王世勤

（長江職業(yè)學院 湖北 武漢 430074）

0 引言

近年來，智慧校園已經(jīng)成為教育信息化的一個重要發(fā)展方向，大量學校正在嘗試引入并應用新模式。 然而，現(xiàn)有的智慧校園系統(tǒng)往往僅滿足基礎(chǔ)的信息化需求，還未能充分發(fā)揮人工智能等先進技術(shù)帶來的巨大潛力。 基于此背景下研究和開發(fā)一種基于人工智能的智慧校園系統(tǒng)，可以提高教學和管理的效率，優(yōu)化教育資源配置，為提升教育質(zhì)量提供有效的支持。 本文將研究并設(shè)計以人工智能驅(qū)動的智慧校園系統(tǒng)，以期為當前教育領(lǐng)域的信息化發(fā)展提供有益的參考和啟示。

1 基于人工智能智慧校園系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計

如圖1 所示，本系統(tǒng)采用分層架構(gòu)設(shè)計，系統(tǒng)總體框架由五個主要組成部分構(gòu)成：用戶接口、業(yè)務處理層、數(shù)據(jù)訪問層、人工智能處理層和系統(tǒng)安全層。 具體功能設(shè)計如下：（1）用戶接口。 該接口是所有用戶與系統(tǒng)交互的平臺。 無論是學生、教師還是管理人員，都可以通過平臺訪問并使用系統(tǒng)功能。 為了提供個性化的用戶體驗，為不同用戶設(shè)計了不同的界面。 （2）業(yè)務處理層。 該層用于處理所有來自用戶接口的請求，并提供響應。 所有的教學活動、設(shè)備管理、安全控制等業(yè)務邏輯都在這層實現(xiàn)。（3）數(shù)據(jù)訪問層。 這一層為系統(tǒng)提供了訪問和操作數(shù)據(jù)庫的機制，包括數(shù)據(jù)的查詢、插入、修改和刪除。 （4）人工智能處理層。 處理層是系統(tǒng)的核心組成部分，用于實現(xiàn)各種智能功能，如預測分析、自然語言處理、圖像識別等。 這一層的主要任務是學習、理解、預測和優(yōu)化校園環(huán)境和教學過程。 （5）系統(tǒng)安全層。 該層負責保護系統(tǒng)免受攻擊，包括防止非法訪問、保護數(shù)據(jù)安全等。 這是系統(tǒng)的防御層，確保了系統(tǒng)和用戶數(shù)據(jù)的安全。

圖1 系統(tǒng)總體框架

1.2 系統(tǒng)的硬件架構(gòu)設(shè)計

基于人工智能的智慧校園系統(tǒng)設(shè)計，硬件架構(gòu)的設(shè)計是至關(guān)重要的。 硬件架構(gòu)設(shè)計需考慮系統(tǒng)的各項功能需要使用到的硬件資源，包括數(shù)據(jù)存儲、計算能力、網(wǎng)絡(luò)連接等，以及各種傳感器和接口設(shè)備。 本系統(tǒng)的硬件架構(gòu)分為五個主要部分：服務器群、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、智能終端、安全設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施。 （1）服務器群。 選用IBM 的服務器（IBM power system S924），配備POWER9 處理器，內(nèi)存為128 GB，為系統(tǒng)提供強大的運算能力。 數(shù)據(jù)存儲使用Dell EMC PowerVault ME4 系列磁盤陣列。 （2）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。 使用Cisco Catalyst 9000 系列交換機和路由器，確保穩(wěn)定可靠的網(wǎng)絡(luò)連接。 無線接入點將選用Aruba Instant On AP15。 （3）智能終端。 人臉識別設(shè)備選用hivision 的DS－2CD754F?EI 型號。 紅外人體感應器選用Omron（歐姆龍）的D6T－44L 型號，可以準確無誤地檢測到人的存在。（4）安全設(shè)備。 采用Fortinet FortiGate 60F 防火墻設(shè)備，配備高性能的SD?WAN 功能，同時內(nèi)置最新的FortiGuard 防病毒軟件。 （5）基礎(chǔ)設(shè)施。 機房空調(diào)將選用美的精密空調(diào)（precision air conditioner），保證機房的溫濕度穩(wěn)定。 為了防止電力中斷，將選用APC Smart?UPS SRT 5000VA，提供穩(wěn)定可靠的電力保障［1］。

1.3 系統(tǒng)的軟件架構(gòu)設(shè)計

軟件架構(gòu)設(shè)計是實現(xiàn)系統(tǒng)功能、滿足性能需求、保障系統(tǒng)安全和可擴展性的關(guān)鍵。 本系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計著眼于未來的擴展和維護，選擇的每個組件都考慮到了長期的可用性和穩(wěn)定性。 通過選擇開源和廣泛支持的技術(shù)，確保了在長期運營中能夠獲得足夠的支持和幫助。 該設(shè)計強調(diào)了模塊化和可擴展性，每個部分都可以獨立替換或升級，提供了一個靈活而強大的基礎(chǔ)設(shè)施。 具體技術(shù)選擇如表1 所示。

