基于物联网、大数据的智慧校园研究

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　　摘要：随着物联网、大数据技术的发展，高校管理从数字化校园开始迈向智慧校园。基于近距离无线通信技术和移动蜂窝网的物联网技术在智慧城市、智能楼宇、智能停车、智能超市、资产追踪、物流跟踪等领域得到了广泛的应用。高校智慧校园可根据应用场景选取不同的技术方案。物联网感知系统采集的数据经过大数据中心的分析、建模，可以为师生提供个性化的校园服务，进一步推动高校管理智能化、便捷化。
　　关键词：智慧校园;物联网;大数据
　　中图分类号：G647;TP311.13     文献标识码：A   文章编号：1007-9416（2020）10-0000-00
　　 党的十九大做出中国特色社会主义进入新时代的重大判断，提出“加快教育现代化，办好人民满意的教育”的时代命题，开启了加快教育现代化、建设教育强国的新征程。国家教育部于2018年4月发布了《教育信息化2.0行动计划》，提出了“智慧教育创新发展行动”[1]，为我们推进智慧校园建设指明了方向。特别是近年来，随着人工智能、大数据、物联网、云计算、区块链等技术迅猛发展，极大影响了人们的生产生活方式，也推动着教育教学领域的应用。依托各类智能设备、网络，积极开展智慧校园建设，将积极推动新技术条件下教育教学的模式变革，真正实现教育信息化进入2.0时代。
　　 随着物联网、大数据技术的发展，高校管理从数字化校园时代开始迈向智慧校园时代。传统的数字化校园，是指在传统校园基础上构建一个利用计算机和网络构成的数字空间，实现环境信息、资源信息到应用信息的数字化，从而为教育资源和教学服务共享提供有效支撑。而随着时代发展，传统的数字化校园已经不能适应现代化的教育教学管理模式，特别是2020年新冠疫情的全球爆发给传统的数字校园提出了新的挑战，智慧校园则是物理空间和信息空间的有机衔接，是任何人、任何时间、任何地点（anyone，anytime，anywhere）都能便捷地获取资源和服务。智慧校园以物联网为基础，将校园工作、学习和生活一体化，将教学、科研、管理和校园生活真正融合，成为有机整体。
　　1当前校园日常建设和管理实践中的弊端和不足
　　 当前校园日常建设和管理实践中的弊端和不足，主要有：（1）智能化程度不高。当前一些高校的部分学生日常管理工作还停留在线下人工管理，虽然部分管理工作使用了信息化系统，但整体智能化程度不高;教室、实验室互动性、参与性、个性化服务不强，智能化程度不高，在数据统计、实时管理等方面消耗了大量的人力物力。（2）能源消耗过大。图书馆、自修教室等存在空闲时段室内无人、照明全亮、空調全开的不节能现状，与建设资源节约型校园很不相称。（3）校园服务效率低下。高校食堂在下课高峰因为人工打菜计价慢，图书馆在借书高峰因为人工扫描条码速度慢，导致学生排长队，存在低效率问题等等。（4）信息零散孤立。高校校园网、教务、学工、办公、人事、科研等管理系统，相互独立、数据标准不统一、系统关联性不大，无法协同工作，难以有效整合及共享数据资源。（5）数据标准化程度低。高校学生数量多，教务、学工、宿舍、图书馆等各个业务系统每天产生海量数据，但是没有对这些数据进行标准化、智能化组织和处理。（6）应用灵活度不够。特别是以此次新型冠状病毒感染的肺炎疫情代表的突发公共事件发生后，如何迅速建立具有较高匹配度，可以快速、高效、准确、有针对性的加强学校闭环管理的应用模式，成为众多高校亟需寻求的解决方案。这些问题看似平常，屡见不鲜，但日积月累，影响教育教学高效运转，造成资源极大浪费。
　　2物联网、大数据等新兴技术发展为高校管理提供新的路径
　　 物联网是指在互联网基础上扩展及延伸的网络，是通过各种网络连接技术与信息传感技术实现物与物、物与人之间的连接和互动。物联网通过智能感知、识别技术、普适计算、泛在网络的融合应用， 被誉为继计算机和互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。根据国际电信联盟发布的《ITU 互联网报告：物联网》， 在新的发展时期， 物联网被定义为根据一系列的信息系统以及设备按照约定的协议将互联网与所有设备进行连接以进行通信及信息的交换， 从而达到智能化的识别定位管理等功能的一种网络[2]。作为新一代信息通信技术高度集成和应用的典范， 正在与经济社会深度融合， 深刻改变生产活动、社会管理、公共服务，推动人类社会进入“万物互联”的新时代。
