基于嵌入式及RFID物联网技术的智慧校园系统设计与实现
巴音查汗 安鹏
摘 要： 传统的智慧校园系统，面对不断增长的信息，存在控制效率低以及安全性差的问题。基于该现象，设计并实现基于嵌入式及RFID物联网技术的智慧校园系统。其由智能RFID感知模块、网络融合模块、嵌入式硬件支持模块、支撑站模块、业务应用模块以及综合服务模块构成。系统分别对这些模块进行了设计和实现，完成校园的智能化管理。实验结果表明，所设计嵌入式系统各项功能运行稳定，运行效率较高。
关键词： 嵌入式技术； 物联网技术； 智慧校园系统； 智能化管理
中图分类号： TN915?34； TP393.18 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）16?0063?03
Abstract： The traditional wisdom campus system， in the face of growing information， exists the problems of low control efficiency and poor safety. In order to eliminate this phenomenon， a wisdom campus system based on embedded and RFID IOT technology was designed and implemented. It is composed of intelligent RFID perception module， network fusion module， embedded hardware support module， supporting station module， business application module and comprehensive service modules. These modules were designed and implemented respectively， and then the campus intelligent management was completed. The eExperiment result shows that the embedded system runs stably and efficiently.
Keywords： embedded technology； IOT technology； wisdom campus system； intelligent management
随着嵌入式技术以及物联网技术的快速发展，智能化管理方法在当前校园管理中的应用价值逐渐增强。传统的智慧校园系统，面对不断增长的信息，存在控制效率低以及安全性差的问题，不能为教师、学生以及管理人员提供智能的信息服务[1]。基于嵌入式技术和物联网技术能够塑造智慧校园系统，可增强校园设施的管理效率、提高教师授课质量、学生学习效率以及校园信息控制的安全性。
1 智慧校园系统设计与实现
1.1 系统架构
本文采用嵌入式和物联网技术，设计出智慧物聯网系统架构，如图1所示，其由智能感知模块、网络融合模块、硬件支撑模块、支撑站模块、业务应用模块以及综合服务模块构成[2]。智慧校园系统将物联网中的RFID，EPC等不同的传感器配件部署到教室、食堂、图书馆、实验室等不同设施中，采用智慧校园网络平台相连，确保不同的信息在校园不同领域进行互通，对校园中的人和物进行智能化管理。
（1） RFID智能感知模块。智能感知模块的硬件结构图如图2所示。可以看出，其采用物联网中的传感器、智能手机、PDA等部件，基于智能感知平台，通过RFID辨识、视频提取等手段，对校园环境中的办公室部件、宿舍部件、教室部件以及实验室部件进行感知以及检测。采用融合的网络传递检测到的结果，完成校园环境的智能控制。
（2） 网络融合模块。智慧校园中的网络融合模块采用物联网中的网络融合技术，融合校园中的有线网、互联网、移动网络等，完成不同网络间信息的全面对接，确保校园中的人信息、物信息的畅通无阻传输[3]。采用一体化的信息控制方案，为智慧校园提供高效率、稳定的校园网络环境。
（3） 硬件支撑模块。该模块采用VMware虚拟化手段，通过交换机、服务器以及存储部件，实现智慧校园系统中大量信息的嵌入式存储，对智慧校园系统中的大规模运算和存储资源进行全方位控制。其中的交换机用于实现信息的传输，其由视频器、基带处理器、功放器以及存储器构成，通过一块电路板则完成所有的功能。系统设计的交换机采用德国西门子公司生产的集成电路板，其型号是TC35，能够完成语言信号行业短消息的传递和结束。该集成电路板是双频频段，可高效率地支撑数据、语言以及传真的传递，包含RS 232接口以及语言接口，具有较高的电源范围，其硬件结构图如图3所示。其由6个硬件构成，其中的基带处理器是关键部分，能够实现信息通信功能。
（4） 支撑站模块。支撑站模块依托于数字化校园系统内的软件，设计出信息整合平台以及应用整合开发平台，对智慧校园系统中不同的身份信息、感知数据以及不同类型业务应用数据进行全方位控制。