表1 軟件架構(gòu)技術(shù)選擇

1.4 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計致力于提供一個穩(wěn)定、高效、安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，既考慮了性能和可用性的需求，也充分研究了安全性和可維護性的問題，盡量使用了先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和方法，以提供最好的網(wǎng)絡(luò)服務。 具體設(shè)計如下：一是接入層的構(gòu)建。 接入層主要負責各類終端設(shè)備的接入和初級數(shù)據(jù)處理，包括校園的各類學習工作設(shè)備，如個人電腦、手機、平板，以及各類智能硬件設(shè)備，如人臉識別終端、閘機門禁和紅外人體感應終端等。 為了實現(xiàn)各類設(shè)備的穩(wěn)定、高速、低功耗的數(shù)據(jù)傳輸，本系統(tǒng)采用多種接入技術(shù)，包括有線的以太網(wǎng)接入，無線的Wi?Fi 接入，以及面向物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的LoRa 廣域網(wǎng)（long range wide area network，LoRaWAN）無線接入。 二是匯聚層的設(shè)立。 匯聚層主要負責從接入層收集來的數(shù)據(jù)進行初步的匯聚和分流，部署一系列的網(wǎng)絡(luò)交換機和路由器，將數(shù)據(jù)根據(jù)其目的地和優(yōu)先級進行路由選擇和傳輸調(diào)度。 為了提高網(wǎng)絡(luò)的可管理性和安全性，還會使用虛擬局域網(wǎng)（virtual local area network，VLAN）技術(shù)對流量進行劃分和管理，確保不同的業(yè)務流量能夠在邏輯上進行隔離。 三是核心層的構(gòu)造。核心層是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的中心，承擔著處理大部分網(wǎng)絡(luò)流量的任務。 在這一層，將部署高性能的路由器和交換機，以確保網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的高速流轉(zhuǎn)。 為了實現(xiàn)高效的路由決策，將使用開放最短路徑優(yōu)先（open shortest path first，OSPF）或者邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議（border gateway protocol，BGP）等先進的路由協(xié)議。 四是防火墻和安全層的設(shè)計。 在接入層和核心層之間，本系統(tǒng)將設(shè)置防火墻和入侵檢測系統(tǒng)，利用深度包檢測和AI 驅(qū)動的威脅智能進行實時監(jiān)控，對任何可能的威脅進行預防和防護。 五是云服務和數(shù)據(jù)中心的配置。本系統(tǒng)將部分數(shù)據(jù)和服務部署在云端，選擇像亞馬遜、谷歌或阿里云等公認的云服務提供商，以利用他們提供的強大計算資源和服務。 同時也會建立自有的數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)和服務的本地化管理。 六是軟件定義網(wǎng)絡(luò)的應用。系統(tǒng)采用軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的軟件化和編程化，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的靈活管理和自動化運維［2］。 不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)流量的精確控制，還能夠按需分配網(wǎng)絡(luò)資源，提高網(wǎng)絡(luò)的使用效率。 七是網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的部署。 為了實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡(luò)的有效管理，本系統(tǒng)將部署一套完整的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。 這套系統(tǒng)能夠提供網(wǎng)絡(luò)的實時監(jiān)控，包括流量監(jiān)控、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控等，還能夠?qū)崿F(xiàn)故障的快速定位和修復，以及網(wǎng)絡(luò)性能的統(tǒng)計和管理。

1.5 人工智能在系統(tǒng)功能實現(xiàn)技術(shù)方案

1.5.1 人臉識別終端

人臉識別終端設(shè)計是以AI 為核心，其中人工智能AI模塊被深度集成到門禁設(shè)備中。 通過設(shè)備內(nèi)置的操作系統(tǒng)應用程序，AI 模塊實現(xiàn)了從人臉到工號或?qū)W號的映射。門禁系統(tǒng)將映射信息上傳到智慧校園平臺，使得平臺上的后臺模塊能夠根據(jù)工號或?qū)W號獲取到對應的業(yè)務數(shù)據(jù)［3］。例如，宿舍管理模塊能夠根據(jù)學號查詢到相關(guān)的信息，如學員所屬學院編號（collegeNo）、班級編號（classNo）、宿舍地址（dormitory address）等。 同時，食堂餐飲管理模塊也可以根據(jù)學號查詢到相應的賬戶余額等信息。 人臉識別設(shè)備還能夠通過智慧校園平臺，聯(lián)動控制閘機門禁。 其中涉及的數(shù)據(jù)包括是否聯(lián)動閘機開門（openGate）的標識以及閘機門禁設(shè)備（gateDevSN）的標識。 當智慧校園平臺的校園出入管控模塊收到數(shù)據(jù)后，將會觸發(fā)門禁控制指令，自動打開閘機門禁。

