吳淑坤

（唐山師范學(xué)院 計算機科學(xué)系，河北 唐山 063000）

1 引言

數(shù)字校園最基礎(chǔ)的核心技術(shù)是計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[1,2]，基于計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息資源共享，強調(diào)合作、分享，是一種集網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化為一體的新型教育、學(xué)習(xí)、辦公以及研究的教育環(huán)境?！皵?shù)字校園”的出現(xiàn)使校園學(xué)習(xí)以及辦公效率大大提升。

傳統(tǒng)數(shù)字校園基于有線網(wǎng)絡(luò)，這種方式具有布線難度大、擴展性差、覆蓋面有限、設(shè)備要求高等缺點，這種校園系統(tǒng)的使用者需要被限制于計算機前。之后，數(shù)字校園建設(shè)中引入無線網(wǎng)絡(luò)，提高了校園網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面和增加信息接入點，使辦公以及學(xué)習(xí)移動化，但WLAN 設(shè)備成本高，因此只會在師生比較密集的教學(xué)樓以及圖書館等公共場所有覆蓋，在其他地方無法使用數(shù)字校園系統(tǒng)。另外，傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)產(chǎn)生的教育大數(shù)據(jù)，不能夠高效存儲和處理，數(shù)據(jù)挖掘深度有限，信息利用不充分，難以通過移動互聯(lián)網(wǎng)推送個性化教育服務(wù)。

為解決傳統(tǒng)數(shù)字校園使用瓶頸，浙江大學(xué)提出了“智慧校園”[3]的方案，這個方案中包括不限時間和地點的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、全透明高效率的校務(wù)管理、多彩豐富的校園文化和生活[4]，這種新型的開放式的教育模式為學(xué)習(xí)者提供了個性化成長和發(fā)展需求環(huán)境[5]，學(xué)習(xí)者可以運用和創(chuàng)造資源，并自由選擇多種媒體整合學(xué)習(xí)資源。另外，“智慧校園”在校園的安全防護、智能教務(wù)管理及圖書館信息管理等方面具有全方位感知并能及時反映的特性。因此“智慧校園”是信息化教育產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢[6]。

本研究提出一種融合WLAN 和移動通信的智能數(shù)字校園方案，該方案借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及移動終端取得數(shù)據(jù)，利用融合WLAN 和4G 移動通信技術(shù)的移動互聯(lián)網(wǎng)層進行數(shù)據(jù)傳輸，使用大數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)對大量的用戶及教學(xué)資源等數(shù)據(jù)進行存儲、分析，為師生以及學(xué)生家長提供全覆蓋的個性化服務(wù)。

2 數(shù)字校園系統(tǒng)設(shè)計

圖1 數(shù)字校園系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

如圖1 所示，融合WLAN 和移動通信技術(shù)的數(shù)字校園系統(tǒng)架構(gòu)，主要包括移動互聯(lián)網(wǎng)和校園大數(shù)據(jù)平臺兩個模塊。

移動互聯(lián)網(wǎng)模塊包括通信設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方式，WLAN 和移動通信為數(shù)字校園系統(tǒng)中的兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，移動終端則同時包括用戶移動設(shè)備以及物聯(lián)網(wǎng)終端，移動終端通過移動互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層與數(shù)據(jù)平臺進行交互。

校園大數(shù)據(jù)平臺模塊包括應(yīng)用展示、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)存儲三部分，其中應(yīng)用展示部分為校園數(shù)據(jù)平臺給用戶所提供的應(yīng)用支持，純軟件實現(xiàn)，具有實現(xiàn)代價低、可擴展性強等優(yōu)點；數(shù)據(jù)處理部分用于處理用戶數(shù)據(jù)，后臺數(shù)據(jù)平臺在獲取用戶數(shù)據(jù)并處理后可以對用戶提供個性化服務(wù)；數(shù)據(jù)存儲部分用于存儲應(yīng)用數(shù)據(jù)以及用戶相關(guān)數(shù)據(jù)。

3 數(shù)字校園系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 移動互聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)

融合WLAN 和移動通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2 所示。師生在校園WLAN 覆蓋區(qū)域可以直接通過WLAN 訪問校園網(wǎng)，在覆蓋區(qū)域外自動切換到4G移動通信網(wǎng)絡(luò)訪問校園網(wǎng)。

圖2 融合WLAN 和移動通信的校園移動互聯(lián)網(wǎng)

