物联网在智慧校园中的应用

摘要：该文首先分析物联网的概念和应用，然后分析了智慧校园和关键能力，提出物联网技术支撑的智慧校园信息系统的总体框架，进而探讨智慧校园信息系统的网络拓扑，最后给出了智慧校园常见的应用。

关键词：物联网；智慧校园；感知识别

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)16-3796-05

The Application of the Internet of Things in Smart Campus

CHEN Jian-xin

(Computer Science Department of Pinghu Campus of Jiaxing University, Jiaxing 314200,China)

Abstract: First, this paper analyzes the concept and application of the Internet of things ,then analyzes the smart campus and the key abili? ty , and puts forward the overall frame of the smart campus information system with the support of the Internet of things technology, and then probes into the network topology of the smart campus information system. Finally, it comes out the common application of the smart campus.

Key words: the internet of things ; smart campus ; perception recognition

信息化时代瞬息万变，云计算、物联网、互联网技术方兴未艾，他们的发展速度超出我们的想象。互联网应用从一开始的以只能读取内容为主的Web 1.0时代发展，逐步推进到了我们大家可以参与共享内容的Web 2.0时代，再悄悄的迈进了智能化的Web 3.0时代。信息化管理应用从一开始的关注部门内部事务处理到逐步梳理内部工作流程，进而到现在向部门内外协同工作的诉求发展。我们的信息化生活和生产活动正在逐渐从封闭环境、单一功能走向开放性、智能化，并正朝着协同处理、信息智能、智慧处理的时代迈进。

校园是学生生活和学习的场所，随着信息技术的发展，学校也在不断的信息化革命，逐步的产生了具备智能的校园信息系统。信息产业新技术融合的产物——智慧校园系统，为学生的学习与生活和教师的教育教学活动提供控制与协同服务，使我们的生活、学习、教学更加便捷、和谐、高效、智慧。

2009年8月中国国家领导人在考察无锡物联网产业时，提出了“感知中国”，此后物联网技术被我国各个阶层所关注，物联网相关技术逐渐步入我们平常生活。在社会各界的关注下，物联网技术的发展是非常快速的，物联网相关联的技术和物联网相关联的外围设施设备也在快速的完善和成熟。物联网技术的快速发展，对现代智能校园的建设与发展起到了重大影响，也为我们建设智慧校园、智慧城市提供了技术、设施、设备保障。

1物联网技术

1.1什么是物联网

简单的说，物联网的本质还是互联网，只是在以往以电脑终端为最终接入设备，扩展到了以一个物体、一个人、一件事为终端接入的互联网络。现在我们所提及的物联网包含二重概念，首先，物联网的实质还是互联网络，是一个拓展了的互联网。其次，物联网的联网设备从以前的电脑，扩展到了现在的电脑、手机、以及其它安装了身份识别装置的物体，从原来的电脑与电脑之间的信息交换扩展到了电脑与电脑，电脑与物体，物体与电脑、以及其它具有身份识别、智能处理的仪器之间的信息交换和通信。

因此，我们严格的给物联网下个定义：物联网是通过物体识别卡（RFID射频卡）、条形码、指纹、虹膜、影像及其它特征识别体，通过射频卡读写器、红外线描器、GRP定位系统、激光枪、摄录像机等设备，在指定的通讯协议下，把需要接入物联网的物品接入互联网实现连网，并进行物品与物品、物品与网络、物品与人、人与物品……等多元信息交换和通信，最后，达到能对物品进行智能化识别、对物品所处位置进行GPS定位、对移动物体进行跟踪、对监管物体进行监控与管理的一种网络体系。

1.2物联网的体系架构

物联网是一个复杂的网络，可以分三个次层，分别是感知层、网络层、应用层。我们根据从高到低的顺序可以概括为如图1所示。

图1物联网三层架构

感知层主要由包括条码、二维条码、RFID标签、摄像头等各种传感器以及类传感器构成，主要负责物体识别，信息采集，把识别和采集到的信息传递到网络中；网络层主要是互联网、有线局域网、无线局域网、去计算平台等网络设施构造的网络架构。对来自感知层的信息进行传递、处理、存储。应用层主要是各类业务系统，是用户与物联网的接口，与各类应用需要相结合，是智慧网络实现的关键，也是物联网智能应用的媒介，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。

1.3物联网的特点

1）连通性

要想让物联网具有真正的意义，物体必须处于“连通”状态，在让物体处理于连通状态的过程，我们可以使用有线网络、也可以使用无线网络，也可以使用感应技术，最终还必须接入互联网络，让这些个物体在互联网上随时处于“连通”状态。

