倪雄師 林永

摘 ?要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的迅猛發(fā)展，以物聯(lián)網(wǎng)技術為基礎的數(shù)字孿生平臺是對智慧校園的進一步擴展與提升，構(gòu)建智能感知環(huán)境和新型教育教學空間，促進教學、教研、教育管理和生活服務的流程再造與智能管理，實現(xiàn)萬物互聯(lián)，提高學校教育教學管理決策水平，形成“可感知、可診斷、可分析、可自愈”的新型校園生態(tài)管控系統(tǒng)，突出“集中、智慧、定制、個性化”四大特色，打造高效、智能、幸福的智慧校園。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術;智慧校園;智能感知

中圖分類號：TP311;TN92 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）06-0164-04

Feasibility Study on the Construction of Internet of Things in Digital Environment

——Take Fuzhou Polytechnic as an Example

NI Xiongshi，LIN Yong

（Fuzhou Polytechnic，F(xiàn)uzhou ?350108，China）

Abstract：With the rapid development of the internet of things technology，the digital twins platform based on internet of things technology is the further expansion and promotion of smart campus. Constructing the intelligent perception environment and new education and teaching space，to promote the process reengineering and intelligent management of teaching，teaching and research，education management and life service，realize the interconnection of all things，improve the decision-making level of school education and teaching management，form a new campus ecological management and control system of “perceptible，diagnosable，analyzable and self-healing”，highlight the four characteristics of “centralization，wisdom，customization and personalization”，and build an efficient，intelligent and happy smart campus.

Keywords：internet of things technology;smart campus;intelligent perception

0 ?引 ?言

依托物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等新興技術，建設智能物聯(lián)的智慧校園。探討采用ZigBee/LoRa/NB-IOT等技術協(xié)議，研究建設多方聯(lián)動、提供一種環(huán)境全面感知、智慧型、數(shù)據(jù)化、網(wǎng)絡化、協(xié)作一體化、可視化物聯(lián)網(wǎng)平臺的可行性。以改善學校教學、管理和服務的新模式服務體系。以福州職業(yè)技術學院為例，主要對校園物聯(lián)網(wǎng)建設的必要性進行細致的分析，并從多個方面論證了建設的可行性。

1 ?現(xiàn)狀與必要性

1.1 ?建設背景

教育部2020年6月發(fā)布的《職業(yè)院校數(shù)字校園規(guī)范》中明確指出，針對物聯(lián)傳感網(wǎng)絡，應當基于LoRa、NB-IoT等技術，建立支持ZigBee、RFID、藍牙等多種物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的傳感網(wǎng)絡;針對教學環(huán)境建設，需具備遠程智能管控功能，實現(xiàn)對教室內(nèi)設備的統(tǒng)一管控;針對安全保障建設，需支持用電全面計量、插座惡性負載管理，需對照明系統(tǒng)進行智能管控，節(jié)約電能、減少維護人員工作量，需對空調(diào)末端集控系統(tǒng)進行統(tǒng)一管控，同時具備空調(diào)能耗統(tǒng)計功能。

1.2 ?學?，F(xiàn)狀

1.2.1 ?需建設面向未來的物聯(lián)網(wǎng)傳感網(wǎng)絡

學校目前暫未做統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)建設規(guī)劃，各系統(tǒng)建設自成一體。學校管理多采用人工形式，管理效率較低。

1.2.2 ?學校安全缺乏智能管理

校園內(nèi)門禁、監(jiān)控暫無統(tǒng)一管理平臺，學校多媒體教室、實訓室門鎖目前均采用傳統(tǒng)門鎖開鎖方式，無法實現(xiàn)遠程操作與一鍵管控，不便于管理人員進行有效的管理。

1.2.3 ?需建設教學區(qū)上課環(huán)境智能管控

學校多媒體教室及實訓室的空調(diào)與照明系統(tǒng)暫不具備智能控制、統(tǒng)一管理等功能，不便于管理，易造成能源浪費。

1.2.4 ?需建設實訓室用電安全智能管控與預警系統(tǒng)

