宋靜輝，俞 昀，吳 奇

(無錫職業(yè)技術學院，江蘇 無錫 214121)

目前，物聯(lián)網技術方興未艾，處于高速發(fā)展期。高校信息化建設由數(shù)字化校園階段進入到智慧校園階段。國家標準文件《智慧校園總體框架》指出：智慧校園是物理空間和信息空間的有機銜接，使任何人、任何時間、任何地點都能便捷地獲取資源和服務[1]。智慧校園旨在通過建立數(shù)字化、網絡化的校園環(huán)境，憑借物聯(lián)網動態(tài)及全面的作用方式，人性化和智能化地開展校園管理工作[2]。新一代智慧校園的精髓所在是“以人為本”，重點關注“用戶體驗”和“用戶服務”[3]。因此，有必要結合新一代物聯(lián)網技術，提高校園管理服務的水平，改善“用戶體驗”和“用戶服務”，充分提升資源和服務的使用績效，把智慧校園建設落到實處、細處。

一、方案實施的可行性分析

經過多年的信息化建設，無錫職業(yè)技術學院網絡基礎設施、公共業(yè)務系統(tǒng)、校園智能卡、網站建設群等建設完備，開發(fā)了基于流程的網上“一站式”服務大廳，完成了教務系統(tǒng)、學習中心等9個核心業(yè)務系統(tǒng)全量數(shù)據(jù)的即時采集，智慧校園已粗具規(guī)模。但是在校園管理服務方面，還存在很多欠缺，如能源管理粗放、公寓環(huán)境監(jiān)測缺乏、停車管理手段落后等，與智慧校園建設不匹配。

無錫是中國物聯(lián)網發(fā)展的首個試驗區(qū),無錫職業(yè)技術學院設有物聯(lián)網技術學院，圍繞長三角物聯(lián)網產業(yè)培養(yǎng)高端技能人才。學校建成了全國首家國家級物聯(lián)網技術應用實訓基地，并牽頭組建無錫市物聯(lián)網職教集團，在進行基于新一代物聯(lián)網的智慧校園研究方面具有優(yōu)勢。

二、方案建設目標和內容

(一)建設目標

基于新一代物聯(lián)網的智慧校園管理服務平臺，采用標準的接口方案，開發(fā)能耗監(jiān)測、PM2.5和甲醛等檢測、溫濕度監(jiān)控、井蓋智能監(jiān)控、停車場車輛數(shù)量監(jiān)控、智能垃圾桶等業(yè)務系統(tǒng)，并實現(xiàn)與第三方業(yè)務的融合，全面整合校內外的資源，實現(xiàn)人、物、校區(qū)各業(yè)務的泛在連接與管理，實現(xiàn)真正的智慧校園管理服務。

(二)方案任務及內容

1.總體設計

(1) 總體框架。本次方案主要采用物聯(lián)網的技術架構，分為3個層面。① 感知層：主要應用各類傳感器、RFID、二維碼和實時定位等技術，感知、采集各類物理數(shù)據(jù)，在此基礎上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的短距離傳輸、自洽組網以及協(xié)同處理。② 網絡層：通過感知層與無線通信、互聯(lián)網等技術交融，把感知、采集到的信息，無損、高效、可靠地傳送。經過高速發(fā)展以及技術迭代，新一代物聯(lián)網及通信技術進入成熟階段，能支持數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咭?。?應用層：主要包含應用支撐平臺子層和應用服務子層。應用支撐平臺子層用于支撐跨門類、跨需求、跨體系之間的信息協(xié)調、分享、互通的功能。應用服務子層包括智能能源、智能環(huán)境、智能停車、智能電力、智能管理等行業(yè)應用，具體如圖1所示。

圖1 方案技術架構圖

(2) 網絡協(xié)議

本方案所采用的NB-IoT窄帶物聯(lián)網，是基于時代發(fā)展的新型蜂窩網絡。其特點是使用帶寬很窄的License頻段，根據(jù)使用場景可靈活選擇帶內、保護帶或獨立載波3種方式，可與現(xiàn)有移動網絡直接融合使用，從而降低了成本，加快了推廣步伐。

