摘要：在高速發(fā)展的現(xiàn)代社會，傳統(tǒng)的教學方式和設(shè)備已經(jīng)無法滿足社會的發(fā)展，也阻礙了學生求學的效率。因此現(xiàn)在最重要的事情是提供優(yōu)質(zhì)教育形式，促進教學成果，激發(fā)學生的學習動力。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以通過數(shù)據(jù)收集、人工智能算法和網(wǎng)絡(luò)等為智慧校園提供支撐，利用電腦、投影儀、平板電腦、智慧黑板、可穿戴設(shè)備和智慧化傳感器等使幾乎所有東西都變得“智慧”，從而形成一套完整的數(shù)字化系統(tǒng)解決方案。利用此方案可以提高學生的學習能力，改變老師的教學模式，顛覆以往以教師為中心的授課模式，進入真正的學生時代，使學生進入適應(yīng)性學習、主動學習、協(xié)作學習新模式，師生之間更加高效地完成知識傳遞。該文重點研究了基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園結(jié)構(gòu)及應(yīng)用，闡述了如何利用物聯(lián)網(wǎng)達到不同的學習形式、課堂感受以及生活體驗。

關(guān)鍵詞：智慧校園"物聯(lián)網(wǎng)"智能設(shè)備"系統(tǒng)性"信息交流

中圖分類號：TP391.44;TN929.5"""文獻標識碼：A

Design"and"Research"of"the"Smart"Campus"Based"on"Internet"of"Things

SUN"Youwei""ZHAO"Lingling""NIE"Jing

（Teaching"and"Research"Support"Center，"Naval"University"of"Engineering，"Wuhan，"Hubei"Province，"430000"China）

Abstract"：In"the"rapidly"developing"modern"society，"traditional"teaching"methods"and"equipment"can"no"longer"meet"the"development"of"society"and"also"hinder"the"efficiency"of"students"in"their"quest"for"learning，"so"the"most"important"thing"now"is"to"provide"quality"forms"of"education"to"promote"teaching"outcomes"and"simulate"students’"learning"motivation."IoT"technology"can"support"the"smart"campus"through"data"collection，"artificial"intelligence"algorithms"and"networks，"and"use"computers，"projectors，"tablets，"smart"boards，"wearable"devices"and"smart"sensors"to"make"almost"everything"“smart”，"thus"forming"a"complete"set"of"solutions"for"the"digital"system."The"use"of"this"solution"can"improve"students’"learning"ability，"change"the"teaching"mode"of"teachers，"overturn"the"previous"teacher-centred"teaching"mode，"enter"the"real"era"of"students，"enable"students"to"enter"a"new"mode"of"adaptive"learning，"active"learning"and"collaborative"learning，"and"complete"knowledge"transfer"between"teachers"and"students"more"efficiently."This"paper"focuses"on"the"structure"and"application"of"the"smart"campus"based"on"Internet"of"Things，"and"expounds"how"to"use"the"Internet"of"Things"to"achieve"different"forms"of"learning，"classroom"feelings"and"life"experiences.

Key"Words："Smart"campus;"Internet"of"Things;"Intelligent"device;"Systematicness;"Information"exchange

該文介紹了以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的智慧校園設(shè)計方案，說明了物聯(lián)網(wǎng)在智慧校園中的結(jié)構(gòu)和實際應(yīng)用，研究了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對校園的優(yōu)勢和意義。智慧校園的概念是基于互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展被提出的，它是結(jié)合了許多不同類型硬件和軟件模塊的智慧環(huán)境?；谖锫?lián)網(wǎng)的智慧校園促進了現(xiàn)代教學形勢的發(fā)展，也創(chuàng)造了以學生為中心的新型學習方式，提高了教學質(zhì)量和效率的同時也實現(xiàn)了資產(chǎn)和環(huán)境等多方面動態(tài)管理，形成了一個完整的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[1]?；谖锫?lián)網(wǎng)的智慧校園以學生為中心，主動學習，用一整套體系完成教學方式的變革。例如將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與行為分析相結(jié)合，主動傾聽和監(jiān)測聲音、對話、動作、行為等，可以分析老師的講課形式和學生聽課效率生成智能化模型，并進行優(yōu)化調(diào)整。這將有助于教師在課堂增進上課效率，產(chǎn)生更好的效果，使得上課更加更有趣。其他物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和校園的結(jié)合讓師生們生活更加方便、快捷、安全，同時也響應(yīng)了國家創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的新發(fā)展理念，是新時期學校發(fā)展的必然方向[2]。

• 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園介紹
  • ""物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡介

