王世運(yùn) 石煥玉

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)包括管理節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)，大量的網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)智慧校園監(jiān)測的需求部署在相關(guān)區(qū)域。在智慧校園內(nèi)部署無線傳感器節(jié)點(diǎn)要重點(diǎn)考慮節(jié)點(diǎn)的微型化、可靠性和較低的維護(hù)成本，同時也要兼顧靈活的可擴(kuò)展性。本文基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、3G/4G通信技術(shù)，分析建立覆蓋智慧校園的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)對智慧校園中教學(xué)管理、實(shí)驗(yàn)室管理、校園管理等環(huán)境數(shù)據(jù)、使用數(shù)據(jù)以及監(jiān)控視頻等數(shù)據(jù)的采集、傳輸和分析。

關(guān)鍵詞：智慧校園；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；節(jié)點(diǎn)；應(yīng)用需求

中圖分類號：TP393.18 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）08-0049-02

2017年，教育部辦公廳關(guān)于印發(fā)《2017年教育信息化工作要點(diǎn)》的通知中明確指出：引導(dǎo)各級各類學(xué)校開展數(shù)字校園、智慧校園建設(shè)與應(yīng)用。智慧校園成了學(xué)校進(jìn)行信息化建設(shè)的代名詞，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為智慧校園的建設(shè)基礎(chǔ)，承擔(dān)起智慧校園內(nèi)所有教學(xué)活動、師生活動、校園管理等工作的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的采集與分析，為科學(xué)管理校園提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計作為智慧校園建設(shè)的重點(diǎn)內(nèi)容，涉及節(jié)點(diǎn)選址、監(jiān)測內(nèi)容的需求、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的需求、數(shù)據(jù)管理平臺的需求等。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

1998年，美國在先進(jìn)國防研究項(xiàng)目局（DARPA）的一個研究項(xiàng)目中第一次提出無線自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新興的傳感器網(wǎng)絡(luò)，基于近幾年無線通信技術(shù)、微處理器和3G/4G通信技術(shù)的高速發(fā)展，它也逐漸從國防軍事領(lǐng)域走向民用，隨著相關(guān)技術(shù)研究的深入，傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐步走向成熟，其應(yīng)用范圍也越來越廣，涉及環(huán)境監(jiān)測、智慧交通管理、森林火災(zāi)監(jiān)測、智慧出行等，其中智慧校園就是它最近研究的熱點(diǎn)之一。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在可以分為追蹤和監(jiān)測兩種類型。具有跟蹤功能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括人的識別與跟蹤、汽車識別與跟蹤、動物跟蹤等；具有監(jiān)測功能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括環(huán)境監(jiān)測（主要是溫度、濕度的監(jiān)測與預(yù)警等）、醫(yī)療衛(wèi)生監(jiān)測（血壓、心率的監(jiān)測與預(yù)警等）、抗災(zāi)（包括森林或水資源環(huán)境變化監(jiān)測與預(yù)警、空氣污染監(jiān)測與預(yù)警等）、國防軍事防御等?，F(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究基本是集合了追蹤和監(jiān)測兩種功能，同時還集成了數(shù)據(jù)分析與預(yù)測、預(yù)警功能，能為科學(xué)管理提供數(shù)據(jù)與預(yù)警。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)研究包括定位、同步、覆蓋、數(shù)據(jù)融合、網(wǎng)絡(luò)安全等，實(shí)現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠準(zhǔn)確有效地獲取相關(guān)信息與數(shù)據(jù)，同時也能加強(qiáng)對監(jiān)測范圍內(nèi)各種因素的實(shí)時監(jiān)控，并將所有獲取到的數(shù)據(jù)傳到的網(wǎng)絡(luò)的處理節(jié)點(diǎn)，時時分析獲取到的數(shù)據(jù)，并作出相關(guān)的動作或預(yù)警。但目前來說無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還沒有高效的技術(shù)算法和通信協(xié)議，在進(jìn)行大規(guī)模部署與數(shù)據(jù)分析時有較大的困難。

近幾年無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)包括：

（1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能效問題。研究如何針對不同的應(yīng)用需求去設(shè)計或應(yīng)用相關(guān)運(yùn)行算法，從而進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)性能、延長使用壽命、降低整個網(wǎng)絡(luò)的能耗等。

（2）網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)或設(shè)備的大范圍時間同步。

（3）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)壓縮、傳輸、存儲等。

（4）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身原安全檢測。包括相關(guān)的安全協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計以及自身能抵御非法入侵與攻擊等。

