倪雄师 林永

摘  要：随着物联网技术的迅猛发展，以物联网技术为基础的数字孪生平台是对智慧校园的进一步扩展与提升，构建智能感知环境和新型教育教学空间，促进教学、教研、教育管理和生活服务的流程再造与智能管理，实现万物互联，提高学校教育教学管理决策水平，形成“可感知、可诊断、可分析、可自愈”的新型校园生态管控系统，突出“集中、智慧、定制、个性化”四大特色，打造高效、智能、幸福的智慧校园。

关键词：物联网技术;智慧校园;智能感知

中图分类号：TP311;TN92     文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）06-0164-04

Feasibility Study on the Construction of Internet of Things in Digital Environment

——Take Fuzhou Polytechnic as an Example

NI Xiongshi，LIN Yong

（Fuzhou Polytechnic，Fuzhou  350108，China）

Abstract：With the rapid development of the internet of things technology，the digital twins platform based on internet of things technology is the further expansion and promotion of smart campus. Constructing the intelligent perception environment and new education and teaching space，to promote the process reengineering and intelligent management of teaching，teaching and research，education management and life service，realize the interconnection of all things，improve the decision-making level of school education and teaching management，form a new campus ecological management and control system of “perceptible，diagnosable，analyzable and self-healing”，highlight the four characteristics of “centralization，wisdom，customization and personalization”，and build an efficient，intelligent and happy smart campus.

Keywords：internet of things technology;smart campus;intelligent perception

0  引  言

依托物联网、人工智能、大数据、云计算等新兴技术，建设智能物联的智慧校园。探讨采用ZigBee/LoRa/NB-IOT等技术协议，研究建设多方联动、提供一种环境全面感知、智慧型、数据化、网络化、协作一体化、可视化物联网平台的可行性。以改善学校教学、管理和服务的新模式服务体系。以福州职业技术学院为例，主要对校园物联网建设的必要性进行细致的分析，并从多个方面论证了建设的可行性。

1  现状与必要性

1.1  建设背景

教育部2020年6月发布的《职业院校数字校园规范》中明确指出，针对物联传感网络，应当基于LoRa、NB-IoT等技术，建立支持ZigBee、RFID、蓝牙等多种物联网协议的传感网络;针对教学环境建设，需具备远程智能管控功能，实现对教室内设备的统一管控;针对安全保障建设，需支持用电全面计量、插座恶性负载管理，需对照明系统进行智能管控，节约电能、减少维护人员工作量，需对空调末端集控系统进行统一管控，同时具备空调能耗统计功能。

1.2  学校现状

1.2.1  需建设面向未来的物联网传感网络

学校目前暂未做统一的物联网建设规划，各系统建设自成一体。学校管理多采用人工形式，管理效率较低。

1.2.2  学校安全缺乏智能管理

校园内门禁、监控暂无统一管理平台，学校多媒体教室、实训室门锁目前均采用传统门鎖开锁方式，无法实现远程操作与一键管控，不便于管理人员进行有效的管理。

1.2.3  需建设教学区上课环境智能管控

学校多媒体教室及实训室的空调与照明系统暂不具备智能控制、统一管理等功能，不便于管理，易造成能源浪费。

1.2.4  需建设实训室用电安全智能管控与预警系统

学校实训室仪器设备种类繁多、用电管理复杂、电损耗大，目前暂无电流监测、排插恶意负载等监测、预警系统。

1.3  项目实施必要性分析

学校目前一共有多媒体教室81间，实训室113间。主要存在以下问题：（1）学校暂未搭建物联网传感网络;（2）教学区域门禁、监控暂无统一管理平台;（3）教学区域照明、空调暂未实现智能管控;（4）实训室暂未建设用电安全管控与预警系统。为提高校园电器物联化管理、安全、节能水平，提升多媒体教室、实训室信息化管理水平，有必要进行数字环境物联改造。实现多媒体教室、实训室的智能管控，提升校园智慧化管理水平。

2  项目可行性

2.1  建设基于边缘计算的物联网大平台

以业内最先进的窄带广域物联网技术——LoRa技术作为基础，利用边缘计算技术，下沉控制单元的物联网专用平台，结合大数据分析、边缘计算、私有云、AI算法、5G等新兴技术，为万物互联网络提供数通基础。

