基于云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字校園的研究與設(shè)計(jì)

孫春志

（商丘師范學(xué)院 物理與電氣信息學(xué)院，河南 商丘 476000）

在數(shù)字化校園建設(shè)中需要遵循以教育信息化帶動(dòng)教育現(xiàn)代化為的原則，在總體規(guī)劃的指導(dǎo)下采用創(chuàng)新的管理機(jī)制、建設(shè)機(jī)制與運(yùn)行機(jī)制，解決教育熱點(diǎn)、難點(diǎn)問題，堅(jiān)持統(tǒng)籌規(guī)劃、分層分步推進(jìn)，堅(jiān)持標(biāo)準(zhǔn)先行、確保規(guī)范有序，堅(jiān)持軟硬并重、突出應(yīng)用效果，堅(jiān)持持續(xù)發(fā)展、重視運(yùn)行服務(wù)[1]。數(shù)字化校園建設(shè)的意義在于為學(xué)校的教學(xué)科研提供交流、通用的服務(wù)平臺(tái)，促進(jìn)教學(xué)科研的發(fā)展；為學(xué)校的管理提供高效、共享的管理平臺(tái)，提高學(xué)校內(nèi)部行政管理的效率；為教師、學(xué)生、家長提供開放的數(shù)字化生活環(huán)境。

目前，我國高校的數(shù)字化校園建設(shè)取得了驚人的成績，但在建設(shè)當(dāng)中也存在著大量不容忽視的問題，主要表現(xiàn)在利用率低、共享度弱、資源不平衡、缺少科學(xué)規(guī)劃、維護(hù)不到位等方面。如果數(shù)字化校園沒有很好的適應(yīng)性、拓展性和靈活性，它就不能夠滿足現(xiàn)在學(xué)校發(fā)展的需要。云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)能夠很好地解決傳統(tǒng)數(shù)字化校園建設(shè)存在的問題，可以實(shí)現(xiàn)資源統(tǒng)一管理、靈活分配資源，降低了數(shù)字化校園建設(shè)和運(yùn)維成本，提高數(shù)字化校園的安全性能。

1 云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)介紹

云計(jì)算主要應(yīng)用于商業(yè)計(jì)算，基于互聯(lián)網(wǎng)的、大眾參與的計(jì)算模式，它的計(jì)算能力、交互能力和存儲(chǔ)能力都是動(dòng)態(tài)的、可伸縮的、虛擬化的，以服務(wù)的方式提供。云計(jì)算（Cloud Computing）是一種新近提出的計(jì)算模式，是分布式計(jì)算、并行計(jì)算和網(wǎng)格計(jì)算發(fā)展的產(chǎn)物。其本質(zhì)特征即分布式的計(jì)算和存儲(chǔ)、高擴(kuò)展、用時(shí)付費(fèi)，云計(jì)算具有可靠性、通用性、伸縮性、低成本等特性[2]。針對(duì)數(shù)字校園建設(shè)，云計(jì)算可以對(duì)學(xué)生綜合數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，對(duì)影響學(xué)生學(xué)習(xí)成績因素進(jìn)行分析。云計(jì)算的使用非常方便，學(xué)生可以使用各種現(xiàn)代電子設(shè)備進(jìn)行訪問資源，甚至建立自己獨(dú)特的學(xué)習(xí)虛擬環(huán)境。

物聯(lián)網(wǎng)是通過傳感器、GPS（全球定位系統(tǒng)）、RFID（射頻識(shí)別）和激光掃描器，通過一定的協(xié)議把任何不相關(guān)物品通過互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系到一起，是物品、計(jì)算機(jī)以及人進(jìn)行相互通信，實(shí)現(xiàn)信息同步和信息共享的功能，也是互聯(lián)網(wǎng)和傳感器相結(jié)合的一種新技術(shù)[3]。物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，讓所有能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對(duì)象實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后，物聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，也被視作世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。根據(jù)信息生成、傳輸、處理和應(yīng)用的原則，對(duì)應(yīng)的能夠把物聯(lián)網(wǎng)分為感知識(shí)別層、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層、管理服務(wù)層和綜合應(yīng)用層。

2 基于云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化校園系統(tǒng)建設(shè)架構(gòu)

文中充分結(jié)合了數(shù)字化校園建設(shè)的實(shí)際情況，提出了一種基于云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)字校園的四層模型，該模型包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)層和應(yīng)用層，基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化校園四層模型如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化校園四層模型Fig.1 Four model digital campus base on of colud computing and the internet of things

1）感知層：使用校園已有的設(shè)備進(jìn)行必要的信息采集。進(jìn)而根據(jù)需要部署和安裝新的傳感器及智能終端設(shè)備。這些傳感器和智能節(jié)點(diǎn)，可以通過有線和無線相結(jié)合的通信方式把數(shù)據(jù)接入網(wǎng)絡(luò)層，從而為整個(gè)數(shù)字化校園提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[4]。

2）網(wǎng)絡(luò)層：采用有線網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式，把感知層采集的數(shù)據(jù)接入網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)層會(huì)根據(jù)不同的傳輸方式和設(shè)備設(shè)置不同的網(wǎng)絡(luò)接口，這樣為網(wǎng)絡(luò)安全傳輸數(shù)據(jù)提供了極大的方便。