學校實訓室儀器設備種類繁多、用電管理復雜、電損耗大，目前暫無電流監(jiān)測、排插惡意負載等監(jiān)測、預警系統(tǒng)。

1.3 ?項目實施必要性分析

學校目前一共有多媒體教室81間，實訓室113間。主要存在以下問題：（1）學校暫未搭建物聯(lián)網(wǎng)傳感網(wǎng)絡;（2）教學區(qū)域門禁、監(jiān)控暫無統(tǒng)一管理平臺;（3）教學區(qū)域照明、空調(diào)暫未實現(xiàn)智能管控;（4）實訓室暫未建設用電安全管控與預警系統(tǒng)。為提高校園電器物聯(lián)化管理、安全、節(jié)能水平，提升多媒體教室、實訓室信息化管理水平，有必要進行數(shù)字環(huán)境物聯(lián)改造。實現(xiàn)多媒體教室、實訓室的智能管控，提升校園智慧化管理水平。

2 ?項目可行性

2.1 ?建設基于邊緣計算的物聯(lián)網(wǎng)大平臺

以業(yè)內(nèi)最先進的窄帶廣域物聯(lián)網(wǎng)技術——LoRa技術作為基礎，利用邊緣計算技術，下沉控制單元的物聯(lián)網(wǎng)專用平臺，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析、邊緣計算、私有云、AI算法、5G等新興技術，為萬物互聯(lián)網(wǎng)絡提供數(shù)通基礎。

2.2 ?搭建基于數(shù)字孿生平臺的可視可管系統(tǒng)

構(gòu)建智慧校園感知系統(tǒng)，直觀展現(xiàn)校園整體設備狀態(tài)，展示精細化的物聯(lián)網(wǎng)終端管理及數(shù)據(jù)能耗分析、用電風險預警等信息，構(gòu)建智慧物聯(lián)信息實時感知系統(tǒng)。

2.3 ?推動教育教學實現(xiàn)全面可視化智能環(huán)境管理

實現(xiàn)實時查看教室授課教師課程進展等相關信息，實現(xiàn)教學信息與教室一一匹配的管理，智能統(tǒng)計多媒體教室和實訓室使用率，助力教學管理。

2.4 ?助力學校管理實現(xiàn)基于資產(chǎn)云技術的安全管理

根據(jù)責任范圍分配管理賬號，責任到人，管理人員對各自管理區(qū)域的日常管理和資產(chǎn)設備安全負責。

3 ?項目建設內(nèi)容

3.1 ?物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)大平臺建設

數(shù)字環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)應用場景和解決方案，由接入傳感層、物聯(lián)傳輸層和物聯(lián)開放平臺三部分組成。建立一套基于大數(shù)據(jù)分析、邊緣計算、私有云、5G、AI等新興技術，提供多種物聯(lián)網(wǎng)專用協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)大平臺，為后期物聯(lián)網(wǎng)建設拓展提供基礎支撐。如圖1福州職業(yè)技術學院物聯(lián)專網(wǎng)架構(gòu)所示。

利用物聯(lián)網(wǎng)無線低功耗、遠距離、大量連接的技術優(yōu)勢，設計物聯(lián)網(wǎng)應用，解決節(jié)點成本，網(wǎng)絡成本，電池壽命，數(shù)據(jù)傳輸速率（吞吐率），延遲，移動性，網(wǎng)絡覆蓋范圍等局限性問題。

采用典型的LoRa和NB-IOT低功耗廣域網(wǎng)通信技術，解決有線KNX協(xié)議、藍牙、RFID射頻技術、Z-Wave、Wi-Fi技術、紅外傳感等技術，無法滿足遠距離、大并發(fā)、低功耗的物聯(lián)網(wǎng)需求。實現(xiàn)應用隨時可以快速上線的目標。

平臺部署：部署1臺物聯(lián)網(wǎng)集管平臺和1臺網(wǎng)管平臺設備作為系統(tǒng)管理平臺，實現(xiàn)全校物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一管控及專網(wǎng)接入設備統(tǒng)一管理。

網(wǎng)絡配置：物聯(lián)網(wǎng)集管平臺接入校園內(nèi)網(wǎng)，獲取教務處課表信息。同時獲取固定IP地址，用于互聯(lián)網(wǎng)通訊，實現(xiàn)手機等移動設備APP遠程訪問。