本次方案中涉及的設備分布較廣，無法通過少量的網關設備進行管理，因此將盡量采用NB-IoT方式進行數(shù)據(jù)傳輸，直接將數(shù)據(jù)發(fā)送至管理平臺，以減少項目的額外投入。

2.建設內容

(1) 管理平臺開發(fā)。本次方案管理平臺，必須具備4個方面的功能：① 多設備接入和多協(xié)議支持?？杀Ｕ隙嘣O備的連接管理、數(shù)據(jù)計算和存儲等高并發(fā)處理，靈活兼容MQTT、CoAP、TCP、UDP、REST/HTTP等傳輸協(xié)議。② 開放的SDK和API。為設備提供極輕量的適配SDK，占用內存小于20K；提供豐富的API接口，降低云端開發(fā)成本，更快地完成應用開發(fā)。③ 端到端安全防護體系。RSA協(xié)議實施設備及App連接驗證；AES協(xié)議加密信令及數(shù)據(jù)傳輸過程；云端防護與加固，高效阻擋惡意攻擊；數(shù)據(jù)自動災備，避免誤操作刪除。④ 豐富的功能組件。提供豐富的IoT功能組件及方案，包括賬號體系、設備綁定管理、事件通知引擎、OTA管理等。

(2) 應用開發(fā)業(yè)務。主要有9項業(yè)務，以下分別介紹應用需求及設備功能。① 能耗監(jiān)控。高校樓宇眾多，教職員工和學生人口數(shù)量大，能耗總量大，管理模式較粗放，浪費現(xiàn)象嚴重。能耗數(shù)據(jù)的采集、傳輸、管理等子系統(tǒng)采取分項計量的方案，主要包括水、電、熱量等，重點是電能。監(jiān)測模塊功能主要為電表配置信息、電表實時數(shù)據(jù)和電表歷史數(shù)據(jù)3個方面的信息獲取。② PM2.5、甲醛、溫濕度監(jiān)控。PM2.5濃度過高易造成呼吸系統(tǒng)疾?。患兹θ说钠つw有強烈刺激作用；溫度、濕度變化也影響居住舒適性和能耗管理。PM2.5的監(jiān)測基于激光散射原理，甲醛濃度的監(jiān)測基于電化學原理，通過檢測芯片、檢測溫濕度，相關數(shù)據(jù)均以數(shù)字接口形式輸出。③ 各類窨井蓋監(jiān)控。井蓋被盜、破損、缺失的現(xiàn)象時有發(fā)生，造成安全隱患。最高人民法院、最高人民檢察院、公安部2020年聯(lián)合下發(fā)文件，依法懲治涉窨井蓋犯罪。在井蓋下安裝基于無線通信的智能監(jiān)測自動報警設備,支持行程距離傳感器，RF電路外圍功能模塊化設計。當井蓋出現(xiàn)異常時，自動上傳報警數(shù)據(jù)到應用管理平臺，實時監(jiān)控。④ 停車場車輛數(shù)量監(jiān)控。傳統(tǒng)停車場存在進出場效率低、找車位難、尋車難、管理難、成本高等諸多問題。使用NB-IoT地磁傳感器，具有低成本、易安裝、易維護、安裝尺寸小、靈敏度高、施工量小、使用壽命長等特點，對路面的破壞少。⑤ 水質監(jiān)控。水被污染以后富營養(yǎng)化，促進水中藻類滋生，使水體通氣不良，溶解氧下降，水生植物大量死亡、發(fā)臭影響環(huán)境。水質在線檢測設備的原理有光度法、電極法等，重點監(jiān)測溫度、pH值、溶解氧、濁度、總磷、總氮、水中油污等。⑥ 智能電柜設備。使用智能電柜設備可以更好地對用電量進行管理，也可以對危險進行預警和處理，避免各類人身、設備安全事故和火災的發(fā)生。設備具有有功電能存儲和計量功能，有功電能等于正向有功電能與反向有功電能之和。顯示電表的用電量、剩余電量和買電量。當電能表一分鐘平均電流大于設置的過載電流值時，報警燈閃爍，繼電器自動斷開。⑦ 消防管水壓監(jiān)測。消防栓數(shù)量眾多、安裝分散，消防設施被破壞、消防用水被盜用、消防管道壓力不足甚至無水等問題層出不窮。對消防管水壓進行遠程、實時監(jiān)測，并通過NB-IoT網絡實時發(fā)送給平臺。解決傳統(tǒng)人工巡檢方式產生的誤差大、效率低的弊端，同時也實現(xiàn)了遠程實時監(jiān)控。⑧ 汽車測速。使用設備對于校園內行駛的車輛進行測速監(jiān)控，可以通過告警等方式提前獲得信息，避免可能發(fā)生的事故?？墒褂檬须娀虿捎锰柲茈姵毓╇?。車速在設定范圍內均可顯示，可設置不同的提示限速，同時適用3至4個車道，滿足各種測試環(huán)境。⑨ 智能垃圾桶?，F(xiàn)有的校園垃圾桶，由垃圾回收車按照固定日程和路線進行處理，造成處理回收效率低下，且對垃圾的溢滿程度無法進行即時監(jiān)測。對垃圾的溢滿程度進行傳感監(jiān)測，在此信息基礎上規(guī)劃垃圾回收的路線及日程，可以提高回收清理效率，同時縮短垃圾回收車行走里程，節(jié)約成本。管理人員可通過網頁或手機App對垃圾箱進行相關功能設置，隨時隨地監(jiān)測垃圾箱狀態(tài)。