　　 物联网通过RFID（Radio Frequency Identification）标签给每个真实的物体分配唯一的标识或地址，RFID标签抗损坏能力强，其利用无线射频识别技术实现物与物的互联互通。
　　 基于近距离无线通信技术和移动蜂窝网的物联网技术在智慧城市、智能楼宇、智能停车、智能电梯、资产追踪、抄表、路灯、跟踪物流等领域得到了广泛的应用。高校物联网也根据使用场景可选择不同的物联网技术。
　　 目前近距离无线通信技术包括ZigBee、超宽带（UWB）无线通讯、Z-Wave、Wi-Fi、红外通信、蓝牙等一系列较为成熟的近距离无线通信技术。ZigBee，是一种短距离无线通信技术，它的结构简单，主要采用了IEEE 802.15.4标准规范。它的特点是功耗低、速率低、成本低，支持多节点、多拓扑，安全可靠，可定制化程度高。超宽带（UWB）是一种不使用载波的无线通讯技术，利用极窄能量脉冲，通过调制、排序将脉冲扩展到需要的频段。可实现短距离内超带宽、高速的数据传输，且功耗低、穿透能力极强、抗多径能力强、定位精准度高、成本低。Z-Wave是基于射频技术的短距离无线通信技术，其成本低、功耗低、可靠性高、操作简单，兼容性好。Wi-Fi是目前使用最广的无线通信技术，通过无线网卡、无线访问接入点AP（Access Point）搭建网络，其成本低，但是容易受其他信号干扰，传输质量不稳定，从而影响数据的准确性。蓝牙作为一种短距离的无线通信方式，有着安全性高、成本低等特点。 　　 依据现有移动技术开发的蜂窝物联网技术标准及产业布局日趋成熟，目前低功耗广域物联网技术（LPWAN）主要包括EC-GSM、NB-IoT和eMTC。EC-GSM是基于GSM/GPRS/EDGE的技术，其优势在于可以复用现有的移动基础设施，大部分基站无需更换或升级硬件设备，只需更新网络节点上的软件，且 GSM 网络遍布全球，覆盖面广。NB-IoT（Narrow Band Internet of Things），是一种应用广泛的窄带物联网技术，其构建于蜂窝网络，速率低、连接多、覆盖广、功耗低、成本低、架构优，适合用在传感、计量、监控等应用上。eMTC（LTE enhanced MTO），是基于LTE演进的无线物联网解决方案，是在LTE协议基础上进行裁剪和优化，降低了发射功率、降低了硬件成本，超可靠低时延、支持语音技术、覆盖更广，侧重点主要体现物与物之间的通信需求。
　　 高校可在实际应用中，根据高校自身特点，以及应用场景选择适合自己的物联网技术，实现校园内的物与物的互联互通。通过各类传感器、电子标签构建智慧环境，采集环境监测数据。
　　 大数据字面意思表示规模庞大的数据，但是大数据有别于传统的“海量数据”、“超大规模数据”，即大数据满足4V特性，即规模性（volume）、多样性（variety）、高速性（velocity）和价值性（value）[3]。大数据技术从理论走向应用，为高校管理发展带来了新的机遇。对高校每天产生的数据进行全生命周期的监测、分析，将给高校治理提供更多的思路和决策支持[4]。
　　 通过校园物联网的互通，建立智慧教室、智慧实验室、智慧图书馆、智慧宿舍、智慧食堂等，在校园日常运转中利用物联网实时采集数据，并对数据进行日常的分析，实现精准定位，预测预警，实现校园日常管理的节能减排，提高校园日常的安全保障[5]。
　　3基于物联网、大数据的智慧校园架构
　　 （1）基于智能感知的校园环境建设。物联网感知环境是智慧校园管理大数据信息产生的一大来源。通过传感器、智能电子标签等实现对校园环境内的所有设施、设备及状态的信息采集，对环境指标和活动情境的识别感知和记录，从而实现对物理环境、活动情境、设备、人员身份的感知，实现物与物、人与物的互联。如感知校园中学生及教师“人”的活动、各类教育教学器具等“物”的移动、图书馆、食堂内各种图书、菜品的标识等。
