基于 5G及物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園平臺

張小鳳 賀彤陽 溫卓超 王思淇 陳秋旭 林壽南

摘要：隨著新時代的發(fā)展，人們對信息傳播有了更為苛刻的要求，5G 技術(shù)也隨著各領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)運而生。5G 技術(shù)正成為當(dāng)下最熱門的話題，現(xiàn)正處于快速發(fā)展的階段。在校園領(lǐng)域，師生對于高效互聯(lián)的迫切需求日益加深，智慧校園的概念也隨著技術(shù)變革而 產(chǎn)生，本文針對數(shù)字校園的不足，融合 5G、物聯(lián)網(wǎng)和 VR 等相關(guān)技術(shù)，搭建了基于 5G 技術(shù)下智慧校園服務(wù)建設(shè)的框架模型，對未來智慧校園的創(chuàng)新應(yīng)用進行了闡述，提出“5G+ 智慧校園”的建設(shè)途徑，深入闡述了對智慧校園平臺建設(shè)的研究。

關(guān)鍵詞：5G 技術(shù) ?智慧校園 ?平臺建設(shè)

1.引言

智慧校園的構(gòu)建有利于學(xué)校推進教學(xué)改革，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起以及人工智能飛速發(fā)展，當(dāng)下數(shù)字校園存在數(shù)據(jù)共享不充分，冗余量大等問題，因此，智慧校園的理念也應(yīng)運而生。2010 年浙江大學(xué)首次提出智慧校園的理念，其理念以物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)為基礎(chǔ)，并結(jié)合大數(shù)據(jù)、云計算等新的信息技術(shù)構(gòu)建一個安全高效的一體化校園環(huán)境。近年來，5G 和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速普及，實現(xiàn)了以泛在感知網(wǎng)絡(luò)為支撐的智能教育體系得以實現(xiàn)。5G 及物聯(lián)網(wǎng)等新型技術(shù)的蓬勃發(fā)展，給智能化的教學(xué)與管理活動帶來更多的契機，并為新的教育場景與應(yīng)用注入了更多的動力。

2.5G及相關(guān)技術(shù)

2.1 5G 技術(shù)

5G是目前新興的第五代移動通信技術(shù)，與 3G、4G 等移動網(wǎng)絡(luò)一樣，為數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡(luò)，相比 4G 而言，5G 網(wǎng)絡(luò)具有更搞笑的傳輸速率，不僅能為手機提供各式各樣的服務(wù)，還能實現(xiàn)多端的高效連接，有效地提高數(shù)據(jù)的傳輸效率和數(shù)據(jù)的連接端口，具有超大帶寬、泛在網(wǎng)、低時延和超大連接等特性，深度融合多種新興的無線移動通信技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其毫米波的概念更是創(chuàng)建了高頻與智能化相結(jié)合的嶄新時代，在毫米波頻段，可以使頻道帶寬和傳輸速率得到大幅度提升并遠超 4G 技術(shù)，突破時空的限制，縮短人與物之間的距離，實現(xiàn)人與萬物的互聯(lián)互通。5G 技術(shù)的崛起，可以為目前的高校帶來強而有力的技術(shù)支持，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及大數(shù)據(jù)技術(shù)，能夠搭建出符合人們需要的智慧校園平臺打下了堅實的基礎(chǔ)。

2.2物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，讓所有能行使獨立功能的普通物體實現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)作為一種新興網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在近幾年受到了人們的廣泛關(guān)注，物聯(lián)網(wǎng)是指將各種信息傳感設(shè)備，如全球定位系統(tǒng)、紅外感受器、激光掃描器等裝置與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來形成的網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)物到物、人到物和人到人的互連。其核心為實現(xiàn)物體 ?（包括人） 之間的互連，從而實現(xiàn)物體之間的通信與信息交換。物聯(lián)網(wǎng)主要作用是縮小物理世界和信息系統(tǒng)之間的距離，提供服務(wù)使得各類智能物體可以通過網(wǎng)絡(luò)進行交互，獲得這些物體之間的相關(guān)信息。

