王世运 石焕玉

摘要：无线传感器网络监测系统包括管理节点、汇聚节点和传感器节点，大量的网络传感器节点根据智慧校园监测的需求部署在相关区域。在智慧校园内部署无线传感器节点要重点考虑节点的微型化、可靠性和较低的维护成本，同时也要兼顾灵活的可扩展性。本文基于无线传感器网络技术、3G/4G通信技术，分析建立覆盖智慧校园的无线传感器网络监测系统的应用需求，实现对智慧校园中教学管理、实验室管理、校园管理等环境数据、使用数据以及监控视频等数据的采集、传输和分析。

关键词：智慧校园；无线传感器网络；节点；应用需求

中图分类号：TP393.18 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）08-0049-02

2017年，教育部办公厅关于印发《2017年教育信息化工作要点》的通知中明确指出：引导各级各类学校开展数字校园、智慧校园建设与应用。智慧校园成了学校进行信息化建设的代名词，而无线传感器网络作为智慧校园的建设基础，承担起智慧校园内所有教学活动、师生活动、校园管理等工作的业务数据的采集与分析，为科学管理校园提供了数据依据。无线传感器网络监测系统设计作为智慧校园建设的重点内容，涉及节点选址、监测内容的需求、数据传输网络的需求、数据管理平台的需求等。

1 发展现状

1998年，美国在先进国防研究项目局（DARPA）的一个研究项目中第一次提出无线自组织传感器网络的概念。无线传感器网络是一种新兴的传感器网络，基于近几年无线通信技术、微处理器和3G/4G通信技术的高速发展，它也逐渐从国防军事领域走向民用，随着相关技术研究的深入，传感器网络技术逐步走向成熟，其应用范围也越来越广，涉及环境监测、智慧交通管理、森林火灾监测、智慧出行等，其中智慧校园就是它最近研究的热点之一。

无线传感器网络技术发展到现在可以分为追踪和监测两种类型。具有跟踪功能的无线传感器网络包括人的识别与跟踪、汽车识别与跟踪、动物跟踪等；具有监测功能的无线传感器网络包括环境监测（主要是温度、湿度的监测与预警等）、医疗卫生监测（血压、心率的监测与预警等）、抗灾（包括森林或水资源环境变化监测与预警、空气污染监测与预警等）、国防军事防御等。现有的无线传感器网络的研究基本是集合了追踪和监测两种功能，同时还集成了数据分析与预测、预警功能，能为科学管理提供数据与预警。

无线传感器网络的关键技术研究包括定位、同步、覆盖、数据融合、网络安全等，实现了无线传感器网络能够准确有效地获取相关信息与数据，同时也能加强对监测范围内各种因素的实时监控，并将所有获取到的数据传到的网络的处理节点，时时分析获取到的数据，并作出相关的动作或预警。但目前来说无线传感器网络还没有高效的技术算法和通信协议，在进行大规模部署与数据分析时有较大的困难。

近几年无线传感器网络研究的热点包括：

（1）无线传感器网络的能效问题。研究如何针对不同的应用需求去设计或应用相关运行算法，从而进一步提高网络性能、延长使用寿命、降低整个网络的能耗等。

（2）网络中所有节点或设备的大范围时间同步。

（3）无线传感器网络的数据压缩、传输、存储等。

（4）无线传感器网络自身原安全检测。包括相关的安全协议标准设计以及自身能抵御非法入侵与攻击等。

（5）无线传感器网络的兼容性和灵活的可扩展性。

（6）无线传感器的网络体系结构和节点部署设计。

2 智慧校园环境下的无线传感器监测系统的应用需求分析

从早期的校园信息化建设到数字校园建设，再发展到智慧校园建设，将校园的信息化提升到了智慧化层面，旨在让师生的校园学习与生活更加简单，管理更加智慧，服务更加个性化，最终从基础硬件环境、教学业务应用和校园管理三个维度来构造智慧校园服务管理体系。

智慧校園体现是一种全新的校园管理与服务模式，它应能实现学生管理、校园全程监控、校园消费管理、教学业务管理、行政管理等无缝整合，通过无线传感器网络将获取到的数据进行集中管理，能为师生的学习与工作提供服务，也能为学校管理决策提供数据依据。

总的来说，智慧校园环境下无线传感器监测系统的应用的需求主要有：

（1）一站式服务需求。需要实现师生校园学习与工作业务的整合贯通，通过信息门户，师生合法认证一次，就可以提供面向师生的一站式服务。一站式服务主要包括师生通过信息门户合法认证一次，就能享受校园所有信息化的服务，主要有教室/实验室的智能化管理与使用、移动网络教学、教学信息管理等。提供一站式服务不光是对使用者进行身份认证，也包括通过无线传感器网络收集大量教室/实验室相关信息，如教室光照度、温度、课程信息、教师/学生信息等，为师生使用教学资源提供更加精细化的服务。

