智慧校园物联网管理平台建设方案2.0

图1：智慧校园物联网管理平台建设方案

一、智慧校园背景

近年来国家为了加快推进教育现代化、教育强国建设，以及积极推动“互联网+教育”的普及，国家教育部及国家标准委相继出台了《教育信息化2.0行动计划》、《中小学数字校园建设规范（试行）通知》及《智慧校园总体框架》等政策及标准。力争到2022年基本实现“三全两高一大”的发展目标，即教学应用覆盖全体教师、学习应用覆盖全体适龄学生、数字校园建设覆盖全体学校，信息化应用水平和师生信息素养普遍提高，建成“互联网+教育”大平台。

在教育部发布的《教育信息化2.0行动计划》文件中明确指出“智慧教育创新发展行动”要以人工智能、大数据、物联网等新兴技术为基础，依托各类智能设备及网络，积极开展智慧教育创新研究和示范，推动新技术支持下教育的模式变革和生态重构。

《中小学数字校园建设规范（试行）通知》中明确，数字校园建设应达成如下目标：一是实现校园环境数字化。利用云计算、大数据、物联网、移动通讯、人工智能等信息技术，实现从基础设施(网络、终端、教室等)、资源(教材、图书、讲义等)到应用(学习、教学、管理、生活等)的数字化。

同时国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会发布的《智慧校园整体框架》已在2019年1月1日起正式实施，该框架标准要求学校实现智能感知、智能控制、智能管理。

传统的校园管理方式已经不适应现代化教学的需要，基于物联网技术集智慧课堂、环境调节、用电安全、智慧消防等及远程控制于一体的新型现代化智慧校园、智慧教室系统在逐步的推广运用。

图2：目录

1.智慧校园2.0政策标准

2.智慧校园2.0体系架构

3.智慧校园智能感知定义

4.物联网相关的技术

5.智慧校园设备及安全管理常见问题

6.智慧校园物联网解决方案

二、智慧校园2.0政策标准

图3：智慧校园政策和标准

教育信息化2.0行动计划是在历史成就基础上实现新跨越的内在需求。是顺应智能环境下教育发展的必然选择。是充分激发信息技术革命性影响的关键举措。教育信息化2.0行动计划是加快实现教育现代化的有效途径。没有信息化就没有现代化，教育信息化是教育现代化的基本内涵和显著特征，是“教育现代化2035”的重点内容和重要标志。

《中小学数字校园建设规范（试行）》是深入贯彻落实党的十九大精神，积极推进“互联网+”行动，提升中小学校信息化建设与应用水平，推动信息技术与教育教学的深度融合，切实加快全国教育信息化进程，以教育信息化支撑和引领教育现代化，服务教育强国建设而制定的法规。

《智慧校园总体框架》（GBT36342-2018）于2018年6月7日正式发布，其从智慧校园总体系统架构、智慧教学环境、智慧教学资源、智慧校园管理、智慧校园服务、信息安全体系等六大方面对智慧校园建设作了规范及标准指导

三、智慧校园2.0体系架构

图4：智慧校园2.0总体架构

智慧校园的建设包括校园基础设施、智慧教学环境、智慧教学资源、智慧教学管理以及智慧教学服务5大部分。以及智慧校园信息化安全保障系统。

四、智慧校园智能感知定义

图5：智慧校园智能感知定义

在智慧校园中分别对智慧教学环境、智慧校园管理以及智慧校园服务中要求实现智能化感知、智能化控制、智能化管理、智能化互动反馈、智能化数据分析、智能化视窗等功能分别用于支持教学、科研活动的现实空间环境或虚拟拟空间环境。用于实现校园信息管理的系统。用于实现校园信息化服务的系统。

智慧校园还需要具备智能监测能自动获取服务网络、视频监控设备或其他感知设备的各种状态信息、监测信息，并利用相关技术，根据一定策略实现系统的自动监测、诊断、告警和修复的一种自动化的工作行为。

