基于物联网技术的智慧校园系统设计

叶 飞，王亚芳

（延安大学西安创新学院，陕西 西安 710100）

0 引言

随着互联网技术的快速发展，当前社会基于互联网技术的各种“互联网+”场景逐渐多样化，其中基于互联网的物联网技术也在各个领域进一步崛起。智慧校园作为智慧场所中的一种，其智能化场景的应用性和优势也愈加明显。该系统以物联网技术、自动化设备、信息化管理系统和移动互联网技术为基础，充分应用“云、物、移、智、链”等现代信息技术，打造全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活的校园管理新形态。智慧校园对于师生日常生活、校园学生信息管理、学生在校安全保障、餐厅食品安全监测等具有一定意义[1]。

当下，各高校都在聚焦智慧校园建设，加强校园智能化管理，提升校园师生舒适度、学生信息管理智能化水平[2]。以延安大学西安创新学院为例，在智慧校园建设过程中，采取更换并安装智能书写板、加强智能多媒体教室建设、优化校园物联网实验室传感器设备，以及在全校范围内更换智能监控设备等措施，进一步加强了学校智能化教学、学生安全化管理，预防安全事故发生，并取得了显著效果。智慧校园建设对校园未来发展规划、教学质量和师生满意度的提升等具有重要作用。

1 系统整体框架

随着高校校园局域网（校园网-WiFi）的全覆盖，进一步促进了校园物联网的发展。本文基于智能感知、嵌入式、大数据云计算等技术，以校园安全、智能监测、智慧课堂、智慧管理、智慧考勤等为目标，根据学校实际现状需要，设计了从底层感知、检测到物联网云平台可视化和指令下发等的校园一体化管理的智慧校园系统，以进一步促进高校现代化建设，提升师生舒适度、满意度与教学管理效率。

系统采用多传感器，主要有温湿度传感器、水质检测传感器、气体检测传感器、指纹传感器、热成像体温检测传感器、人脸识别模块等，进行校园相关数据的采集与监测。利用物联网中间件ESP8266-WiFi 模块以多节点方式，利用校园网全覆盖进行底层感知数据与物联网云平台之间数据的传输与通信，并进行校园传感器所采集数据的存储、分析，实现从感知到云端的智慧化管理与监控[3]。系统整体框架设计原理如图1所示。

图1 系统整体框架设计原理

2 系统硬件及底层传感器设计

2.1 温湿度传感器

485 型温湿度传感器是一种网络型传感器，能够通过校园-WiFi 全覆盖的局域网进行校园环境温湿度监测，然后将感知数据上云，并进行可视化呈现及数据分析。搭载校园环境温湿度传感器能够进一步改善校园环境，提升师生舒适度，具有使用便捷、维护成本低廉的特点，能够很好地实现对智慧校园全域环境温度与湿度的监控。温湿度传感器电路如图2所示。

图2 温湿度传感器电路

2.2 水质检测传感器

在智慧校园建设与安全防范中，水质量监测对于校园湖泊保护和师生饮水安全至关重要。水质量监测能够有效防止校园湖泊水体富营养化，防止夏季水体因温度过高而散发出异味，还能够实时监测校园师生饮水安全等突发性状况。将水质传感器纳入校园智慧化建设之中具有重要意义。水质检测传感器电路如图3所示。

图3 水质检测传感器电路

2.3 指纹传感器

在传统的学生考勤中，学生上课是否缺勤以老师点名为主，这样不仅浪费课堂时间，而且某些学生会利用考勤方式存在的漏洞进行逃课，不利于老师统计学生出勤信息。在智慧校园建设中，在教学实验室及教室等必要场所安装指纹传感设备，并纳入智慧校园管理系统，能够提升学生出勤率、老师上课效率、师生满意度以及校园舒适度[4]。指纹传感器统计的学生考勤信息可以与教务处的学生端管理系统进行数据互通，将学生的考勤数据直接作为期末成绩评核的指标。该方案可以减少老师的日常工作量，老师将会有更多精力备课、批改作业等，间接提升教学质量。另外，还可以运用新的技术手段，以调整和规范绩效考核体系为切入点，从而建立新型学生课堂管理体系。

2.4 热成像体温检测传感器

自新冠疫情以来，疫情防控在很长一段时间内将维持常态化。学校是人流量较大的场所，对于疾病的预防十分重要，尤其在诸多疫情防控中，体温监测一直都被作为筛查感染者的首要体征参数。热成像体温检测传感器是一种微机电系统（MEMS）芯片，波长在8～14 μm 之间，能够在日常生活中无接触式感知和监测人体体温状况。应用在校园防疫工作中，可减少人流量，实现校园防疫智慧化管理。热成像体温检测不仅可以用于疫情防控，而且可以用于季节更替时的流感防控。

3 系统中间件与安全防护

随着5G 物联网的普及，智慧校园系统建设的步伐也在进一步加快，物联网硬件通信成为首要解决的问题[5]。校园网全覆盖环境下，采用物联网中间件ESP8266 WiFi 模块进行底层多节点传感器感知数据与物联网云平台之间的通信。ESP8266 WiFi 模块作为局域网通信方式之一，在智慧校园建设之中能够起到关键作用，并且具有良好的实用性。

基于互联网的物联网安全防护也同等重要，主要通过底层硬件安全、数据传输安全及云数据存储安全三个部分来保障。在智慧校园建设中，底层多节点传感器处于校园内，受到校园监控保护，能够保证硬件安全。ESP8266 WiFi 模块在局域网环境下进行数据传输时，需要对校园局域网进行安全技术防护，防止数据传输被渗透而产生安全隐患等，避免校园财产损失。云数据安全对于高校相当重要，主要涉及各高校局域网防火墙以及所选物联网云平台，一般情况下在高校局域网防火墙与云平台足够安全时，校园数据也将足够安全[6]。

4 系统方案架构

智慧校园管理平台集物联网感知、物联网云平台、图像处理、信息安全等技术于一体。传感器多节点布置，在校园无线网络全覆盖的环境下，能够有效实时感知和监测校园环境、监测校园安全漏洞，提升校园师生舒适度与教学效率；聚集、融合校园各类信息，综合处理感知到的校园数据，以预判校园意外事件的发生[7]。

在智慧校园的建设中，校园餐厅智慧烟感、学生宿舍楼智慧门禁、校园智慧图像识别及师生智慧停车等相关设备被不断接入智慧校园设备层中，能够有效提升学校办学质量、校园知名度及校园智能化教学水平，并且减少校园安全巡查等方面的人力成本。智慧校园建设对推进智慧中国建设具有一定的作用[8-10]。智慧校园系统方案架构如图4所示。

图4 智慧校园系统方案架构

5 结语

智慧校园系统基于多传感器融合、信息安全、图像识别等技术，根据智慧校园实际建设，利用底层传感器对校园环境进行实时检测和监测，通过物联网中间件将感知的数据上传至校园物联网云平台，并进行数据汇总、分析及可视化呈现。微控制器根据预定的程序将相关指令下发至底层硬件，从而实现校园设备层面的智能化控制。就目前而言，很多高校还未建立完善的智慧校园体系，高校全面建立新的智慧校园体系将会给校园整体管理及学校向更高的教育水平发展注入强大动力。智慧校园系统能够在学校智慧教学、办学、管理及疫情防控等方面发挥重要作用，并能够进一步提升校园智慧化场景建设及师生舒适度等，对高校智慧化发展具有重要意义。