（2）业务数据格式的统一标准化需求。在智慧校园建设过程中，各下职能部门的信息数据由各个不同主体来建设，均是独立建设与独立维护，导致业务数据格式不一致，所以进行智慧校园建设首要任务是制定统一的数据格式标准，进行长远的数据规划。

（3）数据共享需求。智慧校园的智慧体现在数据共享上。如果数据格式标准不一致，将导致校园各个业务数据无法共享，给智慧校园的协同工作带来数据处理上的困难，使得跨部门的业务办理效率低下、错误多。

3 智慧校园环境下的无线传感器监测硬件的需求分析

智慧校园监测终端硬件包括节点（传感器节点、汇聚节点、管理节点）、主机 、通信/网络和能源供应系统等构成。其中节点的数量根据监测需求数量从数百个到几千个，每个节点都连接到一个（有时是几个）传感器。每一个这种传感器网络节点一般都包括几个部件：一个无线电收发器，一根内置天线或外部天线连接、一个微控制器、一个传感器接口电路和电源，一般为电池或嵌入式能量采集机制。

（1）传感器。是一种检测装置，能采集或感受到被测物体的信息，并将信息以一定的數据格式和传输方式将信息传递出去。

（2）节点。包括数据采集、处理控制、无线通信、定位模块以及能量供应等。在校园环境范围内，节点可采用3G/4G的方式和数据主机通讯，在南方热带、亚热带地区，该节点的能量供应可以采用太阳能的方式，以方便部署、维护或替换。

（3）数据分析与处理主机。主要功能有智慧校园监控信息集中分析处理，包括视频分析与处理功能、数据存储、数据通信等，它可以和能源供应系统建设在同一个工作机房内。

（4）能源供应系统。传感器节点因其功耗相对较小，常见的能源供应系统有主要太阳能、风能供电系统。而为保障管理节点、主机和重点通信系统的工作效率，需要7*24小时不间断提供电力保障和环境保障，故这类系统或设备一般建立相关的机房或机库，并且采用专线供电。

4 智慧校园环境下的无线传感器的传输网络需求分析

现有成熟的无线传感器网络通讯方式大多是采用2.4GHZ或433M/Zig Bee方式，而不同的使用环境应有不同的网络传输方式，常见的无线传感器网络涉及到的传输方式有PHY/MAC 层标准、3G/4G、蓝牙（Bluetooth）技术、超宽带（UWB）技术、红外（IrDA）技术、家用射频（HomeRF）技术。但因校园的应用环境一般较为稳定与安全，建议采用基于3G/4G网络的无线通信和有线网络的结合，涉及到的通讯协议主要有物联网协议、以太网协议，这样它涉及到的通讯网络相对较为成熟与稳定，组建的网络成本和维护成本相对就较低。

采用基于3G/4G网络的无线通信和有线网络的结合进行传输网络的建设，它主要通过若个无线传感器节点采集相应的数据，比如温度、温度、密度、气体浓度、光照条件等，然后将这些数据传输至管理节点，最后通过有线网络的方式将数据上传至终端服务器，便于相关工作人员进行数据的分析、统计、汇总或预警等。该网络对各个设备的基本要求有：相关节点或设备具有接入3G/4G移动通信网络的功能，部分设备自带能量供应模块，同时相关的物联网应用服务平台也能通过3G/4G网络进行双向的数据通信。

5 数据综合处理平台需求分析

智慧校园无线传感器网络监测系统的数据综合管理平台的需求主要有：

（1）收集各个节点采集来的环境数据，并进行分类、统计、汇总等；

（2）能够根据系统预设的预警值进行灾情的发现和定位，并及时将相关灾情警示给值班人员或以电话、短信的方式通知值班人员；

（3）根据系统预设的警戒值，对校园内可能要发生的拥堵或可能涉及危害校园安全的事情进行提前预警，并通知给相关值班人员；

（4）识别进出校园的人员和车辆的信息，自动识别利用校园相关资源的人员信息（比如识别进出教室或实验室的人员信息）；

（5）能分析温度、湿度、空气密度等环境数据之间的关系，能提前预警相关的灾情（火灾、有毒气体泄露等）等；

（6）可根据客户自身数据分析要求，利用相关的数据自定义相关的报表。

6 结语

本文的智慧校园无线传感器网络监测系统的系统需求研究是建立在对各种校园管理应用需求分析的基础上，通过利用现有成熟的通讯技术和网络技术来进行分析，力图实现低成本的智慧校园无线传感器网络的建设工作，达到保障师生在使用校园资源时的安全性，同时通过对校园人员信息、环境等数据的采集、传输、分析，也实现了对校园环境的实时监控与预警，从而能提高学校的管理水平，同时也高水平服务师生在校园内的生活与学习。

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