn)門禁系統(tǒng)、消費(fèi)系統(tǒng)、圖書借閱等常歸自助操作。指紋識別系統(tǒng)主要用于財(cái)務(wù)管理和實(shí)驗(yàn)室管理這些安全級別需求較高的地方，通過指紋識別核對身份，相比使用普通的鑰匙或者簡單密碼而言，更加安全便捷。同時(shí)，指紋識別還具有特殊的獨(dú)一無二的記錄特性，這樣不僅安全性能得到了提高，而且還十分便于管理。手機(jī)智能終端可使用各種配套研發(fā)的軟件App，通過網(wǎng)絡(luò)連接相關(guān)硬件來實(shí)現(xiàn)校園導(dǎo)航、遠(yuǎn)程監(jiān)測控制、學(xué)生及教職工信息查詢與網(wǎng)上選課等操作、在線手機(jī)移動辦公等功能，還可以綁定一卡通生成二維碼，為學(xué)生和教職工日常學(xué)習(xí)生活提供便捷服務(wù)。

圖1　智慧化校園人物互動系統(tǒng)

2.無人化物物相連系統(tǒng)

無人化物物相連系統(tǒng)，即無需人工干涉操作，只需根據(jù)物體自身所獲取的各種監(jiān)測信息數(shù)據(jù)，通過編寫好的相關(guān)設(shè)定程序，利用物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行自動控制操作的系統(tǒng)。此類系統(tǒng)通過各種傳感器設(shè)備獲取所需信息數(shù)據(jù)，例如：位置信息、光線強(qiáng)弱度、溫度、濕度數(shù)據(jù)、紅外線探測障礙物以及活體探測等，將這些數(shù)據(jù)經(jīng)過對應(yīng)的軟件系統(tǒng)程序處理，輸出相應(yīng)的控制指令，通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層傳遞，實(shí)現(xiàn)對其他物體的控制操作。

如圖2所示，通過對校園內(nèi)的各種公用設(shè)施，包括在教學(xué)樓、學(xué)校道路、實(shí)驗(yàn)室、學(xué)生宿舍等地方設(shè)置適當(dāng)?shù)膫鞲衅饔布＠纾汗饷魝鞲衅?、溫度測量傳感器、攝像頭、RFID讀取器、電流傳感器、紅外傳感器等，在對傳感器獲取的信息進(jìn)行分析和處理后，自動調(diào)用既定編寫好的相應(yīng)程序，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)具體功能。

（二）分層架構(gòu)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層這三層構(gòu)成，依次實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息獲取采集、數(shù)據(jù)傳遞交換、數(shù)據(jù)分析處理這三大功能。功能的不同，導(dǎo)致了每層的架構(gòu)體系都存在著差異，同時(shí)，在具體項(xiàng)目施工的時(shí)候，傳感層的傳感組件、網(wǎng)絡(luò)層的網(wǎng)絡(luò)模塊、應(yīng)用層的應(yīng)用軟件也是由不同的施工單位來進(jìn)行建設(shè)的。因此，在本項(xiàng)目中，將依次根據(jù)這三大層次的功能不同，對每層進(jìn)行相應(yīng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖2　智慧化校園物物相連系統(tǒng)

1.感知層

感知層包括單向的信息采集和雙向的信息讀寫。例如：測量空氣溫度、光線強(qiáng)度、監(jiān)控視頻、RFID標(biāo)簽及其內(nèi)容、錄入指紋信息、掃描二維碼條形碼等，這些都屬于單向信息采集，只需要從硬件傳遞信息出來，不需要寫入任何內(nèi)容。而像是校園一卡通所采用的IC卡，由于其具備信息存儲和消費(fèi)功能，所以除了基本的信息采集外，還會存在信息寫入的需求，屬于雙向信息傳遞。

