基于物联网的校园智能管理系统

张文明，刘利波

(新疆轻工职业技术学院， 新疆 乌鲁木齐 830021)

0 引言

随着高等教育的不断发展和改革，学生教学和日常行为管理日趋多样化。物联网技术运用于校园管理起着重要的作用[1]。目前部分高等院校或职业技术学院已经广泛使用RFID技术，例如：门禁卡、就餐卡、图书卡、上机卡等。物联网技术在学生管理工作中的应用，为实现“智慧校园”奠定了坚实基础[2-3]。

分布广泛的无线网络为物联网技术应用提供了可靠保障。学校可在食堂、操场、图书馆、教学楼、实训基地等区域安装RFID设备[4]。利用RFID卡和接收器来实时显示学生行踪和具体位置，可用于预防突发事件[5-6]。

1 系统整体架构

根据物联网常用的三层架构，整个系统包括：感知层，负责RFID信息的采集和判定，无线传感器网络内传感器安装和数据采集；网络层，将所采集数据可靠、高速地向上传输；应用层，负责数据分析和处理。采用模块化设计方法，上位机基于.NET开发；局域网构建，包括串口服务器、服务器、交换机等；无线传感器网络则是基于ZigBee-CC2530搭建。

系统整体结构如图1所示，第1部分为集成RFID的各种卡片，如门禁卡、就餐卡或一卡通等；第2部分为利用ZigBee技术进行校园内环境监测，包括：摄像头、读卡器、接收器等，利用.NET开发上位机并将数据上传至服务器；第3部分基于Android 开发的远程访问，利用TCP/IP 协议与手机端进行通讯，及时传输重要信息。

图1 系统整体架构

2 硬件和软件设计

2.1 硬件设计

硬件电路主要包括数据采集端和数据传输端构成，硬件结构如图2所示。

图2 硬件电路结构

硬件电路包括以下几个模块：RFID发射器和接收器、摄像头、读卡器等；MCU主控模块、CC2530无线通信模块；MC509 3G通信模块等。

数据传输主要采用ZigBee通信和MC509 3G通信。ZigBee通信基于CC2530模块搭建，该模块适用于IEEE802.15.4标准；ZigBee性能稳定而且功耗较低，主要负责单一区域数据采样问题而且不存在盲区。

MC509 3G通信则选用华为MC509-CDMA2000无线数据传输模块。该模块是专门针对物联网应用的CDMA2000-EVDO工业级专用模块，数据传输速率支持上行1.8Mbos、下行3.1Mbps；同时支持TCP/IP协议，故能够较方便地进行网络链接；另外，还支持全USB2.0接口、UART工业串口等。

STM32微控制器可利用UART串口驱动将MC509通信模块接入系统网络，实现物联网云服务平台数据的传送。

2.2 软件设计

采用C#语言编写上位机监测软件，C#是.NET开发环境的重要组成部分，是一种面向对象的编程语言。通过NET Framework类库，可以直接访问操作系统及其他类，可明显加快开发周期。

本文主要利用C#的数据库、图表控件Chart、Serial Port 类、窗口控件等，用于实现系统设置、历史数据查询、数据曲线图、网络拓扑图、数据实时显示等，软件架构如图3所示。采用3层结构，包括数据发送和接收、数据库查询和更新、实时数据显示、节点数据曲线、网络拓扑、网络参数设置、节点信息采集周期设置等。

图3 软件架构

3 测试

文中重点测试数据包发送成功率，即各节点发送数据包和接收数据包的比值，可用式(1)进行计算：

(1)

式中：P表示数据包发送成功率；Nr表示接收数据包正确个数；Ns表示发送数据包个数。测试结果如表1所示。

表1 测试结果

由表1数据可以看出，随距离增加所述系统通信质量呈下降趋势，在150 m范围内，通信成功率可达到90%，满足通信要求。

4 结语

物联网在生产、生活中的应用日趋广泛，将其用到校园中可以提高校园管理水平、提高管理效率，有利于教学活动向健康、有序的方向发展。以校园智能管理系统搭建为研究对象，利用ZigBee、3G通信、物联网等技术实现校园活动数据采集、处理、上传、监控等。测试结果表明：该套系统数据传输率比较理想。

[1] 严大虎, 陈明选. 物联网在智慧校园中的应用[J]. 现代教育技术, 2011(6): 123-125.

[2] 陈明. 基于物联网的智慧校园建设与发展研究[J]. 远程教育杂志, 2012(4): 61-65.

[3] 沈洁, 黄宇星. 智慧校园及其构建初探[J]. 福建教育学院学报, 2011(6): 122-125.

[4] 陈爱武. 基于LabVIEW 学生宿舍智能监控系统研究[J]. 现代电子技术, 2013(1): 114-116.

[5] 焦伟平. 基于WSN的宿舍监控系统设计[J]. 通信技术, 2012(5): 77-79.

[6] 黄荣怀, 张进宝, 胡永斌,等. 智慧校园: 数字校园发展的必然趋势[J]. 开放教育研究, 2012(4): 12-17.