2.2  搭建基于数字孪生平台的可视可管系统

构建智慧校园感知系统，直观展现校园整体设备状态，展示精细化的物联网终端管理及数据能耗分析、用电风险预警等信息，构建智慧物联信息实时感知系统。

2.3  推动教育教学实现全面可视化智能环境管理

实现实时查看教室授课教师课程进展等相关信息，实现教学信息与教室一一匹配的管理，智能统计多媒体教室和实训室使用率，助力教学管理。

2.4  助力学校管理实现基于资产云技术的安全管理

根据责任范围分配管理账号，责任到人，管理人员对各自管理区域的日常管理和资产设备安全负责。

3  项目建设内容

3.1  物联网数据大平台建设

数字环境物联网应用场景和解决方案，由接入传感层、物联传输层和物联开放平台三部分组成。建立一套基于大数据分析、边缘计算、私有云、5G、AI等新兴技术，提供多种物联网专用协议的物联网大平台，为后期物联网建设拓展提供基础支撑。如图1福州职业技术学院物联专网架构所示。

利用物联网无线低功耗、远距离、大量连接的技术优势，设计物联网应用，解决节点成本，网络成本，电池寿命，数据传输速率（吞吐率），延迟，移动性，网络覆盖范围等局限性问题。

采用典型的LoRa和NB-IOT低功耗广域网通信技术，解决有线KNX协议、蓝牙、RFID射频技术、Z-Wave、Wi-Fi技术、红外传感等技术，无法满足远距离、大并发、低功耗的物联网需求。实现应用随时可以快速上线的目标。

平台部署：部署1台物联网集管平台和1台网管平台设备作为系统管理平台，实现全校物联网统一管控及专网接入设备统一管理。

网络配置：物联网集管平台接入校园内网，获取教务处课表信息。同时获取固定IP地址，用于互联网通讯，实现手机等移动设备APP远程访问。

专网架构：物联专网专用核心设备1台，部署于数据中心机房。

3.2  物联整体设计架构

智慧校园物联网应用场景和解决方案，由接入传感层、物联传输层和物联开放平台三部分组成，如图2整体设计架构所示。

底层电器终端设备，通过接入传感器进行统一管理和数据采集，采集数据通过多合一物联网网关进行数据回传，回传的数据由私有云物联网平台（物联网集管平台）统一管理展示。

3.3  教学环境数字化建设

多媒体教室/实训室物联网管控设计，包含灯光、空调、智能门锁、智能空开、情景面板等设备管理。

3.3.1  智能灯光控制系统

建设智能灯光控制系统，底层传感器通过LoRa、Zigbee物联协议将数据实时传输至多合一物联网网关，通过网线将数据上报至物联网集管平台，进行统一的物联管控。可实现手机APP、web界面远程开关、批量控制、定时照明控制、自动巡检等智能照明控制功能。

3.3.2  智能空调控制系统

智能空调控制系统由红外遥控器、多合一物联网网关、物联网集管平台组成。可实现手机APP、web界面远程开关空调、温度调节、更改模式等功能，实现定时通断、自动巡检等多项功能。

3.3.3  智能门锁管理系统

智能门锁管理系统由智能门锁、多合一物联网网关、物联网集管平台组成。可实现门锁状态实时监测展示，实现手机APP、Web界面远程开锁，对接校园一卡通、密码等方式开锁，实现出入记录全溯源。

3.3.4  物联视频监控系统

对接教室内已有的视频监控系统，部署NVR设备，保持NVR、摄像头的IP可达、网络可达即可实现对摄像头和NVR的对接和管理，实现视频实时查看、告警联动、事件追踪、告警回溯等功能。

3.3.5  智能情景模式系统

通过LoRa、Zigbee等物联协议将数据实时传输至多合一物联网网关，实现一键情景设定管理，方便智慧教室电器设备的统一管控，提高管理效率。

3.3.6  智慧用电管理系统

建立智慧用电管理系统，可实现智能空开远程控制、自由分组设置定时开关等，实现用电智能化管控;支持用电保护，实时保障实训室用电安全，支持實时查询空开用电数据，统计分析，助力学校节能减排工作。