物聯(lián)網(wǎng)是一種先進的自動化和系統(tǒng)分析技術(shù)，它利用紅外感應(yīng)器、定位芯片、智能網(wǎng)關(guān)、藍牙、溫濕度傳感器、NFC、激光掃描器、射頻識別（RFID）等各種信息感知設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)設(shè)備和物品智能化的識別、分類和管理[3]。同時利用網(wǎng)絡(luò)、傳感、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)為其他系統(tǒng)提供底層支撐服務(wù)，它是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后的信息產(chǎn)業(yè)的第三次變革，也是現(xiàn)在工業(yè)4.0、智能家居、智慧校園等的技術(shù)方向[4]。在智慧校園建設(shè)中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以打破原有設(shè)備之間的壁壘，實現(xiàn)整個校園資產(chǎn)和信息的共享和傳遞，使得原來孤島的設(shè)備融入同一個資源池進行統(tǒng)一調(diào)配和管理，極大地提升教學效率和師生的生活體驗。

• 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園建設(shè)架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園是個跨平臺共享信息系統(tǒng)。它包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層、數(shù)據(jù)傳輸層和應(yīng)用層[5]。感知層主要利用課堂內(nèi)攝像頭、傳感器、紅外設(shè)備、智能終端等各種設(shè)備實現(xiàn)信息采集。網(wǎng)絡(luò)層利用通過Wi-Fi、ZigBee、藍牙、GPRS等無線自組網(wǎng)技術(shù)、有線、紅外遙控、射頻識別等方式，將采集到的信息傳送到網(wǎng)絡(luò)。平臺層和數(shù)據(jù)傳輸層實現(xiàn)對數(shù)據(jù)處理和傳輸。應(yīng)用層實現(xiàn)功能下發(fā)，終端設(shè)備接收信息，并實現(xiàn)遠程操控空氣凈化器、燈光、多媒體設(shè)備、風扇、空調(diào)、攝像頭等設(shè)備。利用軟硬件結(jié)合的物聯(lián)網(wǎng)模式，使校園更加智慧化、高效化，提高老師授課效果，增進學生學習熱情。圖1和2是智慧校園主要構(gòu)成。

• 物聯(lián)網(wǎng)在智慧校園中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧校園中主要是為了滿足師生更為方便快捷的教學和生活，利用物聯(lián)網(wǎng)強大的連通性和智能化技術(shù)給校園提供了互動性和創(chuàng)造性的環(huán)境。同時還具有節(jié)省時間成本、自動化維護、環(huán)保、智能化等優(yōu)點。以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為智能感知和交互連接也為智慧校園其他建設(shè)提供了強大的交流接口作用，是整個智慧校園建設(shè)中重要的組成部分[6]。以下是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧校園中的應(yīng)用。

• 智慧教學

智慧教學包括使用智能黑板、平板、智能手機、投影儀、音響、全息投影、VR設(shè)備等智能設(shè)備，智能設(shè)備是智慧校園重要組成部分，它可以幫助教師完成不同的教學風格，實現(xiàn)多種展現(xiàn)形式，學生也可以更加快捷接收信息。區(qū)別于傳統(tǒng)的教學，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備輔助教學可以使學生主動融入其中，進行自我學習和主動學習，使得身心更加投入。例如智慧黑板可以實現(xiàn)觸控和電腦控制操作，還可以和學生平板、手機等多設(shè)備聯(lián)動，可以隨時展示每位同學分享的知識要點和筆記，更為迅捷讓師生進行信息交換，同時也減少了傳統(tǒng)黑板粉塵對于教師學生身體的傷害?，F(xiàn)在迅速發(fā)展的全息投影技術(shù)也可以進行遠程交流，讓遠在千里之外的人也可以將實時全息影像投影到課堂，讓雙方進行幾乎面對面的對話，極大地增強分享討論或者會議的效果。利用這些智慧設(shè)備擴大了教學內(nèi)容的范圍，使得學習有了很強的實踐性也讓學生有了更為深刻的認知記憶。

• 可穿戴智慧設(shè)備

例如為了監(jiān)測學生學習狀態(tài)可以佩戴智能手環(huán)，手環(huán)實時監(jiān)測學生心率及血氧飽和度等信息，教師可以通過控制終端隨時了解每一個學生的身體情況，然后按照具體情況適度調(diào)節(jié)上課節(jié)奏以及氛圍。學生還可以佩戴VR頭盔、智慧手套、智能座艙等設(shè)備進入虛擬世界，感受仿真場景進行模擬實際操作。例如模擬駕駛輪船、戰(zhàn)機，進入雪山、沙漠等普通課堂難以達到的區(qū)域，完成無與倫比的課堂體驗，諸如此類的智能設(shè)備將極大促進教學效果。在上體育課時學生可以穿戴智能手環(huán)和姿態(tài)采集傳感器，教師可以從后臺分析每個學生的訓練數(shù)據(jù)，針對性地設(shè)定教學計劃，實現(xiàn)科學的訓練。

