智慧校园室内智能监控平台研究

2022-09-10

一、智慧校园的起源与现状

智慧校园是在教育信息化的过程中,在数字校园的基础上提出的,指以“物联网”为基础的智慧化的校园工作、学习和生活一体化的环境。

目前,大多数高校出于转型发展的关键时期,人数逐年递增,规模逐渐扩大,面对这复杂的庞大的资源,如何进行整合,正是构建“智慧校园”所面临的问题,在建设“智慧校园”的过程中,传统的校园管理模式和“数字校园”管理模式的可用性差、可扩展性差、运行效率低等方面都是“智慧校园”亟需解决的问题。

二、研究内容

“智慧校园”的研究主要体现在:具备稳定、高速、便捷的网络资源,并且不受地点、时间及周围环境的影响;具备智能自动化的信息处理能力;提供良好的数据处理平台能够合理的整合各类信息资源。因此,本文从“易用、灵活、易维护”出发,研究适用于现在的“智慧校园”的模型与架构技术。

(一)感知技术研究

针对千变万化的或简单或复杂的场景,考虑用户需求和场景信息的捕捉与保存,需要一种可同时用于描述用户需求和场景信息的通用性描述语言。

(二)服务平台研究及设计

现在“智慧校园”背景下的使用环境具有广泛性、多样性和动态性,为了在不同的多样的设备上提供完整合理的服务,该平台结合多种设计语言及框架,探索使不同的设备与平台使用体验及功能高度统一的设计语言。

(三)架构关键算法研究

研究捕捉与保存场景中不确定信息的语义表达,结合一定程度的智能推断,分析用户的意图,确保捕捉到用户的最准确的去求。在设备建设上,以“易用易维护”为主,研究建设高度解耦合的硬件服务系统。

三、基于场景的“智慧校园”架构研究

“智慧校园”是一种全新的校园管理形态,运用物联网、云计算、移动互联网等技术手段,把高校内传统的分散、庞大的信息系统整合为一个灵活、强大的整题,对高校内日常校园管理、科研教学、校园生活等方面提供统一的服务支持。

(一)“智慧校园”架构设计原则

“智慧校园”服务架构设计目标是利用计算机可靠的信息处理能力及网络强大的信息传递共享能力,最大化的保证校园中活动的稳定高效进行,因此,“智慧校园”架构设计原则包括节约型原则、可扩展性原则、可靠性原则和安全性原则。

(二)架构的总体研究

1. 感知抓取执行层

感知抓取执行层由传感单元、处理单元、无线收发单元和电源等几部分组成,基于架构设计原则考虑,最终无线收发单元选用成熟强大的CC2530的SoC解决方案,它结合了领先的RF收发器的优良性能,业界标准的增强型8051CPU及许多强大的功能,CC2530具有不同的运行模式,不同运行模式之间的转换确保了低能源消耗。

2. 数据服务层

数据服务层起到每个小区内的抓取执行器的统筹规划作用,需要具有较强的数据处理能力和一定的数据储存能力的设备,并结合“智慧校园”架构设计原则,最终决定使用树莓派(RaspberryPi)作为各个小区内的数据服务器。

树莓派是一款基于Linux的单片机电脑,它由英国的树莓派基金会所开发,以低廉的价格和不菲的运算能力广泛用于各个智能家居作为中央服务器。该系统使用树莓派的第三代B型,它拥有一颗BroadcomBCM2837SoC,1024MB(LPDDR2)内存等元件,完全可作为该系统架构中数据服务层的服务器。

3. 中央服务层

中央服务层由于是该架构中最核心的部分,需要非常强大的数据处理能力和信息储存能力,并且需要满足大量用户的并发请求和紧急情况稳定实时处理能力,结合“智慧校园”架构设计原则,选用Java作为服务器开发语言,Spring、SpringMVC、MyBatis作为开发框架。