（5）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的兼容性和靈活的可擴(kuò)展性。

（6）無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)部署設(shè)計。

2 智慧校園環(huán)境下的無線傳感器監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用需求分析

從早期的校園信息化建設(shè)到數(shù)字校園建設(shè)，再發(fā)展到智慧校園建設(shè)，將校園的信息化提升到了智慧化層面，旨在讓師生的校園學(xué)習(xí)與生活更加簡單，管理更加智慧，服務(wù)更加個性化，最終從基礎(chǔ)硬件環(huán)境、教學(xué)業(yè)務(wù)應(yīng)用和校園管理三個維度來構(gòu)造智慧校園服務(wù)管理體系。

智慧校園體現(xiàn)是一種全新的校園管理與服務(wù)模式，它應(yīng)能實(shí)現(xiàn)學(xué)生管理、校園全程監(jiān)控、校園消費(fèi)管理、教學(xué)業(yè)務(wù)管理、行政管理等無縫整合，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理，能為師生的學(xué)習(xí)與工作提供服務(wù)，也能為學(xué)校管理決策提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

總的來說，智慧校園環(huán)境下無線傳感器監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用的需求主要有：

（1）一站式服務(wù)需求。需要實(shí)現(xiàn)師生校園學(xué)習(xí)與工作業(yè)務(wù)的整合貫通，通過信息門戶，師生合法認(rèn)證一次，就可以提供面向師生的一站式服務(wù)。一站式服務(wù)主要包括師生通過信息門戶合法認(rèn)證一次，就能享受校園所有信息化的服務(wù)，主要有教室/實(shí)驗(yàn)室的智能化管理與使用、移動網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、教學(xué)信息管理等。提供一站式服務(wù)不光是對使用者進(jìn)行身份認(rèn)證，也包括通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)收集大量教室/實(shí)驗(yàn)室相關(guān)信息，如教室光照度、溫度、課程信息、教師/學(xué)生信息等，為師生使用教學(xué)資源提供更加精細(xì)化的服務(wù)。

（2）業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化需求。在智慧校園建設(shè)過程中，各下職能部門的信息數(shù)據(jù)由各個不同主體來建設(shè)，均是獨(dú)立建設(shè)與獨(dú)立維護(hù)，導(dǎo)致業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)格式不一致，所以進(jìn)行智慧校園建設(shè)首要任務(wù)是制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行長遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)規(guī)劃。

（3）數(shù)據(jù)共享需求。智慧校園的智慧體現(xiàn)在數(shù)據(jù)共享上。如果數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)不一致，將導(dǎo)致校園各個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)無法共享，給智慧校園的協(xié)同工作帶來數(shù)據(jù)處理上的困難，使得跨部門的業(yè)務(wù)辦理效率低下、錯誤多。

3 智慧校園環(huán)境下的無線傳感器監(jiān)測硬件的需求分析

智慧校園監(jiān)測終端硬件包括節(jié)點(diǎn)（傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、管理節(jié)點(diǎn)）、主機(jī) 、通信/網(wǎng)絡(luò)和能源供應(yīng)系統(tǒng)等構(gòu)成。其中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量根據(jù)監(jiān)測需求數(shù)量從數(shù)百個到幾千個，每個節(jié)點(diǎn)都連接到一個（有時是幾個）傳感器。每一個這種傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般都包括幾個部件：一個無線電收發(fā)器，一根內(nèi)置天線或外部天線連接、一個微控制器、一個傳感器接口電路和電源，一般為電池或嵌入式能量采集機(jī)制。

（1）傳感器。是一種檢測裝置，能采集或感受到被測物體的信息，并將信息以一定的數(shù)據(jù)格式和傳輸方式將信息傳遞出去。

（2）節(jié)點(diǎn)。包括數(shù)據(jù)采集、處理控制、無線通信、定位模塊以及能量供應(yīng)等。在校園環(huán)境范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)可采用3G/4G的方式和數(shù)據(jù)主機(jī)通訊，在南方熱帶、亞熱帶地區(qū)，該節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)可以采用太陽能的方式，以方便部署、維護(hù)或替換。

（3）數(shù)據(jù)分析與處理主機(jī)。主要功能有智慧校園監(jiān)控信息集中分析處理，包括視頻分析與處理功能、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)通信等，它可以和能源供應(yīng)系統(tǒng)建設(shè)在同一個工作機(jī)房內(nèi)。