　　 （2）智慧校园业务管理平台。智慧校园管理平台的各个应用系统单元的业务数据是智慧校园大数据信息产生的另一大来源。智慧校园管理平台包括了协同办公系统、人力资源管理系统、教学管理系统、学生工作管理系统、资产管理系统、财务管理系统、实验室管理系统、图书管理系统等应用单元。通过顶层设计、统一的数据标准、统一身份认证，形成一个互联互通的平台体系，实现数据资源共享。
　　 （3）智慧校园大数据中心。物联网感知环境和智慧校园管理平台产生的结构化、非结构化数据，经过抽取、清洗、转换、加载，汇聚到大数据中心。大数据中心打通数据通道，突破数据壁垒，实现异构系统的数据统一存储、整合。各应用系统之间实现信息互通，数据共享，从而消除“信息孤岛”，实现系统间的数据交换。
　　 （4）校园数据管理分析。在大数据中心的基础上，进行数据挖掘、数据关联融合，通过语义处理实现数据的可视化管理，让校园海量数据活起来。以在线建模的方式对数据进行分析处理、配合使用，实现综合校情分析。
　　 （5）校园数据应用。经过处理分析的数据，让校园管理实现数据化、服务化、智慧化，比如綜合校情分析、个人数据中心、基本数据服务、数据预警、数据推荐、报表展示等。综合校情分析，通过对关键数据的提取，实现不同主题的校情分析，如办学条件分析、教师主题分析、教学主题分析、科研主题分析、资源能耗分析等。个人数据中心，通过整合各个系统的数据，形成一个个人精准画像，包括学业、生活、消费、考勤等多维度分析。基本数据服务向师生提供基础数据的展示及查询功能。数据预警则根据分析自动发出学业预警、擅自离校预警、贫困生预警、消费异常预警等。数据推荐，根据不同的学生画像、行为分析提供针对性的学习方法推荐、学习习惯推荐、图书推荐;根据教师的教学质量分析提供相应的教学方法推荐等。报表展示则以报表的形式展现学校的管理数据，对于信息上报可以节省重复填报、反复收集信息的时间，以提高工作效率。
　　4物联网运用、大数据分析在校园建设管理的应用场景
　　 物联网、大数据技术应用在校园的应用模式多、场景丰富，技术实现上有路径、日常使用实践具有可行性。需要我们通过物联网、大数据应用下的校园节能研究、校园安全研究、校园管理研究等专项研究，用最新技术手段和方法，推进学校教育教学各环节节约节能，推进平安校园建设，推进教育教学资源合理配置、优化管理、高效运行。
　　 （1）智慧教室、智慧宿舍的应用——实现节约节能、活动统计、教室安排。通过红外传感器检测到室内无人后，由数据中心经过处理，对电源控制器发出指令，实现自动关灯;室内场所通过温湿度传感器实时调节室内空调温度，以达到节能的目标;并且将数据上传到数据中心，通过与教务系统、学工系统的数据集成对接，责任到上课的班级、教师、学生，给与提醒，提高全校师生的节能意识。数据中心根据教务系统的排课安排，向教师学生推送上课教室号，同时无课的学生可以查询空闲教室，系统也可向学生推荐自习室，尽量使用统一的教室，达到节能的目的。
　　 （2）智慧实验室的应用——实现实验室中常存化学试剂、危险气体、废弃物等的管理。通过物联网实现实验室的智慧化、精细化、可视化管理，可有效降低、消除实验室的安全隐患。通过使用烟雾传感器、温湿度传感器、氧气传感器、二氧化碳传感器、亮度传感器、PM2.5传感器等对实验室环境参数实时监控，构建一个能耗低、环保、安全的智慧实验环境。 　　 （3）智慧图书馆的应用——实现资源合理配置，优化管理，高效运行。通过对图书馆书库的区块划分，每个区块安装对应的红外传感器、亮度传感器等，当检测到该区域有人时，自动亮灯;超过一定的时间无人自动熄灯或调暗灯源亮度，以降低图书馆的日常能耗。每本馆藏图书由唯一的RFID标签标识，师生可根据标签定位，迅速找到书籍;馆员也可以根据标签信息定位图书在校园内的位置。大数据中心根据图书借阅数据，在线建模向图书管理员推荐调整书库的图书存放位置;向师生定点推送阅读书目。
　　 （4）智慧食堂的应用——实现食堂的高效运行、精准采购、学生饮食健康分析。通过使用加装了传感器的餐盘，自动计算金额，减少学生排队时间，避免高峰期食堂人员过度集中，防止安全隐患。师生在门户网站查询食堂实时人数，合理安排就餐时间。数据中心通过对学生的点菜数据，既可以分析全校师生的餐饮偏好，合理采购;也可以分析单个学生的消费曲线，建立学生的饮食健康档案，及时发现生活困难，过度减肥等学生。