圖3　感知層構(gòu)成圖

2.網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架區(qū)別在于，新增了靈活性高、復(fù)雜度低、低功耗、低速率、低成本的多用于傳感器等硬件設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腪igbee網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示?，F(xiàn)在很多的路由和網(wǎng)關(guān)都有集成Zigbee組件，可直接使用Zigbee協(xié)議，除此以外，還可以使用專門的Zigbee模塊鋪設(shè)無線傳感網(wǎng)，像WIFI一樣靈活設(shè)置和使用，不受線路和空間的影響。由于物聯(lián)網(wǎng)物物之間的數(shù)據(jù)傳遞和交換具有涉及設(shè)備多、傳輸數(shù)據(jù)量小、數(shù)據(jù)信息復(fù)雜度低等特點(diǎn)，采用Zigbee可以大大降低設(shè)備成本，而且還具有時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠安全等優(yōu)勢。

圖4　網(wǎng)絡(luò)層示意圖

3.應(yīng)用層

應(yīng)用層主要由各種針對不同功能需求而編寫的應(yīng)用軟件組成，根據(jù)應(yīng)用平臺的不同，包括PC端軟件和移動端軟件。根據(jù)面向?qū)ο蟮牟煌?，劃分為自動控制類（如路燈控制系統(tǒng)，以傳感器設(shè)備為獲取對象）、半自動化類（如圖書管理系統(tǒng)，以人持有的標(biāo)識物體為獲取對象）、交互類（如辦公類軟件，以用戶輸入的信息數(shù)據(jù)為獲取對象）這三大類別。

本項(xiàng)目以滿足九江職業(yè)大學(xué)校園內(nèi)的學(xué)生和教職工日常學(xué)習(xí)生活需求為基本目標(biāo)，主要優(yōu)先集中于智能便捷服務(wù)系統(tǒng)，按照應(yīng)用系統(tǒng)平臺的不同，搭建應(yīng)用軟件系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，如圖5所示。同時(shí)，考慮到便利性、效率化且同時(shí)需要避免重復(fù)冗余數(shù)據(jù)，部分系統(tǒng)可以搭建面向不同終端的接口模塊，采用共用的后臺軟件及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，提供適用于不同顯示終端的接口模塊，實(shí)現(xiàn)資源利用的最優(yōu)化。

圖5　應(yīng)用層示意圖

三、結(jié)語

建立和發(fā)展智慧化校園是未來教育和學(xué)校發(fā)展的必然方向，它不僅能高效合理的利用學(xué)校資源，還能優(yōu)化簡化校園生活和工作，具有數(shù)據(jù)信息共享、資源控制、安全管理等多方面的優(yōu)勢。當(dāng)然，由于物聯(lián)網(wǎng)還是一個(gè)較為新興的技術(shù)，在應(yīng)用方面和信息安全方面還是有很大的改進(jìn)和進(jìn)步的空間，在未來的研究中，將會集中關(guān)注在應(yīng)用層軟件研究以及zigbee網(wǎng)絡(luò)安全保障方面。

[1]沈光美.高職智慧化校園建設(shè)的特點(diǎn)與趨勢分析[J].蘭州教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2016（5）：105-107.

[2]智慧校園.[EB/OL].百度百科，[2014-7-3].http://baike.baidu.com/view/5478486.htm.

[3]廖吉江.關(guān)于車牌識別技術(shù)在高校校園車輛管理中的應(yīng)用分析[J].經(jīng)營管理者，2016（12）：1.

[4]李玉環(huán),秦文華，等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的教學(xué)樓電器智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2016（2）：122－125．

[5]蔣達(dá)央，姚琪.基于智慧校園的可視化管理的建設(shè)與發(fā)展研究[J].南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2016（1）：30－33．

編輯 鄭晶

Structure Design of Intelligent Campus in JJVU Based on IoT

SHU Zhan

（College of Electronical and Information Engineering JiuJiang Vocational University，JiuJiang JiangXi 332000，China）

The paper on the basis of the current informatization of Jiujiang vocational university aims to construct intelligent campus taking college teaching，management and life service into consideration．Starting from three level structure of IoT（Internet of Things）it tries to develop the sensing technology and hardware，such as RFID，QR code，Video surveillance and so on．

IoT；Intelligent campus；Structure design

F49

A

2095-8528（2016）06-049-03

2016-07-03

舒展（1982），女，江西九江人，碩士，講師，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)，嵌入式系統(tǒng)，軟件開發(fā)。