4. 用户层

用户层是与用户直接交互的一层,UI、UE设计非常重要,因为用户使用的设备千变万化,为了在不同的多样性设备上提供完整合理统一的服务,结合结合“智慧校园”架构设计原则,最终选用Google的MaterialDesign作为系统的设计语言,这种语言旨在为手机、平板电脑、台式机和“其他平台”提供更一致、更广泛的“外观和感觉”。

5. 架构总体结构

将以上分层以ZigBee等传输协议链接后,如图1所示。

四、“智慧校园”关键算法研究分析

(一)协同算法

“智慧校园”服务需要高度可扩展系统,因此设计了“集权”的架构模式,如图2所示:

“集权”模式是由上向下逐渐剥夺主动权,最高主动权控制权在用户层,用户层拥有完全的控制权,可以在一定程度上进行任意的查询控制等操作;中央服务层可在用户繁忙时自主的完成某些用户预设或默认的操作;数据服务层在中央服务层没有分配任务的情况下自主的定时获取各项指标保存到本地;感知抓取执行层部分等级高的传感器在紧急情况下需要实时监测。

(二)感知抓取层与数据服务层

感知抓取层由传统的执行模块与传感器模块结合一起的模式,转化为传感器与执行模块完全分离互不影响的模式以达到松耦合的目的。传感器模块按照安全级别分为两类,一类是普通传感器模块,一类是高危传感器模块。普通传感器为温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器等普通的传感器,高危传感器是火焰传感器、毒气传感器等危险度较高的传感器,在优先级上高危传感器的处理相应要绝对优先于普通传感器。

(三)数据服务层与中央服务层

数据服务层对中央服务层的对应模式为多对一的模式,由每个作为中央服务层的服务器开启一个HTTP服务,以便中央服务层的服务器来调用通信。

(四)中央服务层与用户层

中央服务层作为整个平台架构中最核心重要的一层,它的稳定性、并发性、运行效率等方便影响着整个平台。中央服务层使用Java作为开发语言,使用MVC架构,选用Spring、SpringMVC和MyBatis作为开发框架,ApacheTomcat作为运行服务器,极光推送作为推送服务,保障系统的稳定运行,并同时可以保证运行、开发维护效率。

在用户层的Android端使用MVP架构作为总的架构,UI、UE设计上使用Google的MaterialDesign设计语言,使手机、平板电脑、台式机和“其他平台”提供更一致、更广泛的“外观和感觉”。

(五)智能场景的储存于执行

在“智慧校园”平台中,最核心的功能是关于智能场景的设置,其中的难点为智能场景的储存与执行。智能场景的执行最为方便的是由动态语言直接执行代码段,也就是可以直接由用户设置是动态的生成对应的代码段,转成字符串保存至数据库中,该平台中使用Python语言作为场景的执行与储存。

五、结束语

“智慧校园”是以物联网为基础,以各种应用服务系统为载体而构建的集教学、科研、管理及校园生活为一体的智能化和智慧化教学、学习和生活环境,它主要的优势体现在两个方面:

在比现有的“数字校园”以及传统的人工方式具有高程度的智能化,能够满足当前在校师生的个性化要求;其次有利于资源的融合、人力物力等成本的节约。当然随着“智慧校园”的发展与不断进步,后续的研究将更多地关注对“智慧校园”建设的架构分析与优化。

摘要：随着高校教育信息化建设的不断深入,校园中的各种软硬件资源越来越多,面对这越来越复杂的庞大的资源,如何对其进行整合,已成为亟需解决的问题,“智慧校园”的出现,实实在在地提高了信息化水平,在一定程度上解决了这个问题。在传统资源管理到“智慧校园”管理模式的转变过程中,构建智慧校园建设的通用架构模型具有十分重要的意义。为了探索“智慧校园”的建设架构模型,该文从运行效率、可维护性、可用性几个方面展开研究,设计了适应现代高校信息化建设的高速发展的通用架构模型。该模型从下到上分为感知抓取执行层、数据服务层、中央服务层、用户层四个层次,通过构建信息标准与规范体系来保障“智慧校园”的规范建设与运行维护。

关键词：互联网+,智慧校园,物联网,云服务