（5） 业务应用模块。不同的校园依据自身的特征塑造的业务应用也存在较大的差异，这些业务应用采用物联管理实现联网控制，主要包括校园一卡通、视频监控、部件控制、处理和检索历史记录等[4]。一卡通业务控制学生的一卡通和身份信息，从视频监控模块中能够看到校园各监控站点的视频图像，采用部件控制模块完成智慧校园的传感器部分、门禁目标、警报器等部件的处理、检索以及控制。视频监控部分的硬件结构如图4所示。基于校园安防需求，采用射频技术和AT89S51型读卡器，完成射频辨识，并通过TC35模块实现通信传递，采用液晶显示屏呈现监控图像，管理人员通过键盘完成视频监控的及时调整。 其中，AT89S51核心芯片通过RS 232接口经TC35模块完成信息交互。
（6） 综合服务模块。综合服务模块是对智慧校园系统中的全部模块进行统一管理，塑造控制决策站、自主学习站以及交流站等服务站，为校园中的教师、学生以及管理者提供综合信息服务平台。
1.2 智慧校园系统中各模块的设计与实现
1.2.1 网络融合模块设计与实现
塑造校园物联网系统是智慧校园系统的关键部分，塑造的物联网系统应覆盖校园教学楼、办公楼、实验室以及图书馆等区域，并且还在学生宿舍设置了1 800个AP，增益天线2 800多个，无线传感器3 400多个，完善校园不同区域的物联网的全面覆盖，确保人们在校园的任何地方都可上网，实现校园信息的全面传递。
1.2.2 硬件支持模块设计与实现
塑造校园物联网主干网。塑造网络部件的关键部分，部署多层交换机9306和核心交换机TC35，路由器NE40，将校园的出口带宽提高到3 400 Mb/s，设置电信、联通、移动以及教育网络4个出口，通过防火墙对出口进行NAT变换以及向服务器提供带宽服务[5]。将华为S13400以及S8204交换机当成核心控制器，对校园物联网中的链路冗余以及复制进行控制，塑造的智慧校园网络硬件拓扑如图5所示。
塑造35个智慧教室。教师采用手机驱动教室管理平台，在校园的教室中塑造高速无线网络，为智慧教室中的不同职能部件提供网络服务，确保教室和学生间进行信息的及时交流和互动[6]。智慧教室的集中联网管理过程，需要驱动服务器对教室中的相关部件进行监测，并且通过服务器还可对不同智慧教室的运行情况进行检索。
1.2.3 支撑站模块设计与实现
支撑站模块设计的校园信息标准规范如图6所示。可以看出其包括智慧校园总体规划、数据标准、技术标准、管理规范以及管理水平分析等的数据标准。
支撑站模块还塑造统一数据平台采用数据变换工具，消除数据中的噪声、对数据进行分析和传输，完成不同业务系统中数据的共享以及交互[7]；塑造统一身份认证平台是统一身份认证和接口平台基于统一数据分析平台，对不同应用系统进行统一认证，形成统一的应用系统接口以及集中认证接口技术规范，增强智慧校园的安全性。
2 实验分析
2.1 系统有效性检测
实验对本文塑造的基于嵌入式及物联网技术的智慧校园系统的性能进行检测，某院校的物联网技术、计算机网络技术和信息安全技术3个专业的2013级以及2014级6个班186名同学对本文系统使用6周的操作情况进行检查，并且在业余时间組织同学对系统的智慧教室以及培训功能等子应用系统进行并发访问，统计6周检测过程中本文系统的检测结果，如表1所示。
分析表1可以看出，本文设计的智慧校园系统运行正常，并且运行效率较高，可为学生提供相关的服务，是有效的校园信息智能化管理系统。
2.2 系统网络服务性能检测
实验对本文设计的智慧校园系统网络服务性能进行检测，分析网络服务性能中的网络部件拓扑控制、网络状态以及流量控制的检测结果，检测用例为： 网络部件拓扑控制用例，如表2所示。
网络状态与流量控制测试用例如表3所示。
综合分析上述检测结果可得，本文设计的智慧校园系统的网络部件拓扑控制以及网络状态和流量控制等功能都正常运行，并且系统运行效率较高。如果校园网络产生故障，则系统会及时向网络控制人员反馈报警信息，提高智慧校园系统的管理效率和稳定性。
3 结 论
本文设计并实现了基于嵌入式及物联网技术的智慧校园系统。分析实验检测结果可以看出，该系统的网络性能以及其他功能都运行稳定，具有较高的运行效率，实现了校园系统的智能化管理。
参考文献
[1] 周蕾.基于云计算和物联网技术的智慧校园构建[J].广东技术师范学院学报，2015，36（8）：101?104.
[2] 闫晓妍.物联网在高校智慧校园建设中的应用[J].物联网技术，2015，5（9）：93?94.
[3] 高倩，王志军.基于物联网的智慧校园基础架构与应用研究[J].漯河职业技术学院学报，2015，14（2）：52?53.
[4] 陈春回.云计算环境下的外语移动学习智慧平台研究[J].电脑与信息技术，2015，23（2）：56?58.
[5] 郭龙.基于无线射频识别技术的智慧校园一卡通系统的研究与设计[J].物联网技术，2016，6（3）：93?95.
[6] 韩晓光，姚宣霞，曲武，等.云计算环境中基于对象和用户的角色访问控制模型[J].科学技术与工程，2014，14（29）：229?233.