• 智慧照明系統(tǒng)

學校課堂及公共區(qū)域經(jīng)常存在無人或極少數(shù)人，但燈常亮或過亮現(xiàn)象，容易造成電力的巨大浪費?？刹捎迷谡n堂分區(qū)域安裝光電傳感器和生物紅外感應(yīng)傳感器，實現(xiàn)對課堂內(nèi)光照強度及人員流動的監(jiān)控和提示。將收集到的數(shù)據(jù)匯總到控制模塊進行合理的自動燈光分配，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的同時也降低了消防隱患。

• 智慧考勤系統(tǒng)

利用人臉識別或虹膜識別等生物信息技術(shù)和GPS定位可實現(xiàn)智慧考勤管理。智慧考勤系統(tǒng)主要包括用戶登錄、人臉信息等生物信息、地理位置確定、考勤設(shè)置、數(shù)據(jù)導出等部分，通過和數(shù)據(jù)庫中存儲的生物信息對比和GPS位置定位完成考勤，使整個考勤過程快速而高效。人臉等生物信息在學生進入課堂時自動完成識別核對并完成考勤，請假和特殊情況也可以從手機終端推送給教師或班主任。通過這些手段減少了傳統(tǒng)課堂在這些時間上的浪費，增加了有效學習時間的同時也為教師和學生減輕了負擔。

• 智能環(huán)境控制系統(tǒng)

利用人體溫濕度傳感器、光照傳感器、雨滴傳感器、高感度麥克風聲音傳感器、二氧化碳氣體傳感器等收集環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳送至中央處理平臺，中央處理平臺同時連接空調(diào)、風扇、窗簾、新風系統(tǒng)等設(shè)備，分析數(shù)據(jù)后處理平臺根據(jù)需求調(diào)節(jié)環(huán)境狀態(tài)[7]。還可以在課堂四周放置空氣質(zhì)量檢測傳感器，同時設(shè)定好空氣凈化器在有人且空氣質(zhì)量不達標時自動開啟，隨時保證課堂有新鮮的空氣質(zhì)量。系統(tǒng)管理員可通過有線或無線方式進行本地或遠程操控，更加靈活高效地對課堂環(huán)境進行精細化控制，營造良好舒適的上課環(huán)境。

• 智慧安防

智慧門禁主要利用RFID射頻識別和無線通信技術(shù)實現(xiàn)，其過程實際過程可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三層。感知層通過檢測技術(shù)、傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)等高效率獲取信息[8]；網(wǎng)絡(luò)層負責將感知層獲取的數(shù)據(jù)信息進行處理并安全傳送到應(yīng)用層；應(yīng)用層進行最后的判斷，完成門禁系統(tǒng)開關(guān)。智慧安防還包括智慧視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過安裝智能攝像頭，錄入相關(guān)人員臉部信息可以實現(xiàn)智能監(jiān)控，記錄來往人員以及實現(xiàn)陌生人報警等功能。同時智能攝像頭和麥克風也可以實現(xiàn)拍攝教學錄像和學生、教師行為分析，在后期和智慧校園人工智慧平臺相結(jié)合，經(jīng)過對這些學生上課數(shù)據(jù)處理生成每位學生獨特的畫像。針對學生畫像可制定相應(yīng)學習策略，有針對性地提供給老師和家長，實現(xiàn)千人千面不同的學習方式，讓每一個學生都能找到適合自己的學習方法和專業(yè)方向。

• 智慧資產(chǎn)

智慧校園可實現(xiàn)校內(nèi)資產(chǎn)安全管控，安裝RFID標簽（標簽內(nèi)含有設(shè)備詳細信息）的設(shè)備一旦被拿設(shè)定區(qū)域，控制中心會及時受到報警。還可以進行按設(shè)備、教室、樓宇等進行能耗統(tǒng)計和分析實現(xiàn)智慧運維和預(yù)約管控網(wǎng)絡(luò)化，以及實現(xiàn)遠程巡檢，對課堂內(nèi)設(shè)備自動或人工檢測，故障可由系統(tǒng)及時申報，通過比較歷史數(shù)據(jù)完成設(shè)備的維護，形成維修處理系統(tǒng)。

• 智慧桌椅

智慧桌椅可以自由拼合，完成單、雙人、多人的各種組合形式，滿足單人學習、小組討論、會議討論等不同課堂形式需要。也可以嵌入平板、投影等多種設(shè)備實現(xiàn)擴展學習，同時可以嵌入資產(chǎn)管理芯片實現(xiàn)智慧資產(chǎn)管理。