3.4  可视化数据系统建设

3.4.1  物联信息可视化

通过物联大屏展示功能，展示学校整体物联网设备的运行状态。数据通过友好的UI大屏呈现，通过onvif协议，对接进的物联网平台进行现场环境视频调用操作，学校的整体情况一目了然，真正实现管理可视化。

3.4.2  教学场景可视可管

通过物联网平台对接学校教务系统，实时查看教室、教师、班级、课程等信息，上课实时视频，教室使用率等，做到教学信息与教室一一匹配的管理，以此构建完善的智慧校园教学可视管理系统，助力学校教学管理。

3.4.3  数据统计分析

可通过物联网平台，实现告警策略分析、巡检策略分析、事件日志分析等多个维度的分析，分析结果支持UI界面展示，以表格形式导出。通过分析报表，助力学校做出正确的管理决策，如图3数据分析系统所示。

3.5  数据安全保障

3.5.1  传输安全保障

在传输层，MQTT使用TLS加密不但可以确保安全通信，还可以使用X509证书作为身份凭证去验证设备。

在应用层，MQTT提供了客户标识、用户名密码以及X509证书，在应用层验证设备，以提高网络传输的安全性。

3.5.2  数据存储保障

数据采用加密存储，运用私有云平台部署方式，让学校掌握自身所有的数据。

3.5.3  运维管理保障

在防盗方面，通过双因子认證和手机令牌等技术支持账号防盗、防暴力破解。

在加密方面，通过APP及Web管理平台的数据均采用安全防护加密传输。

4  建设预期成效

4.1  全校所有物终端数据化

校园内除了传统的智能终端有线、无线联网外，后期所有的哑终端、物终端大部分都可以通过物联网接入校园网中，实现全校所有终端信息化，可IT管理。

4.2  教学空间智能化可视化

在教室内可实现对门禁、灯光、空调等单一设备的可视化管理，可以通过APP或Web网页进行教室智能情景化控制，一键实现上课、下课等情景。实时查看各个区域设备的运行状态、环境信息、用电信息、能耗状态、监控信息、门禁信息等。

4.3  实现全面绿色校园、平安校园

建设完后采用物联网用电管理，可对学校所有区域、楼栋、房间、所有设备类型进行时间段用电分析，并且可以设定对应的策略实现智能调控，达到学校节能管理目的。

4.4  学校管理全面进入数字化时代

物联网将全校所有终端数据收集并上传，可以沉淀到校园大数据管理平台中，和学校相应的智慧校园应用平台联动。从而为学校后期的管理决策，校园应用提供更多的数据支撑。

5  结  论

以物联网技术为基础的数字孪生平台，以智能泛在环境为支撑，以融合创新为核心，整合校内信息资源，形成开放协同的现代化智能校园生态环境。实现对校园的全面感知（智能化）、态势监测（可视化）、事件预警（可控化），生成校园运行态势的“一张图”，提升校园的综合治理服务能力。本文探讨了物联网在辅助管理、构建智能化教学环境、拓展决策等方面的可行性，希望可以为智慧校园物联网应用的研究者与实践者们提供可供借鉴的参考。

参考文献：

[1] 中华人民共和国教育部.教育部关于发布《职业院校数字校园规范》的通知 [R/OL].（2020-07-02）.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A07/zcs_zhgg/202007/t20200702_469886.html.

[2] 陈江萍.物联网技术在智慧校园建设中的应用 [J].计算机产品与流通，2020（6）：263.

[3] 彭思翔.物联网技术在智慧校园建设中应用的现状与发展方向研究 [J].电子世界，2017（4）：89+91.

[4] 李卢一，郑燕林.物联网在教育中的应用 [J].现代教育技术，2010，20（2）：8-10.

[5] 王忆.物联网技术发展展望 [J].科技创新导报，2018，15（10）：170-171.

作者简介：倪雄师（1970.04—），男，汉族，福建福州人，高级实验师，本科，研究方向：教育技术、网络与物联网;林永（1990.12—），女，汉族，福建福州人，实验师，硕士研究生，研究方向：教育技术、数字资源。