2）物物相联

为了实现物联网，我们必须使物物相联。为实现互联网上人与人的交流，我们将电脑联入网络。为实现物联网中物体间的交流，我们必须将物体连入网络，一般来讲电脑是通过网络接口卡连入网络，物体是通过传感器、射频识别卡、条形码、影像等技术实现联网。物体的接入网络，由此也实现了从虚拟世界向现实世界的连接转变。

3）智能化

建设物联网的主要目的就是实现智能化。所谓智能化就是利用先进的计算机技术、无线传感技术和对设备的控制技术进行的智能控制。物联网技术可以让人们感知周围的环境，支持人们更好地使用各种环境，并对环境做出正确的判断与控制。

2智慧校园

“智慧地球”概念第一次提出是在2008年11月，由美国IBM公司正式提出，次年1月，晋升为美国国家战略。学校是我们传递知识的重要场所，同时学校也是科技研究和信息技术的前沿阵地，尤其是高校院校。因此我们应该抓住这次信息技术大发展的机遇，改造我们现有学校的管理模式，充分利用物联网技术，通过深入的研究与应用，建设理想的“智慧校园”

智慧校园是以智慧技术、智慧教育、智慧人文、智慧服务、智慧管理、智慧生活为特征的校园发展新模式，是学校信息化建设向更高层次发展的具体体现，并且提供更强大的发现问题、分析问题、解决问题的能力，因此，智慧校园具有很强的发展潜力，尤其是利用智慧校园进行的创新管理。

智慧校园是基于物联网技术，对教师与学生在和学校内各种教学资源和学校管理系统进行互动的一种应用，通过这种应用加强互动的精确性、正确性，促进互动的灵活性和提高互动的反应速度，从而达到让我们的校园更具智慧性，构建一种更加智慧的教学、智慧的服务、智慧的管理的先进校园管理模式。如果说把物联网在智慧校园中的应用说的更具体点，其实质是物联网技术中的识别器件，如射频卡、IC卡、条形码、身份影像等安装到食堂、寝室、教学场所、图书资料室、供水供电系统、实验中心等各种场所中，然后通过物联网技术，将这些器物通过无线、有线的方式构建成一个网络，也就是我们常称的基础物联网。然后我们再把这个基础网络连接到我们现有的校园网，通过校园网络融入英特网，把教学资源、生活资源以及其它校园资源进行智慧的整合，达到智慧化的服务与智慧化的管理。

智慧校园是物联网具体应用的一种综合性集成，通过感知数据的统一集中管理、海量信息的智能化处理，最终构成的用于学校管理、教育与服务的一种应用模式，并围绕学校的可持续发展，提供全面感知的、优质教育、高效管理和优良服务。

一个完善的智慧校园应该提供以下三个信息化关键处理能力：

1）信息的全面感知能力

将大量的感知终端布置在校园中，通过感知终端中的传感器，并接入网络，通过传感器和感知终端捕获到学校里关于教学、生活、管理和校园环境的各种信息数据。

2）海量的数据处理能力

能够对跨部门、跨行业异构数据的海量数据具有存储能力，具有对海量异构数据进行高速计算、高效分析、实时处理的能力，同时可以构建基于数据分析和知识管理的数据智能化应用能力。

3）智能的管理服务能力

建立面向智能应用的智慧校园支撑平台，建立面向综合应用的智慧校园统一公共管理平台，建立面向师生生活和学习的智慧校园的应用与服务平台。

3物联网在智慧校园中的典型应用

射频卡技术最早在校园中的典型应用是饭卡系统，该系统在校园中已经存在多年，但是作为拓展后的基于物联网技术在校园应用中的整合还处于起步阶段，尤其是提升到智慧校园的应用中还处于研究、建设中。笔者就常见应用，从校园生活、教学管理和安防监控三个方面进行举例介绍。

3.1校园生活

1）一卡通商务收费

采用非接触式智能卡作为电子钱包进行食堂就餐收费，可代替传统的用现金、磁卡、接触卡、光电卡等收费方式，学生先在学校的管理中心预先充入一定金额到校园卡中，就餐时售饭员在售饭机上输入收费额，学生在售饭机感应区的有效距离内出示卡，售饭机认可后便可完成收费。操作简单、方便、快捷，减少等待的时间。

一卡通商务收费子系统主要涉及学院内的各收银点，如食堂、超市、小卖部等计额收费的场所。

商务收费子系统由各类POS机组成，通过应用管理中心、会计账务系统的配合，实现了就餐收费项目的交易数据采集、营业参数下发等管理和服务工作，实现了营业管理、营业控制、营业报表等功能，每个结算周期，商务收费系统中的各个营业实体、出纳与账户管理中心进行财务结算。