3.方案的特色與創(chuàng)新

一是實現(xiàn)了多元化的連接方式。支持無線射頻、ZIGBEE、WIFI、有線網、RS232、RS485、紅外、繼電器、GPIO、USB、電力載波等極其豐富的通信方式，可以根據(jù)學校的不同需求和現(xiàn)狀，將各類傳感器收集的基礎信號傳輸?shù)椒赵贫?，保證了平臺的兼容性、可擴展性。

二是具有豐富的管理方式。平臺支持現(xiàn)場管理、PC 端遠程管理(同時支持Windows、MAC、Linux、Unix等操作系統(tǒng))、手機移動端控制(同時支持 Android和IOS操作系統(tǒng))、無線平板移動端控制(同時支持 Android、IOS、Windows等操作系統(tǒng))。

三是保證了平臺的可操作性和便利性，實現(xiàn)了泛在網絡的連接和管理。管理后端采用bootstrap框架，達到自適應效果，在手機端也可以便捷操作。PC端采用原生html+css+easyui+echart等技術實現(xiàn)可視化頁面，原生html+css讓頁面適用性更廣，easyui的iframe記錄瀏覽歷史讓頁面的操作更便捷，echart的圖表展示讓統(tǒng)計內容更清晰明了，手機端采用了html5 技術，保證了良好的用戶體驗效果。同時平臺軟件使用jfinal技術開發(fā)，采用集成緩存、定時任務方法，便于開發(fā)維護。

三、方案實踐效果分析和改進措施

(一)效果分析

一是提高了校園治理能力和服務水平。通過智慧校園管理平臺，從科學管理角度出發(fā)，對相關管理服務工作的流程進行梳理、把控和整合，促進校園治理和服務改革向縱深發(fā)展，達到服務標準化、服務自動化、服務個性化的目標，從而優(yōu)化服務流程，提高服務效率，提升服務水平。通過大數(shù)據(jù)匯總和分析，對相關問題和隱患進行排查和預警，及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，并進行反饋和總結，提出優(yōu)化方案，供學校決策參考，提升校園治理能力。