• 智慧停車場

在家用轎車越來越普及的今天，公共車位停車問題愈發(fā)突出。在停車場車位和車道上利用傳感技術(shù)上傳實時信息，學生和工作人員可方便快捷從手機App提前找到最近的可用車位。對于占用車位過久的車主，后臺系統(tǒng)可自動按設(shè)定發(fā)送挪車提示信息，結(jié)合超時罰款等手段，可以更加合理地調(diào)配車位使用。并可以將可充電車位在手機App中清晰標注，新能源車可及時根據(jù)導航前往充電。為緩解新能源車充電車位過少和排隊等候問題，可以設(shè)置車牌自動識別系統(tǒng)禁止非新能源車駛?cè)搿＿€可以將充電樁充電上線設(shè)置為80%，增加翻臺率，節(jié)省充電時間的同時提高充電效率。

• 智慧操場

利用傳感器、定位、監(jiān)控、無線網(wǎng)技術(shù)可以實現(xiàn)操場座位、衛(wèi)生間、垃圾桶、自動售賣機等的準確定位和余量查詢，師生可以根據(jù)手機App的三維建模導航完成需求位置尋找，提高使用體驗。

• 智慧食堂

使用打菜系統(tǒng)師生可以觸屏完成操作，然后由食堂師傅將菜品放置傳送帶完成無接觸式打菜，這在疫情期間尤為重要，可以有效保護師生健康。在最后結(jié)算時根據(jù)餐盤傳感器和射頻識別可以自動稱重并識別菜品價格，最后刷卡或者刷臉完成支付。我們的就餐記錄也會上傳個人信息系統(tǒng)，可以隨時查看記錄并配合人工智能給出最佳飲食搭配和建議。

• 智慧圖書館

使用RFID技術(shù)和大數(shù)據(jù)平臺可以實現(xiàn)所有圖書的智能化管理，在移動端師生可以在線查詢剩余圖書數(shù)目以及具體位置。在書架周圍放置溫濕度傳感器和空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)動管理，系統(tǒng)自動分析并啟動空調(diào)可達到最佳書籍保存環(huán)境。圖書館自習室座位傳感器和監(jiān)控可以隨時上傳空余位置信息并傳遞給線上智能分析系統(tǒng)，方便師生在線查閱位置并前往學習。

• 智慧場所預(yù)約系統(tǒng)

利用分布于教室、實驗室、操場、禮堂等的傳感器攝像頭等設(shè)備，并結(jié)合大數(shù)據(jù)和線上處理平臺。師生可以在線上終端查看對應(yīng)場所的空余和預(yù)訂情況，再按照自身需求提交預(yù)約流程，由對應(yīng)資產(chǎn)管理員線上審核后下發(fā)通知。使用這種學校公共場所的線上預(yù)約和管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)無紙化辦公和高效的工作流程。

• 智慧遠程控制系統(tǒng)

通過無線或有線網(wǎng)絡(luò)和管控平臺可對課堂內(nèi)所有設(shè)備進行遠程控制，更加高效快速完成設(shè)備的使用。在方便了值班人員進行設(shè)備狀況查看的同時，也改進了工作模式并增強了工作效率。利用這一管控平臺還可以實時監(jiān)控課堂內(nèi)所有智慧設(shè)備的運行情況，如果有異常使用可以及時推送給系統(tǒng)值班員，同時進行相應(yīng)處理。同時教務(wù)人員可以通過應(yīng)用層管控軟件進行實時教學課堂信息、教師和學生狀態(tài)等內(nèi)容查看。這也極大方便了教學督查工作，也減輕了相關(guān)人員工作量。

• 結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園將是教育環(huán)境的一大變革，利用智能化的硬件和軟件帶來高效的學習生活感受。在這個新型學習環(huán)境里學生能夠更加快捷舒適地完成學習要求和信息交流分享。教師和管理層可以將更多的時間花在教學上，而不是花在管理和監(jiān)控課堂的工作流程上。智慧校園提高學習效率的同時也激發(fā)了學生的學習熱情和創(chuàng)造性，不再被動式聽從書本知識而是結(jié)合書本進行獨立思考，讓學習真正成為主動愿意去做的事，并享受其中。另外師生生活的其他方面也可以利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到極大方便。因此，基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園教育模式提供了智能、經(jīng)濟、環(huán)保、舒適可持續(xù)的新型學習生活環(huán)境，將是以后學校發(fā)展的方向及智慧校園的重要組成部分。

參考文獻

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