1.5.2 閘機門禁

閘機門禁在智慧校園系統(tǒng)中起到了關(guān)鍵的控制作用，它接受并處理打開和關(guān)閉的控制指令，然后將處理結(jié)果反饋給智慧校園平臺。 詳細的處理過程如下：一是，當閘機門禁設(shè)備收到智慧校園平臺發(fā)送的開啟或關(guān)閉指令時，它會執(zhí)行相應的動作。 如果動作執(zhí)行成功，如門禁成功開啟或關(guān)閉，那么它會把當前的開關(guān)狀態(tài)（開啟或關(guān)閉）反饋給智慧校園平臺。 平臺可以獲取到門禁設(shè)備的實時狀態(tài)，方便進行進一步的管理和調(diào)度。二是，如果閘機門禁設(shè)備在收到開啟或關(guān)閉指令后，由于網(wǎng)絡(luò)故障或者設(shè)備問題等原因無法執(zhí)行動作，那么它會向智慧校園平臺發(fā)送告警代碼。 告警代碼中包含了設(shè)備無法執(zhí)行指令的具體原因，如是網(wǎng)絡(luò)故障還是設(shè)備故障，以及具體的故障代碼等信息［4］。 平臺在收到告警代碼后，能根據(jù)代碼中的信息快速定位和處理問題。 通過以上兩種方式，閘機門禁設(shè)備與智慧校園平臺之間形成了一個完整的信息反饋機制，確保了校園的安全和設(shè)備的正常運行。 具體參數(shù)見表2 所示。

表2 參數(shù)返回值

1.5.3 紅外人體感應終端

為了更精確地實現(xiàn)對校園內(nèi)人員數(shù)量和位置的監(jiān)控，本系統(tǒng)設(shè)計了紅外人體感應終端。 該設(shè)備是基于紅外感應技術(shù)的自動探測設(shè)備，可以感知到人體的熱量并由此判斷是否有人進入或離開某個區(qū)域。 在智慧校園系統(tǒng)中，將紅外人體感應終端安裝在教室、自習室、宿舍等關(guān)鍵區(qū)域的入口處。 當有人進入?yún)^(qū)域時，紅外人體感應終端將會向智慧校園平臺發(fā)送一條人員進入的信號。 同樣，當有人離開區(qū)域時，設(shè)備也會發(fā)送一條人員離開的信號。 通過收集和分析信號，智慧校園系統(tǒng)可以實時獲取各個區(qū)域內(nèi)的人員數(shù)量，并據(jù)此判斷各個區(qū)域的使用情況［5］。 例如，如果一個自習室內(nèi)的人員數(shù)量突然大增，系統(tǒng)可以推斷出自習室可能正在進行某項活動，或者自習室的使用率非常高，需要進行相應的資源調(diào)整。

2 系統(tǒng)測試

2.1 測試過程

在測試過程中，首先在U?Linux 環(huán)境下搭建了云計算環(huán)境，用于托管和運行智慧校園系統(tǒng)。 然后采用Java 語言對平臺進行了全面測試。 本次測試主要分為兩個部分，功能測試和性能測試。

在功能測試部分，按照預定測試計劃，對平臺所有功能模塊進行了全面測試。 包括人臉識別功能、人員管控功能、宿舍管理功能、食堂餐飲管理功能等。 并對每個模塊構(gòu)造了各種可能的使用場景，按照場景進行測試，以檢驗各功能模塊在實際運行中是否能夠按照設(shè)計的要求執(zhí)行，

在性能測試階段，本次模擬了實際運行環(huán)境中可能出現(xiàn)的高并發(fā)、大數(shù)據(jù)量等情況，以測試系統(tǒng)在此情況下的表現(xiàn)。

2.2 測試結(jié)果

如表3 所示，在系統(tǒng)功能測試上，智慧校園系統(tǒng)證明了其優(yōu)越的性能和完善的功能。 在復雜環(huán)境下，人臉識別功能展現(xiàn)出了良好的準確性和穩(wěn)定性，保證了系統(tǒng)的可靠性。 人員管控、宿舍管理以及校園出入防控功能能有效提升校園的安全性和管理效率。 食堂餐飲管理功能則進一步提升了校園服務的便利性。 在系統(tǒng)性能測試上，如表4所示，通過對比可以看出，慧校園系統(tǒng)在處理高并發(fā)、大數(shù)據(jù)量等壓力情況下，表現(xiàn)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的校園管理系統(tǒng)。這得益于在系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)階段，采用了最新的云計算技術(shù)和人工智能技術(shù)，優(yōu)化了系統(tǒng)的處理能力和響應速度，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

表3 功能測試結(jié)果

3 結(jié)語

綜上所述，本文構(gòu)建了一個高效、穩(wěn)定且安全的智慧校園系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)的各項關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)過精心選擇與實現(xiàn)，特別是人工智能的廣泛運用，大幅提升了系統(tǒng)的性能和效率。 在系統(tǒng)測試環(huán)節(jié)中，通過大量的功能和性能測試，證明了系統(tǒng)功能全面，性能優(yōu)異，并且在與傳統(tǒng)平臺的對比中表現(xiàn)出了顯著優(yōu)勢。 本次研究的智慧校園系統(tǒng)不僅滿足了現(xiàn)代教育環(huán)境的多元需求，也為智慧校園的未來發(fā)展提供有益參考。