研发“智慧校园—物联网教学示范系统”

近期，南开大学计算机控制与工程学

院物联网工程专业主任李涛团队研发了一套“智慧校园—物联网教学示范系统”，它通过利用云计算、虚拟化和物联网等新型技术，将学校的教学、科研、管理与校园资源、应用系统进行整合，从而实现了校园的智慧化管理与服务。

“智慧校园”主要由校园实景联动沙盘控制、虚拟校园游览体验、室内外环境监测、智慧农业监测、智能家居和智能教室虚拟联动、智能车辆管理以及智能安防等系统构成。通过无线Mesh、3G/4G、北斗卫星等技术，将传感器所采集的数据传输到云端计算系统，然后进行数据处理、智能分析和识别控制，为诸多应用提供服务接口，真正做到“掌上校园”。

系统的一大特色是，虚拟与现实数据融合、多系统协同，涉及智能传感节点网络、多跳数据传输、北斗数据传输、室内外环境监测、道路交通与车辆控制模拟、虚拟校园游览体验、虚实结合实景沙盘等诸多功能。戴上VR沉浸式头盔，使用者便可在3D环境中实时观察当前所处位置中的真实道路、建筑等信息，同时还可体验高空飞翔、俯瞰等。

系统的另一大特色是该示范系统的各部分与各个模块均与实践教学内容对应，如交通、温湿度监测、土壤水质、画面、数据集成、VR虚实数据融合、虚实同步、可视化呈现，分别涉及传感器、RFID、网络协议、数据处理、嵌入式系统等课程知识。

物联网属于新兴产业，高校在教学与建设方面皆处于起步阶段。教学过程中，学生对于物联网应用系统的体验性不足，往往由于缺乏直观感受而造成理论与技术困惑。因此，在实验课程体系建设与实践教学探索初期，教学组经过讨论提出建设“物联网教学示范系统”，用于学生建立感性体验、专业认知、专业思考、用于提升教学质量。

“智慧校园—物联网教学示范系统”尚处于一期建设收尾阶段，可以实现对接《感知技术与应用》、《物联网实验基础》和《物联网系统实训》等专业课程。后期将探索视频融合功能和移动端APP开发等，逐步完善示范系统功能，使得校园监测系统与虚拟场景形成联动，为校园实时监控、智能预警、人像处理与人员检测等提供支撑。而且，未来将融入人工智能元素。

案例详解

系统构成

物联网教学示范系统的建设立足南开大学与物联网工程专业实际情况，结合实践教学案例与实际教学需要，从总体上对系统进行规划和设计。系统涵盖多个部分，分别是“虚实结合的校园实景联动沙盘控制系统”、“虚拟校园游览体验系统”、“水质、空气环境监测系统”、“智慧农业监测系统”、“智能家居、智能教室虚拟联动教学与演示系统”。

虚实结合实景沙盘子系统

虚实结合实景沙盘由智能家居、智能交通、环境监测、智能安防等教学演示部分所组成，系统不但在现实中部署，同时也在沙盘上模拟一套与之对应的系统。实景沙盘区别以往普通的沙盘，具备动态性、联动性、扩展性。动态性体现为，沙盘不仅仅是现实的“缩减版”，其上所有模拟部件与实体一样具备感知性和反馈动作，比如沙盘上的车辆经过路口时，根据红绿信号灯进行停车、行进操作；联动性，举例来讲，当现实中外部车辆进入校园后，通过标定该车辆并将其与沙盘中的车辆建立映射关系后，沙盘上的车辆行进与现实中的该车辆行进同步，能够直观反映其情况；扩展性，通过数据融合形成外部接口，现实中所部署节点所采集的数据可直观反映到沙盘对应的部件，无需重新部署系统即可增设监测节点。以此为平台，学生可按接口标准进行二次开发，将新的实验方案融入其中。

校园游览体验子系统

校园游览体验系统通过无人机拍摄对校园外景和典型楼宇内部进行建模，通过VR 技术使学生可以进行沉浸式体验。

环境监测子系统

环境监测系统由室外、室内环境监测组成。室外、室外通过布置环境监测节点，对环境中温度、湿度、光照、二氧化碳等数据进行实时监测、收集、处理和数据分析。

智能农业子系统

智慧农业子系统，以南开大学津南新校区农业体验园为背景，在该农业体验园中部署设备，主要由水质监测设备、土壤温湿度与酸碱度监测设备、气象监测设备等组成。设备采集信息同时实时上传到各自终端管理软件中，数据通过多跳网络和北斗卫星传输，并提供数据接口与沙盘子系统、校园游览子系统相对接，实时展示于其中。学生可通过物联网接入与数据处理基础知识，尝试修改数据接口。

教学示范与跨学科融合

通过物联网教学示范系统建设与初步使用，对实验课程体系形成了有力支撑。系统所涵盖内容均与理论教学与实验教学对应，是教学演示和学生实践的理想平台。又因具备与教学中的各个模块及综合案例对应，因此形成了较好的示范效应。

改进计划

实践教学过程中，因初步建立实验课程体系，课程内容涉及较多知识，缺乏清晰主线。

通过问卷调查、谈话、讨论等形式，掌握一些典型情况，比如学生反映有一些实验教学内容，虽然能够完成，但最后仍不明白为什么，或者仍未建立起系统观；完成作业耗时较多，有一些非主线的实验内容，缺乏有机联系；实验环境配置较为复杂，编程不够便利；示范系统部分模块缺乏接口或恢复机制，学生出现错误只能重置等。

对此，课程建设团队与教学组进行了具有针对性的调整和改进，在课程内容上，与计算机系统基础实验、组成原理、操作系统、编译原理等教学组协同更新，将基础知识综合部分加强；对于非主线实验内容，准备进行删减，另外设立独立实验；计划重新配置完整版的实验环境，学生可直接使用；示范系统准备进行双系统备份，分为运行系统和试验系统，试验系统进行资源可配置设定，接口及源码面向学生开放，学生在分配到的资源设备上进行拓展实验，经过教师验证，择优融入运行系统。