图6：智慧教学环境智能感知定义

在智慧教室中能够实现对环境内所有装备（硬件设备）及状态的信息采集，对环境指标及活动情境的识别、感知和记录，对教学设备的控制和管理，且能实现对控制全过程及效果的监视，能够实现环境内各类信息或数据的生成、采集、汇聚和推送，便于实现对环境内的所有装备（软硬件设备）、环境指标及教学活动进行管理，同时具备基于室内自然光、照明、空气质最、温度及湿度等环境数据实现智能调节控制的条件。

五、物联网相关的技术

图7：物联网相关技术

1.  红外传感技术

   红外传感技术在实现远距离温度监测与控制方面，红外温度传感器以其优异的性能，满足了多方面的要求。随着便携式红外传感器的体积越来越小，价格逐渐降低，在食品、采暖空调和汽车等领域也有了新的应用，红外传感具有小型化、数字通信、维护简单等优点。

   红外传感技术可以感应人体信息，并且也能控制空调、加湿器、投影仪等，相比较于WiFi稳定性更强，能耗更低、维护更简单；劣势在于使用场景相对单一。

2. 蓝牙技术

   蓝牙目前已经成为智能手机的标配通信组件，其迅速发展的原因包括：

   （1）低功耗。这是蓝牙4.0的大杀器~使用纽扣电池的蓝牙4.0设备可运行一年以上，这对不希望频繁充电的可穿戴设备具有十分大的吸引力。当前基本世面上的可穿戴设备基本都选用蓝牙4.0方案。

   （2）智能手机的普及。近年来支持蓝牙协议基本成为智能手机的标配，用户无需购买额外的接入模块。

   值得关注的是蓝牙4.2版本近期推出，加入mesh组网功能，向Zigbee发出了强有力的挑战。

   劣势：虽然蓝牙技术有低功耗的优势，但是蓝牙工作在2.4G频段，传输距离比较近一般在10米以内，若想实现蓝牙信号全覆盖，需要部署很密集的蓝牙发射器，成本较高，不适用于大型场合和企业场景。

3.   WiFi技术

   WiFi协议和蓝牙协议一样，目前也得到了非常大的发展。由于近几年家用WiFi路由器、企业WIFI部署以及智能手机的迅速普及，WiFi协议在互联网金融领域也得到了广泛应用。WiFi协议最大的优势是可以直接接入互联网，并且给金融办公人员、营业点顾客提供便捷的接入网络服务，同时也为未来打造智能无人营业网点做好了基础网络部署。相对于Zigbee，采用WiFi方案省去了额外的网关，相对于蓝牙协议，省去了对手机等移动终端的依赖。

   WiFi虽然传输容量大，传输数据稳定，但是功耗成为其在物联网领域应用的一大瓶颈，同时WiFi传输距离比较近介入终端数量也较少，所以，WiFi非常适用于办公、营业网点大并发、大流量终端如平板电脑、无线取号机等设备接入使用，但是不适用于传输距离远、终端数量多、低功耗的物联网传感器终端接入场景。

4. Zigbee协议

   Zigbee协议的最佳应用场景是无线传感网络，比如水质监测、环境控制等节点之间需要自组网传输数据的工业场景中。在这些场景中Zigbee协议的优势发挥的非常明显。目前国内外很多厂商也将Zigbee运用在智能家居方案中，比如小米发布的“小米智能家居套装”。

   但是Zigbee协议也有不足，主要就是它虽然可以方便的组网但不能接入互联网，所以Zigbee网络中必须有一个节点充当路由器的角色（比如小米智能家居套装中的智能网关），这提高了成本并且增加了用户使用门槛。同时由于Zigbee协议数据传输速率低，对于大流量应用如流媒体、视频等，基本是不可能。

5. LoRo协议

   LoRa的全称是Long Range (远距离)，是一种低功耗、远距离的局域网无线标准。LoRa协议具有以下特点，
   低功耗：LoRa采用Aloha方法进行通讯，只在节点有数据要发送的时候采取向网络同步数据。
   远距离：城镇可达2-5 Km ， 郊区可达15 Km。
   速率：LoRa的最高速率只有37.5Kbps,但这个速率对应的传输距离只有几十米；要支持更远的距离，速率必然降低；通常在0.3Kbps~11Kbps之间；(1Kb=1Kbit)
6. NBIOT协议