二是進一步提升了智慧校園建設水平。本平臺的推出，使得學校可以實時監(jiān)測校園里的環(huán)境溫度、濕度、照度、PM2.5濃度、電流、電壓、功率、能耗、資產等各類基礎數(shù)據(jù)信息，并打通了各業(yè)務子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通道。經過數(shù)據(jù)匯聚后，可以對數(shù)據(jù)進行各類智能化分析，找出其運行規(guī)律進而實現(xiàn)智慧化應用，有力打破了信息孤島，實現(xiàn)了統(tǒng)一的布局和管理。

三是促進了能源管理和節(jié)能示范校建設。本方案著重致力于智慧校園中各種能源的監(jiān)控和管理，通過各類感知系統(tǒng)實時收集校園內各物聯(lián)設備的能耗信息，重點監(jiān)控空調等大功率、高能耗設備，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，管理者可以了解各類場所的詳細能耗情況，從中找出不合理的能耗問題，實現(xiàn)了能源數(shù)據(jù)可視化，為能源管理和決策提供數(shù)據(jù)支撐。并通過智慧方案進行智能調節(jié)，最終達到節(jié)能減排目的，為綠色校園建設打下基礎，學校被確認為全國節(jié)能示范單位。

(二)對存在問題的改進措施

一是完善智慧校園的系統(tǒng)頂層設計。頂層設計不足是個常見問題，而智慧校園建設是長期的系統(tǒng)工程，頂層設計尤為重要。首先要結合學校的發(fā)展歷史、辦學需求、事業(yè)規(guī)劃和對智慧校園的建設要求，全面考慮，做好謀劃。其次要立足現(xiàn)狀、尊重現(xiàn)實，必須面向實際使用環(huán)境和現(xiàn)有條件進行信息化、智慧化改造，支撐實際業(yè)務的發(fā)展。最后要面向未來，靈活發(fā)展。信息化發(fā)展的速度很快，要科學研判和準確把握發(fā)展趨勢，確保系統(tǒng)具有可擴展性和兼容性，滿足未來需求。

二是加強對利益相關者的協(xié)同管理。學校部分已建成業(yè)務系統(tǒng)不愿意開放接口，或者需要收取高額的接口費用，導致實現(xiàn)統(tǒng)一平臺管理的難度大。首先需要學校人員與原廠商進行充分的溝通，使其盡量配合；同時可以根據(jù)情況降低要求，僅實現(xiàn)賬號的單點登錄管理和業(yè)務系統(tǒng)頁面跳轉，不被原平臺或廠商綁架。其次智慧校園建設需要協(xié)調不同部門的不同流程和不同管理模式，通過協(xié)同管控，達到標準統(tǒng)一、相互協(xié)作、資源共享的目的。此外要加強系統(tǒng)的服務商、建設者、管理者、使用者之間的溝通和聯(lián)系，確保不同人員在不同情境均能較好地使用，使系統(tǒng)良性發(fā)展。

三是數(shù)據(jù)分析利用能力需提升。首先要確保各類數(shù)據(jù)的安全。系統(tǒng)產生的大量數(shù)據(jù)，涉及學校的各類基礎信息和人員隱私，數(shù)據(jù)存儲安全最為重要，要確保學校對數(shù)據(jù)的存儲和使用具有自主權。在此基礎上，要完善各類基礎數(shù)據(jù)，為分析、處理數(shù)據(jù)提供基礎條件。加強數(shù)據(jù)的分類統(tǒng)計和分時統(tǒng)計，建立各類數(shù)據(jù)庫和分析模型。校園管理者要增強大數(shù)據(jù)思維，在管理服務過程中充分利用大數(shù)據(jù)，提高管理和服務水平。

四、結語

智慧校園平臺搭建了管理者、服務提供者與師生用戶之間的快捷、高效的服務橋梁，在高職院校加以推廣應用，將達到廣泛的社會及經濟效益。目前智慧校園建設仍處于高速發(fā)展階段，展望未來，如何以更貼近實際的設計思維、更先進的技術手段、更低的投入成本、更高的使用效率、更好的服務體驗，解決師生的需求痛點和難點，提升校園治理能力和服務水平，是一個需要不斷認真思考、研究探索的課題。