（4）能源供應(yīng)系統(tǒng)。傳感器節(jié)點(diǎn)因其功耗相對較小，常見的能源供應(yīng)系統(tǒng)有主要太陽能、風(fēng)能供電系統(tǒng)。而為保障管理節(jié)點(diǎn)、主機(jī)和重點(diǎn)通信系統(tǒng)的工作效率，需要7*24小時不間斷提供電力保障和環(huán)境保障，故這類系統(tǒng)或設(shè)備一般建立相關(guān)的機(jī)房或機(jī)庫，并且采用專線供電。

4 智慧校園環(huán)境下的無線傳感器的傳輸網(wǎng)絡(luò)需求分析

現(xiàn)有成熟的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通訊方式大多是采用2.4GHZ或433M/Zig Bee方式，而不同的使用環(huán)境應(yīng)有不同的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，常見的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)涉及到的傳輸方式有PHY/MAC 層標(biāo)準(zhǔn)、3G/4G、藍(lán)牙（Bluetooth）技術(shù)、超寬帶（UWB）技術(shù)、紅外（IrDA）技術(shù)、家用射頻（HomeRF）技術(shù)。但因校園的應(yīng)用環(huán)境一般較為穩(wěn)定與安全，建議采用基于3G/4G網(wǎng)絡(luò)的無線通信和有線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，涉及到的通訊協(xié)議主要有物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議、以太網(wǎng)協(xié)議，這樣它涉及到的通訊網(wǎng)絡(luò)相對較為成熟與穩(wěn)定，組建的網(wǎng)絡(luò)成本和維護(hù)成本相對就較低。

采用基于3G/4G網(wǎng)絡(luò)的無線通信和有線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合進(jìn)行傳輸網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，它主要通過若個無線傳感器節(jié)點(diǎn)采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，比如溫度、溫度、密度、氣體濃度、光照條件等，然后將這些數(shù)據(jù)傳輸至管理節(jié)點(diǎn)，最后通過有線網(wǎng)絡(luò)的方式將數(shù)據(jù)上傳至終端服務(wù)器，便于相關(guān)工作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析、統(tǒng)計、匯總或預(yù)警等。該網(wǎng)絡(luò)對各個設(shè)備的基本要求有：相關(guān)節(jié)點(diǎn)或設(shè)備具有接入3G/4G移動通信網(wǎng)絡(luò)的功能，部分設(shè)備自帶能量供應(yīng)模塊，同時相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)平臺也能通過3G/4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)通信。

5 數(shù)據(jù)綜合處理平臺需求分析

智慧校園無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)綜合管理平臺的需求主要有：

（1）收集各個節(jié)點(diǎn)采集來的環(huán)境數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分類、統(tǒng)計、匯總等；

（2）能夠根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的預(yù)警值進(jìn)行災(zāi)情的發(fā)現(xiàn)和定位，并及時將相關(guān)災(zāi)情警示給值班人員或以電話、短信的方式通知值班人員；

（3）根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的警戒值，對校園內(nèi)可能要發(fā)生的擁堵或可能涉及危害校園安全的事情進(jìn)行提前預(yù)警，并通知給相關(guān)值班人員；

（4）識別進(jìn)出校園的人員和車輛的信息，自動識別利用校園相關(guān)資源的人員信息（比如識別進(jìn)出教室或?qū)嶒?yàn)室的人員信息）；

（5）能分析溫度、濕度、空氣密度等環(huán)境數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，能提前預(yù)警相關(guān)的災(zāi)情（火災(zāi)、有毒氣體泄露等）等；

（6）可根據(jù)客戶自身數(shù)據(jù)分析要求，利用相關(guān)的數(shù)據(jù)自定義相關(guān)的報表。

6 結(jié)語

本文的智慧校園無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)需求研究是建立在對各種校園管理應(yīng)用需求分析的基礎(chǔ)上，通過利用現(xiàn)有成熟的通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來進(jìn)行分析，力圖實(shí)現(xiàn)低成本的智慧校園無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)工作，達(dá)到保障師生在使用校園資源時的安全性，同時通過對校園人員信息、環(huán)境等數(shù)據(jù)的采集、傳輸、分析，也實(shí)現(xiàn)了對校園環(huán)境的實(shí)時監(jiān)控與預(yù)警，從而能提高學(xué)校的管理水平，同時也高水平服務(wù)師生在校園內(nèi)的生活與學(xué)習(xí)。

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