3）服務(wù)層：主要功能把網(wǎng)絡(luò)層傳進(jìn)來的海量數(shù)據(jù)通過云計(jì)算技術(shù)進(jìn)行有效的管理和存儲(chǔ)，再使用云計(jì)算技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，為下一層（應(yīng)用層）提供服務(wù)。服務(wù)層由數(shù)據(jù)中心、監(jiān)控中心、流媒體服務(wù)器和管理服務(wù)器群等組成。

4）應(yīng)用層：由于服務(wù)層提供了智能化的服務(wù)，本層就可以開發(fā)校園所需要的每個(gè)子系統(tǒng)，也可以改善校園網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

本設(shè)計(jì)采用模塊化的方法對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)架構(gòu)包括基礎(chǔ)設(shè)施、資源數(shù)據(jù)庫、服務(wù)支撐系統(tǒng)、業(yè)務(wù)服務(wù)系統(tǒng)、服務(wù)接入系統(tǒng)、校安系統(tǒng)6個(gè)部分，基于云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字校園總體架構(gòu)圖2所示。

1）基礎(chǔ)設(shè)施

基礎(chǔ)設(shè)施包括有線接入網(wǎng)絡(luò)覆蓋整個(gè)校園、部分主要樓宇接入無線網(wǎng)絡(luò)、中心機(jī)房的建設(shè)、數(shù)據(jù)中心建設(shè)，數(shù)字化校園建設(shè)中使用有線與無線相結(jié)合的方式是大勢(shì)所趨，這種有線與無線相結(jié)合的方式可以針對(duì)校園網(wǎng)存在的擴(kuò)展性不足、成本高和布線難等問題給予彌補(bǔ)，使得通信方式更為靈活多樣化。校園網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2）資源數(shù)據(jù)庫

資源數(shù)據(jù)庫的建設(shè)包括了教學(xué)資源庫、學(xué)習(xí)資源庫、科研資源庫和應(yīng)用系統(tǒng)支撐庫，其中教學(xué)資源庫包括學(xué)科課件庫、教學(xué)視頻庫、各學(xué)科試題庫等，主要用于遠(yuǎn)程教學(xué)和考試。

3）服務(wù)支撐系統(tǒng)

服務(wù)支撐系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一身份認(rèn)證，采用單點(diǎn)登錄模式，根據(jù)各應(yīng)用系統(tǒng)的后臺(tái)管理程序，可以根據(jù)建設(shè)情況，采用模塊化的方式往數(shù)字校園中添加整合[5]。統(tǒng)一應(yīng)用支撐平臺(tái)層作為數(shù)字化校園應(yīng)用系統(tǒng)的承載平臺(tái)，提供跨平臺(tái)應(yīng)用框架和底層通用服務(wù)，并為各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行、開發(fā)與部署提供支撐作用。

4）業(yè)務(wù)服務(wù)系統(tǒng)

業(yè)務(wù)服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)理念對(duì)以后的新增業(yè)務(wù)系統(tǒng)比較機(jī)動(dòng)靈活，業(yè)務(wù)服務(wù)系統(tǒng)包括財(cái)務(wù)管理系統(tǒng)、教務(wù)管理系統(tǒng)、科研管理系統(tǒng)、人事管理系統(tǒng)、學(xué)籍管理系統(tǒng)、檔案管理系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)、電子政務(wù)系統(tǒng)、班班通、校信通、校園一卡通等[6]。

5）服務(wù)接入系統(tǒng)

依靠門戶服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器作為基層支撐軟件，使得數(shù)字校園中的應(yīng)用系統(tǒng)在功能和內(nèi)容上可以方便統(tǒng)一開展，門戶服務(wù)基于安全服務(wù)和認(rèn)證服務(wù)進(jìn)行用戶認(rèn)證和權(quán)限管理[7]。門戶服務(wù)的功能包括內(nèi)容管理、個(gè)性化服務(wù)、用戶管理與授權(quán)、單點(diǎn)登錄、支持多種設(shè)備的接入等。服務(wù)接入方式主要通過校園門戶網(wǎng)站（WEB）和校園移動(dòng)網(wǎng)站（WAP）等進(jìn)行統(tǒng)一登陸入口接入[8]。

6）校安系統(tǒng)

控制中心經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)控制鍵盤，使得每個(gè)監(jiān)控硬盤錄像機(jī)得到控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每臺(tái)視頻監(jiān)控畫面進(jìn)行巡航或者拉近控制。

3 結(jié) 論

基于云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)字化校園，實(shí)現(xiàn)了校園內(nèi)不管何人何物何時(shí)何地都可以實(shí)時(shí)互聯(lián)互通，海量信息在新技術(shù)平臺(tái)的聚合而產(chǎn)生新的信息，為廣大師生提供了智能化的業(yè)務(wù)和服務(wù)平臺(tái)。不僅為現(xiàn)代化教學(xué)提供了新的理念和方式，同時(shí)也充分利用了網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)提供的資源，數(shù)字化校園的建設(shè)為學(xué)習(xí)者創(chuàng)造了新一代的虛擬校園和新型學(xué)習(xí)環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)不同地域數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享，將高校內(nèi)部的相對(duì)獨(dú)立分散的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一整合，使學(xué)校資源得到合理利用。云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，大大促進(jìn)了數(shù)字化校園建設(shè)，為高校提供了廣闊的發(fā)展空間。

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