WLAN 選用802.11g 標(biāo)準(zhǔn)，這一標(biāo)準(zhǔn)在擴頻方面采用OFDM 技術(shù)，傳輸速率最高可達54 Mbps，有效帶寬為24.7 M。4G 移動通信網(wǎng)絡(luò)這部分選用TD-LTE 標(biāo)準(zhǔn)。TD-LTE 標(biāo)準(zhǔn)下，傳輸速度能超過100 Mbps[7]，是我國第四代（4G）移動通信技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)。它是更適合于寬帶系統(tǒng)的OFDM 技術(shù)，提供比3G HSPA 高2-3 倍的頻譜利用效率，下行峰值速率可以達到110 Mbps、上行峰值速率達到30 MHz。另外，TD-LTE 支持1.4/3/5/10/15/20 MHz總共 6 種不同的系統(tǒng)帶寬選項，更為先進的TD-LTE-Advanced 通過載波聚合技術(shù)，可以支持以上6 種帶寬選項的不同組合，包括連續(xù)或者非連續(xù)頻率資源的組合使用，最大可以達到100 MHz的系統(tǒng)帶寬，充分滿足各種頻率資源場景和網(wǎng)絡(luò)部署帶寬的需求。

從通信系統(tǒng)角度看，4G 系統(tǒng)與WLAN 都由終端、網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)三部分組成，包含終端融合、網(wǎng)絡(luò)融合和業(yè)務(wù)融合。每部分融合獨立且關(guān)聯(lián)。按照與移動通信關(guān)聯(lián)程度，4G 與WLAN 融合方案又分成緊耦合與松耦合兩大類。前者強調(diào)在移動、業(yè)務(wù)與應(yīng)用的全面融合，后者則一般提供合并后臺賬單等功能，但由于松耦合在計費和業(yè)務(wù)方面和移動通信脫離，并沒有發(fā)揮其無線移動的作用?？紤]到松耦合在無線移動中的局限性，本方案采用緊耦合方式形成智能數(shù)字校園系統(tǒng)中的移動互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。

3.2 校園大數(shù)據(jù)平臺的實現(xiàn)

校園大數(shù)據(jù)平臺使用非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Hbase對用戶數(shù)據(jù)進行存儲，采用并行計算和實時計算等處理技術(shù)，對教育大數(shù)據(jù)進行高效、實時處理，并進行數(shù)據(jù)挖掘和分析處理。這里應(yīng)用Hadoop 集群和MapReduce 編程方法對歷史數(shù)據(jù)進行批處理，為不同用戶提供差異性的個性化服務(wù)。

4 系統(tǒng)的應(yīng)用

融合WLAN 和移動通信的智能數(shù)字校園系統(tǒng)，主要針對師生、家長、校長、教學(xué)主管、社會公眾等用戶角色進行應(yīng)用服務(wù)設(shè)計。為保障信息安全管理控制，不同用戶角色擁有不同的應(yīng)用服務(wù)訪問權(quán)限。應(yīng)用服務(wù)主要分為五類：學(xué)籍、學(xué)工人員信息管理、教務(wù)教學(xué)管理、因材施教、學(xué)校資源管理、校園生活。詳見表1。本文以教務(wù)教育管理為例對該系統(tǒng)應(yīng)用進行詳細(xì)分析。

4.1 日常教學(xué)

學(xué)生可以將課堂以及課后學(xué)習(xí)中不懂的知識點記錄在手機并反饋到校園系統(tǒng)，數(shù)據(jù)平臺對該學(xué)生反饋的知識點進行分析后，將數(shù)據(jù)平臺中該知識點相關(guān)資料推送給該學(xué)生，并將該問題反饋推送給相關(guān)教師及助教，在該課程期末復(fù)習(xí)過程中，數(shù)據(jù)平臺可以對該知識點進行重點推薦。智能數(shù)字校園還能為學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)等支撐環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)空間。

4.2 實驗室的管理

實驗室的管理主要由實驗設(shè)備信息管理和實驗過程信息化管理組成。學(xué)生可以通過移動設(shè)備登陸校園網(wǎng)，取得實驗操作流程和方法，并閱讀關(guān)于設(shè)備和操作流程的詳細(xì)內(nèi)容。如果學(xué)生在實驗過程中出現(xiàn)錯誤的操作，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備感知后會向遠(yuǎn)程信息化系統(tǒng)發(fā)出警告并切斷實驗設(shè)備防止發(fā)生事故。實驗過程中的實驗數(shù)據(jù)可以由物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備自動記錄并提供給實驗者，以方便實驗者進行數(shù)據(jù)分析。學(xué)生可以將分析算法輸入到校園數(shù)據(jù)平臺，借助數(shù)據(jù)平臺完成所獲取數(shù)據(jù)的自動分析工作。另外，實驗室內(nèi)可以安裝集成物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)的智能插座，插座除了供電外還可以實時地將實驗用的設(shè)備耗電量反饋給管理人員，管理人員則可以完成實驗室設(shè)備的能耗管理。

表1 智能校園系統(tǒng)的應(yīng)用

5 結(jié)論

本文設(shè)計的移動互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)將WLAN、移動通信網(wǎng)融合，為校園數(shù)字系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)支持。與傳統(tǒng)的數(shù)字校園系統(tǒng)相比，這種新的校園數(shù)字系統(tǒng)具備了感知化、互動性、個性化等優(yōu)點，使得數(shù)字校園系統(tǒng)不再受到時間地點等限制，用戶可以隨時隨地享用數(shù)字校園帶來的便捷。