專網(wǎng)架構(gòu)：物聯(lián)專網(wǎng)專用核心設備1臺，部署于數(shù)據(jù)中心機房。

3.2 ?物聯(lián)整體設計架構(gòu)

智慧校園物聯(lián)網(wǎng)應用場景和解決方案，由接入傳感層、物聯(lián)傳輸層和物聯(lián)開放平臺三部分組成，如圖2整體設計架構(gòu)所示。

底層電器終端設備，通過接入傳感器進行統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)采集，采集數(shù)據(jù)通過多合一物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關進行數(shù)據(jù)回傳，回傳的數(shù)據(jù)由私有云物聯(lián)網(wǎng)平臺（物聯(lián)網(wǎng)集管平臺）統(tǒng)一管理展示。

3.3 ?教學環(huán)境數(shù)字化建設

多媒體教室/實訓室物聯(lián)網(wǎng)管控設計，包含燈光、空調(diào)、智能門鎖、智能空開、情景面板等設備管理。

3.3.1 ?智能燈光控制系統(tǒng)

建設智能燈光控制系統(tǒng)，底層傳感器通過LoRa、Zigbee物聯(lián)協(xié)議將數(shù)據(jù)實時傳輸至多合一物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關，通過網(wǎng)線將數(shù)據(jù)上報至物聯(lián)網(wǎng)集管平臺，進行統(tǒng)一的物聯(lián)管控?？蓪崿F(xiàn)手機APP、web界面遠程開關、批量控制、定時照明控制、自動巡檢等智能照明控制功能。

3.3.2 ?智能空調(diào)控制系統(tǒng)

智能空調(diào)控制系統(tǒng)由紅外遙控器、多合一物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關、物聯(lián)網(wǎng)集管平臺組成?？蓪崿F(xiàn)手機APP、web界面遠程開關空調(diào)、溫度調(diào)節(jié)、更改模式等功能，實現(xiàn)定時通斷、自動巡檢等多項功能。

3.3.3 ?智能門鎖管理系統(tǒng)

智能門鎖管理系統(tǒng)由智能門鎖、多合一物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關、物聯(lián)網(wǎng)集管平臺組成?？蓪崿F(xiàn)門鎖狀態(tài)實時監(jiān)測展示，實現(xiàn)手機APP、Web界面遠程開鎖，對接校園一卡通、密碼等方式開鎖，實現(xiàn)出入記錄全溯源。

3.3.4 ?物聯(lián)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

對接教室內(nèi)已有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，部署NVR設備，保持NVR、攝像頭的IP可達、網(wǎng)絡可達即可實現(xiàn)對攝像頭和NVR的對接和管理，實現(xiàn)視頻實時查看、告警聯(lián)動、事件追蹤、告警回溯等功能。

3.3.5 ?智能情景模式系統(tǒng)

通過LoRa、Zigbee等物聯(lián)協(xié)議將數(shù)據(jù)實時傳輸至多合一物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關，實現(xiàn)一鍵情景設定管理，方便智慧教室電器設備的統(tǒng)一管控，提高管理效率。

3.3.6 ?智慧用電管理系統(tǒng)

建立智慧用電管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)智能空開遠程控制、自由分組設置定時開關等，實現(xiàn)用電智能化管控;支持用電保護，實時保障實訓室用電安全，支持實時查詢空開用電數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析，助力學校節(jié)能減排工作。

3.4 ?可視化數(shù)據(jù)系統(tǒng)建設

3.4.1 ?物聯(lián)信息可視化

通過物聯(lián)大屏展示功能，展示學校整體物聯(lián)網(wǎng)設備的運行狀態(tài)。數(shù)據(jù)通過友好的UI大屏呈現(xiàn)，通過onvif協(xié)議，對接進的物聯(lián)網(wǎng)平臺進行現(xiàn)場環(huán)境視頻調(diào)用操作，學校的整體情況一目了然，真正實現(xiàn)管理可視化。