   NB-IoT，Narrow Band Internet of Things，窄带物联网，是一种专为万物互联打造的蜂窝网络连接技术。顾名思义，NB-IoT所占用的带宽很窄，只需约180KHz，而且其使用License频段，可采取带内、保护带或独立载波三种部署方式，与现有网络共存，并且能够直接部署在GSM、UMTS或LTE网络，即2/3/4G的网络上，实现现有网络的复用，降低部署成本，实现平滑升级。

六、智慧校园设备及安全管理常见问题

图8：智慧校园设备及安全管理常见问题

1. 校园设备繁多，难以统一实现智能化感知、控制、管理；

2. 校园能耗大，缺乏统一用电分析管理；

3. 校园用电安全事故频发难以防范；

4. 校园环境状况发生污染时难以实时感知并预防；

5. 校园消防安全难以实时反应各项消防设备工作状态；

6. 校园出入管理过于粗放难以实现精细个性化管理；

七、智慧校园物联网解决方案

图9：智慧校园物联网管理优势

物联网技术为校园的智慧提供了一个互动，开放，智能，协同的综合信息服务平台。物联网技术能及时发现问题和分析对象，并反馈相关信息的实时控制。用于教学环境和安全监控系统，可视化、智能控制，充分实现智慧教学和学校环境的安全管理。实现课堂的智能控制和环境感知的应用，为学生创造更加适宜的学习条件。以物联网络技术的优势，构建智能安全系统，更加有利于加强校园的安全管理。

图10：智慧校园物联网平台架构

1. 物理设备层

   物理设备层即受控电器设备层，由常见环境设备（如插座、灯光、风扇、空调、饮水机等）组成。

2. 接入传感层

   接入传感层由各种智能控制、传感、仪表设备构成。包括三类设备，一类是感知设备，如智能门锁、温湿度传感器等；第二类是控制器，包括控制灯光的智能开关、控制空调的空调控制模组、大屏幕控制的红外网关、窗帘控制的数据采集器、风扇控制器的开关执行器等；第三类是测量类，如带能耗采集的智能插座、智能空气开关等。智能感知/控制层主要完成信息的采集以及控制命令的执行。

3. 网络传输层

   网络层主要由智能物联网网关LoRa网关／数据采集器组成，物联网关主要负责联网信号和TCP/IP网络的对接、控制指令的下发和设备状况report的上传、物联网设备基本信息及其物联终端设备管理、情景策略设置等核心功能。网关将传感器采集的信息进行汇聚，并且根据地址分发控制命令给相应的传感设备。

4. 平台应用层

   平台应用层主要由私有云物联平台提供对设备统一管理、智能联动策略、远程信息推送和告警等相关智慧教室场景中的应用；同时平台可开放接口对接第三方平台，支持移动终端和WEB端访问控制，综合管控网关、传感终端等物联网设备，打造智慧教室感知控制、智慧消防、智慧门禁、智慧用电、智慧环境监测等场景应用解决方案。

图11：智慧校园物联网业务系统

1. 智能风扇控制

   将电扇电路走线集中到智能开关上，智能开关内置LoRa模块，可通过LoRa协议将数据传递到物联网平台，实现远程的电扇通、断电管控。

2. 智能窗帘控制

   窗帘的控制主要通过LoRa网关、空外网关通过红外信号控制窗帘遥控器实现。安装部署上需将窗帘电机安装在匹配长度的窗帘导轨上，将窗帘挂在导轨挂钩处即可。可以实现窗帘的数据传输、远程控制、定时开合窗帘等功能。

3. 智能门锁控制

   智能门锁内置LoRa模块，通过LoRa协议进行远程智能管控。将智能门锁安装在学校现有门锁上，实现对学生进出教室的智能门禁管理，可按时间策略、上课策略等进行情景控制门锁。