商务收费子系统结构如图2所示。

图2

2）水控管理

学生通过采用预付费的方式进行水控制管理，控水系统基于射频卡实现。

智能控水系统使用流程如下：

①学生将已发行充值的用户卡插入节能控制器上，节能控制器自动判断该卡是否为合法有效卡。若卡合法有效，则允许使用该节能控制器。若为非法卡和无效卡则报警，且不允许使用该节能控制器。（使用次数和使用时间由设置卡来设置）。

②学生需要用水时，只需按动该节能控制器的开始按钮，则控水装置立即放水，计时开始。节能控制器显示使用时间。

③使用完毕，学生将用户卡从节能控制器里抽出，则控水装置立即断水。并且使开始按钮失效，直至下一次插卡使用。

④如果用户卡中消费金额已扣完，则控水装置立即断水，按钮失效，必须等到第二天后方可继续使用。

学校通过电脑联网采集节能控制器内的收费数据。用户卡发卡、换卡、回收等卡片管理由智能卡中心统一处理。

3）寝室查更考勤

学生寝室晚上查寝是一项费时费力的工作，同时也是一项非常重要的工作，偶尔的疏忽可能会给学生管理带来很大被动。利用当前先进的射频卡及其它智慧设备，辅助进行管理，将可以带来极大的方便。

基于RFID技术的寝室查寝工作流程：基于学生一卡通，当前大都学校都有一卡通，每个学生都有一张电子身证识别卡。辅导员收集、统计所辖学生的信息，通过发卡、配卡、导入的等方式，建立考勤名册。为防止学生冒名顶替现象的产生，事先收集每个学生标准证件照片和学生的生活照片，存入系统。在需要考勤的学生寝室，安装带有拍照功能的考勤机。并适当根据场景配备照明灯光。在需要考勤的时间点上，学生通过刷手机、刷学生卡等身份识别介质，至考勤机上刷卡，考勤机接受刷卡后，触发摄像头，拍取刷卡者照片，学生考勤结束。至固定时间点，辅导员登录考勤系统，统计考勤情况，实时打印学生在寝情况，对于缺席的即刻进行原因的查询。在管理系统里，对已经刷卡的学生进行照片比对。基本模式为左1标准证照片、左2学生生活照片、第3张为上一次考勤照片，最右边为本次考勤刷卡抓取照片。然后进行快速人工比对，如若发现明显不符者，进行细节比对，以此进行防止学生冒名顶替的发生。经笔者学校试用，每100名学生，辅导大约需要化费3-5分钟时，从管理角度基本可以接受。

4）智能照明

当前，学校场所多，照明设备也是非常的多，大多数学校存在严重的能源浪费，白天灯火通明。基于物联网技术的智能照明系统，有效的对学校内的灯进行控制，实现照明智慧化。具体的实现原理是：每一盏大功率的灯具上安装一个测光元件和控制器，通过无线组网。通过网络，控制中心可以对教室、道路上的每一盏灯进行控制，同时控制中心也可以通过网络及系统检测，获取每一盏灯的当前状态，然后根据环境光线强度、当前灯光状态和时间段，调节灯光照明的亮度。同时在公共开放教室安装感应器，夜间，当发现教室内无人时，自动关闭灯光，当教室内人数很少，集中在某区域时，也可以自动关闭无人区域的灯光，实现能源的最优利用。

3.2教学管理

1）日常教学管理

引入物联网技术后，通过原有网络教学平台和教务管理系统，对原有教学体系进行改造，构建一套全新基于全方位的教学管理体系。在物联网技术的支持下，依托身份识别技术，重组体系结构，构建新的教学评价体系，建立完善的教学质量监控体系。通过智慧校园系统，构建主动推送的智慧教育架构，学校在教学平台中构建知识库，学生在主动学习的基础上，系统自动发现学生的知识兴趣、学习兴趣，从系统中提取学生的知识点，通过邮箱、短信、微信等现代通讯手段，主动向学生推送学习的兴趣点，从而全方位培养学生。

2）智慧图书馆

智慧图书馆的实现主要是学生对图书借阅的智慧管理和图书本身的智慧管理。图书馆的智慧化管理主要还是通过RFID电子标签来实现，最理想的智慧化图书馆是无需人工服务。借阅、取书、还书、上架等系列工作由立体仓库实现，然而根据当前人力成本以及设施设备的造价，在学校里建设立体仓储式的图书馆还不太现实，我们当前推荐的智慧图书馆主要还是辅以部分人工场景。

图书的借阅主要还是依托学生的一卡通来实现，学生在登记处通过刷卡进入图书馆，寻找自己书籍，至服务窗口，通过刷卡，扫描图书的方式进行自助式借书。还书的时候，只需要直接扫描书本，系统自动办理还书手续，并将书本置入电子书车。工作人员在电子书车的指引下，依次、科学路径的将书车上的图书归还架位。