[7] 杨超，李冰洁，从雯，等.半开放式智慧校园安防系统[J].物联网技术，2015，5（5）：73?75.
摘 要： 传统的智慧校园系统，面对不断增长的信息，存在控制效率低以及安全性差的问题。基于该现象，设计并实现基于嵌入式及RFID物联网技术的智慧校园系统。其由智能RFID感知模块、网络融合模块、嵌入式硬件支持模块、支撑站模块、业务应用模块以及综合服务模块构成。系统分别对这些模块进行了设计和实现，完成校园的智能化管理。实验结果表明，所设计嵌入式系统各项功能运行稳定，运行效率较高。
关键词： 嵌入式技术； 物联网技术； 智慧校园系统； 智能化管理
中图分类号： TN915?34； TP393.18 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）16?0063?03
Abstract： The traditional wisdom campus system， in the face of growing information， exists the problems of low control efficiency and poor safety. In order to eliminate this phenomenon， a wisdom campus system based on embedded and RFID IOT technology was designed and implemented. It is composed of intelligent RFID perception module， network fusion module， embedded hardware support module， supporting station module， business application module and comprehensive service modules. These modules were designed and implemented respectively， and then the campus intelligent management was completed. The eExperiment result shows that the embedded system runs stably and efficiently.
Keywords： embedded technology； IOT technology； wisdom campus system； intelligent management
随着嵌入式技术以及物联网技术的快速发展，智能化管理方法在当前校园管理中的应用价值逐渐增强。传统的智慧校园系统，面对不断增长的信息，存在控制效率低以及安全性差的问题，不能为教师、学生以及管理人员提供智能的信息服务[1]。基于嵌入式技术和物联网技术能够塑造智慧校园系统，可增强校园设施的管理效率、提高教师授课质量、学生学习效率以及校园信息控制的安全性。
1 智慧校园系统设计与实现
1.1 系统架构
本文采用嵌入式和物联网技术，设计出智慧物聯网系统架构，如图1所示，其由智能感知模块、网络融合模块、硬件支撑模块、支撑站模块、业务应用模块以及综合服务模块构成[2]。智慧校园系统将物联网中的RFID，EPC等不同的传感器配件部署到教室、食堂、图书馆、实验室等不同设施中，采用智慧校园网络平台相连，确保不同的信息在校园不同领域进行互通，对校园中的人和物进行智能化管理。
（1） RFID智能感知模块。智能感知模块的硬件结构图如图2所示。可以看出，其采用物联网中的传感器、智能手机、PDA等部件，基于智能感知平台，通过RFID辨识、视频提取等手段，对校园环境中的办公室部件、宿舍部件、教室部件以及实验室部件进行感知以及检测。采用融合的网络传递检测到的结果，完成校园环境的智能控制。
（2） 网络融合模块。智慧校园中的网络融合模块采用物联网中的网络融合技术，融合校园中的有线网、互联网、移动网络等，完成不同网络间信息的全面对接，确保校园中的人信息、物信息的畅通无阻传输[3]。采用一体化的信息控制方案，为智慧校园提供高效率、稳定的校园网络环境。
（3） 硬件支撑模块。该模块采用VMware虚拟化手段，通过交换机、服务器以及存储部件，实现智慧校园系统中大量信息的嵌入式存储，对智慧校园系统中的大规模运算和存储资源进行全方位控制。其中的交换机用于实现信息的传输，其由视频器、基带处理器、功放器以及存储器构成，通过一块电路板则完成所有的功能。系统设计的交换机采用德国西门子公司生产的集成电路板，其型号是TC35，能够完成语言信号行业短消息的传递和结束。该集成电路板是双频频段，可高效率地支撑数据、语言以及传真的传递，包含RS 232接口以及语言接口，具有较高的电源范围，其硬件结构图如图3所示。其由6个硬件构成，其中的基带处理器是关键部分，能够实现信息通信功能。
（4） 支撑站模块。支撑站模块依托于数字化校园系统内的软件，设计出信息整合平台以及应用整合开发平台，对智慧校园系统中不同的身份信息、感知数据以及不同类型业务应用数据进行全方位控制。