4. 智能空调控制

   通过LoRa网关、温湿度传感器、红外遥控器实现对空调的控制。安装部署上只要室内部署温湿度传感器和红外遥控器即可实现对空调的控制。红外遥控器通过接收智能网关的控制命令来实现对空调的控制，温湿度传感器做室内温湿度的采集，智能插座可以控制空调供电回路的通断、可以采集空调用回路的能耗。

5. 智能大屏控制

   通过智能网关、智能插座/插排、红外遥控器实现对教室大屏一体机设备控制（投影仪设备同理，使用同一种设备）。安装部署上只要替换电器设备电源插座，室内部署红外遥控器。红外遥控器通过接收智能网关的控制命令来实现对电器设备的控制，可以控制电器设备供电回路的通断、可以采集电器设备的能耗、可以通过红外信号控制大屏一体机、投影仪、幕布设备等。

6. 智能环境控制

   教室环境监测系统是为了让学生在良好的环境下学习，同时通过“科技体验式学习”了解科技，包括温湿度传感器、光电感烟火灾探测器、PM2.5传感器、噪音监测传感器、V0C气体探测传感器，一旦有异常环境，将马上知道并处理。

图12：智慧校园感知系统

校园物联网感知系统通过炫酷大屏来直观展现校园整体设备状态，数据可视化的同时添加了动态交互效果，告警弹窗跟踪和巡检展示更进一步掌控系统状态，精细化的物联网终端管理及数据能耗分析，构建便捷管理的校园感知系统。

图13：智慧校园用电安全系统

用电安全系统可以远程查询空气开关线路电压、漏电电流、线路功率、线路电流、开关状态等用电数据，同时设置漏电保护功能自动检测，以及区域内所有用电线路开关远程集控管理，自由分组设置定时开关等。

图14：智慧校园空间节能系统

通过物联网平台可远程调控、开关校园电气化设备，设定情景模式、自定义时段进行设备开启关闭操作，避免非教学时段设备长期开启、空转。同时，平台可进行能耗数据展示分析，清楚了解各区域、各类型设备用电情况，为校园节能减排工作助力。

图15：智慧校园环境监测系统

通过物联网技术实现教室温湿度、空气质量等实时监测，环境数据实时回传至校园物联网平台，通过物联策略、设备联动实现教室环境智能化管控，确保教学环境处于舒适状态。

图16：智慧校园智能消防系统

通过物联网平台对消防管网压力、水泵房温湿度等数据实时监测，清晰掌握消防管网工作状态，避免紧急时刻无水可用，确保校园消防系统稳健安全。

图17：智慧校园智能门禁系统

智能门禁支持管理员便捷录入人员、导出记录，实时掌握门禁状态及告警信息；此外，智能门禁系统结合人脸识别功能，有效保障学校教室安防、安全。

图18：智能告警系统

7种告警方式全方位保障系统正常运行，当有新的告警发生时，首先会在大屏中央弹出告警和巡检弹窗，显示告警时间、告警内容，并通过预先设置好的方式推送给相关人员。同时，将对学校物联网设备告警信息进行日历式展示。

图19：24小时全时巡检

传统机房巡检完全靠人工定时完成，耗时长且效率低下，机房哨兵可以实现自动巡检，24h全时巡检，提高巡检效率，减低人工成本，自定义设置通知推送的人员账号，一旦巡检到紧急告警，可第一时间告知管理人员。

图20：APP远程运维

管理人员可以通过手机APP实现远程运维，移动端收到巡检结果或者告警推送，可远程进行设备管控和告警确认处理。管理账号支持防盗和防暴力破解，APP与web管理平台均通过https加密传输数据，保障远程运维的可靠性和安全性。

图21：智能化场景

一键情景策略为一组动作的集合，可在页面上一键执行；可上传自定义图标，提升视觉效果；校园物联网感知系统可应用在教室、机房、办公室、会议室、植物园、操场等校园场景。