智慧图书馆的另一个功能是智慧图书推荐，系统根据学生的专业、学生历史借阅记录、学生考试成绩、同专业学生学习记录，寻找学生的兴趣点，及时的寻找学生关注的图书，并通过短信、邮件、微信等手段向学生进行主动推荐。

3）实验室管理

高校中，实验室中的设备相对比较的复杂，尤其是部分设备比较的昂贵。通过RFID电子标签，对实验设备进行管理，在电子标签上存储实验设备的基本属性等信息，通过电子标签阅读器和网络系统，对设备进行统一管理。

3.3安防监控

安防监控包括重大设备的防盗、校园天眼系统和无障碍智能通道系统。

1)重大设备的防盗

高校，一般都是开放型校园，校园内人员混杂，对于防盗也有新的要求。智慧校园设计中，对校内一些重要设备、易遗失设备贴上电子标签，在进出口上安装检测设备，当人员通过检测口，如若携带、夹带管控器物时，系统实现自动报警。对于更重要的设备，可以通过布置WIFI无线监控网络，对设备进行监控定位，当设备有移动迹象，系统自动通过网络向保卫处报警，提示保安到场清查，在现场安装有信号复位机制，只有保安到场才到清除报警信号，督促保安亲临查看，确保重要资产的遗失。

2）校园天眼系统

校园天眼系统实质就是基于网络的数字化的高清监控系统，通过分布于校园内密集的监控摄像头，保安处可以实时，全方位的了解学校内发生的一切，有助于及时处置各类事件。本系统集成至智慧校园中，增加图像的识别功能，更可以精准的发现情况。通过遍布校园的摄像头和感应点，能够自动对在校园中活动的人员进行身份区分，并对进入重要区域的可疑人员进行重点监控，确保校园安全。

3）无障碍智能通道系统

当学生上下课的时候会有大量学生同时进入宿舍，如何在这个时间段对每一个到学校的人员进行准确的身份识别，怎么来防止外来人员尾随本学校学生进入学校宿舍。而在这个时候工作人员也根本无法知道有尾随进入。

如何做到让宿舍的管理人员，在高峰期的时候对每个学生进行准确的身份识别，而且还不会使学生产生排队、拥堵的情况发生。无障碍智能通道系统的应用便可以解决这个问题。

设备安装于通道口，学生至通道口后通过刷卡进入寝室，非本幢寝室授权学生在通过通道口时自动进行声光报警，告知公寓的管理人员“有人闯入，敬请核实”，同时系统主动抓拍该人员的高清影像，为事后核查提供佐证资料。系统通过红外线感应功能，对人员通过通道机进行计数，当发现一卡多人时进行声光报警，防止尾随。系统可以对任何情况下的人员出入进行抓拍通过时的照片资料，利用高清影像设备及脸部检测系统，对脸部进行聚焦，确保每一张照片人员脸部的清晰可辨，在抓拍的过程，记录事件发生时间，用于事后查证。抓拍的图片可以压缩存贮在远程服务器或本地微机，并可以设定保留时间，为保证存储系统的利用率，系统可以根据时间，自动删除过期照片。学生在通过通道机时，可以使用远距离自动刷卡或近距离主动刷卡。远距离刷卡是指学生只需要在身上或书包内携带已经注册并授权的卡片，不需要主动拿出卡片进行刷卡，自然通过即可，提高通道的通过速度和效率。近距离主动刷卡是指学生在通过通道机时，需要拿出卡片，在机器进行刷卡方能合法通过。通道机因为使用感应技术，无需滚闸，进出没有任何障碍，当发生意外情况时，不会影响到人员的疏散。学生在通过通道时，通过刷卡进行身份识别后，可以在寝室电子屏幕上显示该学生的一些特定信息，如包裹、信件等信息，并可以远程发布通知。

4结束语

智慧校园依托先进的物联网技术，依托网络，构建更为先进的拓展网络，通过已经拓展了的校园网络，达到智慧化的校园服务和校园管理，通过物联网技术，实现对人、物、信息载体互联互通，海量的信息在聚合产生更多的新信息，最终为师生提供智慧化服务。

智慧校园在实际的使用中，为教师、学生、管理人员提供了极大的便利，但同时也还存在一些问题与挑战。首先是建设经费，要想建设一个完善的智慧校园是需要庞大的资金、技术平台的支持，同时也需要完善的无线、有线校园网络的支持；其次是隐私安全问题，物联网技术在很大的程序上将我们用户联入了网络，对用户在大量信息进行了收集，信息的过渡集中容易导致师生隐私的泄露。最后，管理机制尚不完备，如何更好的管理好如此庞大的网络、复杂的网络是也很大的问题，因为我们的物联网涉及方方面面。未来校园是智慧的校园，基于物联网技术的智慧校园建设也势在必行。

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