基于物联网的数字化校园建设研究
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摘 要：基于物联网技术普通对象设备化、自治终端互联化和普适服务智能化的重要特征，在已有的数字化校园建设基础上，提出了网络和设备透明、有线与无线互联、教师与学生互通、管理与服务一体的现代数字化校园建设方案，实现了数字化校园向“智慧校园”的转变。
关 键 词：物联网；云计算；智慧校园；虚拟化
1 引言
从2001年国家教育部倡导实施“校校通”工程至今，国内基础教育信息化经过较长时期的投资建设，很多地区和学校的信息化建设已经形成一定的规模。硬件、网络基础设施以及应用软件都已经具备，并在教学中得到应用。物联网和云计算技术的发展使“智慧校园”的概念应运而生，它是支撑学校发展的智慧化环境，是一种全新的校园信息化形态。它运用物联网、云计算、移动互联网、应用集成、应用层数据交换等前沿信息技术手段，把学校里分散的、各自为政的信息化系统整合为一个具有高度感知能力、协同能力和服务能力的有机整体，对校园管理、教学科研、校园生活等活动提供智能支撑。
2 物联网与云计算
物联网技术通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，将任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通讯，使物、人、计算机形成互通互联、信息同步、信息共享的智慧网络，是各类传感器和现有互联网相互衔接的一种新技术。物联网（nternet of Things）是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。它具有普通对象设备化、自治终端互联化和普适服务智能化3个重要特征。作为一个新兴产业，物联网是继计算机、互联网之后世界信息产业的第三次浪潮。物联网是一种非常复杂、形式多样的系统技术。根据信息生成、传输、处理和应用的原则，可以把物联网分为4层：感知识别层、网络构建层、管理服务层和综合应用层。
（1）感知识别层。感知识别是物联网的核心技术，是联系物理世界和信息世界的纽带。感知识别层既包括射频识别（RFID）、无线传感器等信息自动生成设备，也包括各种智能电子产品用来人工生成信息。信息生成方式的多样化是物联网区别于其他网络的重要特征。
（2）网络构建层。本层将感知识别层的数据接入互联网，供上层服务使用。互联网以及下一代互联网（包括IPV6等技术）是物联网的核心网络，处在边缘的各种无线网络则提供随时随地的网络接入服务。各种不同类型的无线网络适用于不同的环境，合力提供便捷的网络接入，是实现物物互联的重要基础设施。
（3）管理服务层。将大规模数据高效、可靠地组织起来，为上层行业应用提供智能的支撑平台。面对海量信息，如何有效地组织和查询数据是核心问题。管理服务层的主要特点是应用运筹学原理、机器学习、数据挖掘和专家系统等实现智能化。
（4）综合应用层。物联网应用以“物”或者物理世界为中心，涵盖物品追踪、环境感知、智能物流、智能交通、智能电网等。
云计算作为一种技术手段和实现模式，使得计算资源成为向大众提供服务的社会基础设施，将对信息技术本身及其应用产生深刻影响。中国电子学会云计算专家委员会认为，云计算是一种基于互联网的、大众参与的计算模式，其计算资源（计算能力、存储能力、交互能力）是动态、可伸缩、且被虚拟化的，以服务的方式提供。这种新型的计算资源组织、分配和使用模式，有利于合理配置计算资源并提高其利用率，促进节能减排，实现绿色计算。
3 基于物联网的数字化校园系统架构设计
根据物联网四层架构原理，结合数字化校园建设的实际情况，本文提出了基于物联网技术的数字化校园四层模型，包括感知层、网络层、服务层和应用层，如图1所示。
（1）感知层。主要实现信息采集功能。利用校园已有的基础设备，部署和安装新的传感器及智能终端设备，如环境传感器、感应卡传感器、视频传感器和位置传感器等。这些传感器和智能节点，可以通过有线或者无线的方式，接入网络层，为整个数字化校园提供数据基础。
（2）网络层。采用有线网络与无线网络结合的方式，将感知层的数据接入网络。本层提供不同的网络接口，兼容多种网络协议，最大限度的提供便捷的网络接入方式。
（3）服务层。主要包括数据中心、监控中心、流媒体服务器和管理服务器群。其重要功能是将网络层传入的数据进行存储和管理，利用机器学习和数据挖掘技术，向应用层提供智能化的服务。
（4）应用层。依托服务层提供的智能化数据服务，开发面向教职工的智能教务管理、智能OA系统、智能设备管理和智能后勤管理，建设智慧图书馆，改善校园环境，为教师和学生提供便捷、友好、智慧的生活和学习条件。
4 物联网技术在数字化校园建设中的实现途径