　　 （5）智慧安防的应用——实现高校安保管理精细精准。每位在校生发放一个代表个人身份的RFID卡，用于进出校园及校园内楼宇的凭证。在宿舍、教学门禁处配置RFID读卡器，个人只能进入授权了的宿舍楼、教学楼，否则系统自动报警。学生身份标签也可用作上课考勤，宿舍查寝，任课老师和辅导员能够快速了解考勤情況，提高课堂及日常管理的效率。学生在校期间如果有贵重物品，可向学校保卫部门申请RFID-SIM卡，将卡片置于贵重物品中，并录入所属学生的个人信息、物品信息。宿舍、校园门禁处的RFID读卡器，读取进出RFID信息，若物品标签信息与人员信息相同则放行，否则自动报警。
　　5结语
　　 当前是信息技术发展最快的时代，物联网、5G、大数据技术相辅相成、共同发展，各项技术不断成熟，智慧校园建设也进入了新的发展时期，实现校园生活方方面面的智能化，提升学生的学习和生活的便捷性，优化教学模式。校园服务将更加趋于个性化，旨在满足每一个个体的需求;校园的管理更加趋于精细化，在降低人力物力的同时提高管理效率，促进学校的整体进步。
　　参考文献
　　[1]吴旻瑜，武晓菲.教育信息化2.0的时代逻辑：《教育信息化2.0行动计划》解读之一[J].远程教育杂志，2018，36（4）：4-10.
　　[2]ITU-T.Rec Y4000.Overview of Internet of Things[R].2016.
　　[3]孟小峰，慈祥.大数据管理：概念、技术与挑战[J].计算机研究与发展，2013，50（1）：146-169.
　　[4]徐健.大数据技术在智慧校园中的现状及发展趋势[J].电子商务，2019（2）：57-58.
　　[5]孟勋.基于物联网的智慧校园建设[J].中国科技信息，2019（7）：59-60.
　　收稿日期：2020-08-10
　　基金项目：江苏省现代教育技术研究课题（2018-R-66983）
　　作者简介：滕雯静（1989—），女，江苏南京人，硕士，助理工程师，研究方向：计算机软件。
　　Research on the Smart Campus Based on Internet of Things and Big Data
　　TENG Wen-jing，WANG Ning
　　（Jiangsu Health Vocational College， Nanjing Jiangsu  211800）
　　Abstract： With the development of Internet of Things（IoT） and Big Data，the management in colleges and universities is moving from the digital campus into a smart campus. The Internet of Things （IoT） based on NFC and cellular mobile network has been widely used in smart city，smart building，intelligent parking，smart supermarket，asset tracking，asset tracking etc. Different technical solutions can be selected according to the application scenarios. The data collected by sensing of Internet of Things（IoT） is analyzing and modeling in Big Date center. It can provide personalized campus services for teachers and students， and further promote the intelligent and convenient management of colleges and universities.
　　Key words： smart campus; Internet of Things（IoT）; Big Data
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