3.4.2 ?教學場景可視可管

通過物聯(lián)網(wǎng)平臺對接學校教務系統(tǒng)，實時查看教室、教師、班級、課程等信息，上課實時視頻，教室使用率等，做到教學信息與教室一一匹配的管理，以此構(gòu)建完善的智慧校園教學可視管理系統(tǒng)，助力學校教學管理。

3.4.3 ?數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

可通過物聯(lián)網(wǎng)平臺，實現(xiàn)告警策略分析、巡檢策略分析、事件日志分析等多個維度的分析，分析結(jié)果支持UI界面展示，以表格形式導出。通過分析報表，助力學校做出正確的管理決策，如圖3數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)所示。

3.5 ?數(shù)據(jù)安全保障

3.5.1 ?傳輸安全保障

在傳輸層，MQTT使用TLS加密不但可以確保安全通信，還可以使用X509證書作為身份憑證去驗證設備。

在應用層，MQTT提供了客戶標識、用戶名密碼以及X509證書，在應用層驗證設備，以提高網(wǎng)絡傳輸?shù)陌踩浴?/p>

3.5.2 ?數(shù)據(jù)存儲保障

數(shù)據(jù)采用加密存儲，運用私有云平臺部署方式，讓學校掌握自身所有的數(shù)據(jù)。

3.5.3 ?運維管理保障

在防盜方面，通過雙因子認證和手機令牌等技術支持賬號防盜、防暴力破解。

在加密方面，通過APP及Web管理平臺的數(shù)據(jù)均采用安全防護加密傳輸。

4 ?建設預期成效

4.1 ?全校所有物終端數(shù)據(jù)化

校園內(nèi)除了傳統(tǒng)的智能終端有線、無線聯(lián)網(wǎng)外，后期所有的啞終端、物終端大部分都可以通過物聯(lián)網(wǎng)接入校園網(wǎng)中，實現(xiàn)全校所有終端信息化，可IT管理。

4.2 ?教學空間智能化可視化

在教室內(nèi)可實現(xiàn)對門禁、燈光、空調(diào)等單一設備的可視化管理，可以通過APP或Web網(wǎng)頁進行教室智能情景化控制，一鍵實現(xiàn)上課、下課等情景。實時查看各個區(qū)域設備的運行狀態(tài)、環(huán)境信息、用電信息、能耗狀態(tài)、監(jiān)控信息、門禁信息等。

4.3 ?實現(xiàn)全面綠色校園、平安校園

建設完后采用物聯(lián)網(wǎng)用電管理，可對學校所有區(qū)域、樓棟、房間、所有設備類型進行時間段用電分析，并且可以設定對應的策略實現(xiàn)智能調(diào)控，達到學校節(jié)能管理目的。

4.4 ?學校管理全面進入數(shù)字化時代

物聯(lián)網(wǎng)將全校所有終端數(shù)據(jù)收集并上傳，可以沉淀到校園大數(shù)據(jù)管理平臺中，和學校相應的智慧校園應用平臺聯(lián)動。從而為學校后期的管理決策，校園應用提供更多的數(shù)據(jù)支撐。

5 ?結(jié) ?論

以物聯(lián)網(wǎng)技術為基礎的數(shù)字孿生平臺，以智能泛在環(huán)境為支撐，以融合創(chuàng)新為核心，整合校內(nèi)信息資源，形成開放協(xié)同的現(xiàn)代化智能校園生態(tài)環(huán)境。實現(xiàn)對校園的全面感知（智能化）、態(tài)勢監(jiān)測（可視化）、事件預警（可控化），生成校園運行態(tài)勢的“一張圖”，提升校園的綜合治理服務能力。本文探討了物聯(lián)網(wǎng)在輔助管理、構(gòu)建智能化教學環(huán)境、拓展決策等方面的可行性，希望可以為智慧校園物聯(lián)網(wǎng)應用的研究者與實踐者們提供可供借鑒的參考。

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作者簡介：倪雄師（1970.04—），男，漢族，福建福州人，高級實驗師，本科，研究方向：教育技術、網(wǎng)絡與物聯(lián)網(wǎng);林永（1990.12—），女，漢族，福建福州人，實驗師，碩士研究生，研究方向：教育技術、數(shù)字資源。