基于物联网的数字化校园具有三大建设目标：一是为教师和学生提供环境智能感知和综合信息服务平台；二是利用网络信息服务实现学校各服务领域的互联和协作；三是提供学校与外部世界相互交流和感知的借口。为实现上述目标，促进高校跨越式发展，应利用云计算、虚拟化技术，构建校园云（The Cloud of Campus），结合物联网、RFID技术，实现智慧校园。
云的规模可以动态伸缩，校园云满足应用和用户规模增长的需要。校园云使用了数据多副本容错、计算节点同构可互换等措施来保障数据的高可靠性。校园云对于各种信息需求提供的最大好处在于瘦终端。利用虚拟化技术将各种资源集合在一起，提供一个巨大的资源池，进行动态伸缩调整，便可显著提高资源的利用率。校园云为典型的云架构，基础技术主要有面向服务架构和虚拟化。大体上可以将校园云分为3个基本层次：感知与网络层、服务层和应用层，分别对应于数字化校园的四层模型。实现基于物联网的数字化校园，主要途径如下：
（1）设备虚拟化。
首先面对的是大规模的硬件资源，这些硬件设备通过已有的校园网相互连接。通过对这些设备资源的虚拟化，实现高层次的数字化校园资源管理逻辑。
虚拟化的过程是屏蔽掉硬件产品上的差异的过程，也是实现设备和网络对用户透明的先决条件。通过虚拟化处理，对每一种硬件资源提供统一的管理逻辑和接口。虚拟化技术是数字化校园感知层的关键技术。虚拟化技术打破了物理结构之间的壁垒，将物理资源转变成了逻辑上可管理的资源。将数字化校园中的硬件资源整合成资源池，实现资源的动态分配、动态负载均衡，能够提高资源利用率，节约学校的资金投入、资源投入和人力投入。同时，虚拟化技术也是实现系统数据冗余备份、零宕机迁移和数据灾难快速恢复的关键技术。
（2）资源监控与负载管理。
资源监控是保证感知层高效率工作的一个关键任务。在数字化校园感知层的大规模资源集群环境中，任何时刻所有节点的负载都不是均匀的，负载差异过大时，会造成资源的浪费。感知与网络层的自动化负载平衡机制将负载进行转移，从而使得所有资源在整体负载上趋于平衡。
（3）冗余备份。
通过对数据的冗余备份以保证数据的高可靠性，从而满足系统将数据的损坏和丢失的几率降到最低的要求。
（4）系统部署。
系统部署包括动态部署和快速部署。动态部署的典型场景就是实现感知和网络层的动态可伸缩性，也就是能够根据具体用户的需求和服务状态的变化，在最短的时间内进行调整和配置。动态部署的另一个典型的场景是系统故障的恢复和硬件设备的维护。感知和网络层需要在上层的调度下实现将正在运行和处理的数据与环境，从一个节点动态迁移到另外一个节点上。另外，为进一步提高虚拟机的部署速度，可以采用并行部署或者协同部署技术，以实现快速部署。
（5）资源调度和多租户技术。
资源调度指的是在特定的资源环境下，根据一定的资源使用规则，在不同的资源使用者之间进行资源调整的过程。在数字化校园环境中，软件以SaaS的方式出去，提供给所有需要使用该软件的师生共享使用，基于多租户技术可以使软硬件资源能够更好地共享，具有良好的可伸缩性，每个用户可以按需使用资源。
（6）海量数据处理与大规模分布式存储。
以往的大型科学计算以及一些科研实践中的海量数据处理，都需要购买大型机来获取相应的数据处理能力，代价昂贵。在校园云建设过程中，基于计算技术和虚拟技术的发展，不需要额外的硬件投资，通过进行动态资源调度实现一个可扩展的可靠的计算环境，就可以轻松实现海量数据处理。
要进行海量数据处理，必然要运用海量数据处理编程模型。Google公司设计的MapReduc编程模型是一种主流的海量数据处理编程模型，可赋予程序员分布式应用开发能力。MapReduc的出现将开发者所关注的业务逻辑与分布式计算涉及到的复杂细节划分开来，让并行应用开发通过Map2Reduce提供的编程模型屏蔽底层实现细节。
随着高校信息化的发展与完善，越来越多的项目有存储海量数据的需求。采用分布式存储的方式来存储数据，采用冗余存储的方式来保证数据的可靠性，即为同一份数据存储多个副本。利用多台服务器满足其他服务器所不能满足的存储需求。
5 结束语
“智慧校园”是基于物联网和云计算技术的数字化校园建设的高级目标，通过物联网来实现智慧化的校园服务和管理，实现了校园内任何人、任何物、任何信息载体、任何时间、任何地点的互联互通，海量信息在物联网平台的聚合而产生新的信息，从而给广大师生提供了智慧化的业务和服务模式。在“智慧校园”的建设过程中，要加强对建设规范的研究和制订，明确“智慧校园”的概念和建设策略。同时，要充分发挥智慧校园在院校建设中的作用，必须整合各种数字资源。物联网是智慧校园建设的基础已经成为共识，但智慧校园不仅仅是物与物之间的联系，更是人与物、系统与系统之间的实时感知。因此，数据融合是智慧校园建设的核心，需要进一步重视资源与应用的开发，实现基础设施与数字资源的充分融合，这也是今后研究的热点和难点。
参考文献
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