（5） 业务应用模块。不同的校园依据自身的特征塑造的业务应用也存在较大的差异，这些业务应用采用物联管理实现联网控制，主要包括校园一卡通、视频监控、部件控制、处理和检索历史记录等[4]。一卡通业务控制学生的一卡通和身份信息，从视频监控模块中能够看到校园各监控站点的视频图像，采用部件控制模块完成智慧校园的传感器部分、门禁目标、警报器等部件的处理、检索以及控制。视频监控部分的硬件结构如图4所示。基于校园安防需求，采用射频技术和AT89S51型读卡器，完成射频辨识，并通过TC35模块实现通信传递，采用液晶显示屏呈现监控图像，管理人员通过键盘完成视频监控的及时调整。 其中，AT89S51核心芯片通过RS 232接口经TC35模块完成信息交互。
（6） 综合服务模块。综合服务模块是对智慧校园系统中的全部模块进行统一管理，塑造控制决策站、自主学习站以及交流站等服务站，为校园中的教师、学生以及管理者提供综合信息服务平台。
1.2 智慧校园系统中各模块的设计与实现
1.2.1 网络融合模块设计与实现
塑造校园物联网系统是智慧校园系统的关键部分，塑造的物联网系统应覆盖校园教学楼、办公楼、实验室以及图书馆等区域，并且还在学生宿舍设置了1 800个AP，增益天线2 800多个，无线传感器3 400多个，完善校园不同区域的物联网的全面覆盖，确保人们在校园的任何地方都可上网，实现校园信息的全面传递。
1.2.2 硬件支持模块设计与实现
塑造校园物联网主干网。塑造网络部件的关键部分，部署多层交换机9306和核心交换机TC35，路由器NE40，将校园的出口带宽提高到3 400 Mb/s，设置电信、联通、移动以及教育网络4个出口，通过防火墙对出口进行NAT变换以及向服务器提供带宽服务[5]。将华为S13400以及S8204交换机当成核心控制器，对校园物联网中的链路冗余以及复制进行控制，塑造的智慧校园网络硬件拓扑如图5所示。
塑造35个智慧教室。教师采用手机驱动教室管理平台，在校园的教室中塑造高速无线网络，为智慧教室中的不同职能部件提供网络服务，确保教室和学生间进行信息的及时交流和互动[6]。智慧教室的集中联网管理过程，需要驱动服务器对教室中的相关部件进行监测，并且通过服务器还可对不同智慧教室的运行情况进行检索。
1.2.3 支撑站模块设计与实现
支撑站模块设计的校园信息标准规范如图6所示。可以看出其包括智慧校园总体规划、数据标准、技术标准、管理规范以及管理水平分析等的数据标准。
支撑站模块还塑造统一数据平台采用数据变换工具，消除数据中的噪声、对数据进行分析和传输，完成不同业务系统中数据的共享以及交互[7]；塑造统一身份认证平台是统一身份认证和接口平台基于统一数据分析平台，对不同应用系统进行统一认证，形成统一的应用系统接口以及集中认证接口技术规范，增强智慧校园的安全性。
2 实验分析
2.1 系统有效性检测
实验对本文塑造的基于嵌入式及物联网技术的智慧校园系统的性能进行检测，某院校的物联网技术、计算机网络技术和信息安全技术3个专业的2013级以及2014级6个班186名同学对本文系统使用6周的操作情况进行检查，并且在业余时间組织同学对系统的智慧教室以及培训功能等子应用系统进行并发访问，统计6周检测过程中本文系统的检测结果，如表1所示。
分析表1可以看出，本文设计的智慧校园系统运行正常，并且运行效率较高，可为学生提供相关的服务，是有效的校园信息智能化管理系统。
2.2 系统网络服务性能检测
实验对本文设计的智慧校园系统网络服务性能进行检测，分析网络服务性能中的网络部件拓扑控制、网络状态以及流量控制的检测结果，检测用例为： 网络部件拓扑控制用例，如表2所示。
网络状态与流量控制测试用例如表3所示。
综合分析上述检测结果可得，本文设计的智慧校园系统的网络部件拓扑控制以及网络状态和流量控制等功能都正常运行，并且系统运行效率较高。如果校园网络产生故障，则系统会及时向网络控制人员反馈报警信息，提高智慧校园系统的管理效率和稳定性。
3 结 论
本文设计并实现了基于嵌入式及物联网技术的智慧校园系统。分析实验检测结果可以看出，该系统的网络性能以及其他功能都运行稳定，具有较高的运行效率，实现了校园系统的智能化管理。
参考文献
[1] 周蕾.基于云计算和物联网技术的智慧校园构建[J].广东技术师范学院学报，2015，36（8）：101?104.
[2] 闫晓妍.物联网在高校智慧校园建设中的应用[J].物联网技术，2015，5（9）：93?94.
[3] 高倩，王志军.基于物联网的智慧校园基础架构与应用研究[J].漯河职业技术学院学报，2015，14（2）：52?53.
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[5] 郭龙.基于无线射频识别技术的智慧校园一卡通系统的研究与设计[J].物联网技术，2016，6（3）：93?95.
[6] 韩晓光，姚宣霞，曲武，等.云计算环境中基于对象和用户的角色访问控制模型[J].科学技术与工程，2014，14（29）：229?233.
[7] 杨超，李冰洁，从雯，等.半开放式智慧校园安防系统[J].物联网技术，2015，5（5）：73?75.