2.3 VR

虛擬現(xiàn)實 （Virtual Reality，VR） 是一種綜合了計算機圖形技術(shù)，傳感器技術(shù)和仿真技術(shù)等多種科學(xué)技術(shù)而發(fā)展的計算機領(lǐng)域新技術(shù)。通過對環(huán)境感知交互，并渲染處理使用戶沉浸于計算機所模擬的環(huán)境，并展示實時動態(tài)的三維立體逼真圖像。將 VR 技術(shù)運用在教育方面提高學(xué)生們的積極性和體驗度，并打造出具有沉浸式、融合 5G 和 VR 技術(shù)構(gòu)建智慧校園環(huán)境，為新的教育場景注入更多的動力。

3.5G智慧校園服務(wù)建設(shè)框架

智慧校園可借助各種智能化的技術(shù)手段，通過覆蓋整個校園的感知終端設(shè)備對校園內(nèi)情況進行了解，將獲取到的各類數(shù)據(jù)進行分析，從而實現(xiàn)以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，為校園各類群體提供更為智能化與人性化的服務(wù)體系，包括智慧教學(xué)、管理、科研等。按照功能劃分，可構(gòu)建出智慧校園總體架構(gòu)模型，可以將模型從上到下分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和信息服務(wù)層。建立總體框架如圖 2 所示。

（1）智能感知層：以 5G 通信技術(shù)為基礎(chǔ)，感知層作為物聯(lián)網(wǎng)的底層，實現(xiàn)對物理世界的智能感知和識別控制等，對校園環(huán)境進行全面掌控，為智慧校園的建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息。

（2）網(wǎng)絡(luò)通信層：網(wǎng)絡(luò)層作為智慧校園的”交通樞紐“，通過通信技術(shù)將感知層的信息進行高效傳輸，5G 網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)各類網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，從而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源，大大提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率，為用戶提供良好的服務(wù)。

（2）智慧數(shù)據(jù)層：在網(wǎng)絡(luò)層的通信技術(shù)保障下，數(shù)據(jù)層可以對智慧校園各層次模型的數(shù)據(jù)進行存儲分析，有效收集校園的各項數(shù)據(jù)，從而保證智慧校園的工作效率，及時反饋所需的信息，進一步加強了智慧校園中相關(guān)數(shù)據(jù)的處理和通信保障。

（3）管理應(yīng)用層：5G 網(wǎng)絡(luò)具有超低時延的特點，能夠加強平臺的智慧管理，通過挖掘技術(shù)，基于智能化策略，提供個性化服務(wù)。完成大量數(shù)據(jù)的管理和處理，以更高的速度對信息進行分析和計算，為校園廣大師生提供更為智能化的內(nèi)容。

（4）信息服務(wù)層：服務(wù)層的面向?qū)ο鬄橛脩?，對用戶日常?shù)據(jù)進行分析和處理，提供智能化的篩選功能，提供個人化的服務(wù)，將內(nèi)容分發(fā)給各個用戶，使用戶能夠感受到便捷的校園服務(wù)，同時設(shè)立數(shù)據(jù)緩存庫對信息進行儲備，將推送的信息存儲在用戶數(shù)據(jù)庫中提升用戶的使用效率。

4. 5G+ 智慧校園”架構(gòu)模型特點

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，許多學(xué)校購買了各類的智能化設(shè)備應(yīng)用于教學(xué)，但仍處于 4G 體系下的智慧校園，師生對智慧校園的需求也越來越高，而 5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的存在正能夠推動信息高效的傳播。針對本文所搭建的智慧校園總體框架模型，對所需的服務(wù)指標(biāo)進行分析，得到在 5G 體系下智慧校園的特點。

4.1環(huán)境感知靈敏度高

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，感知層正不斷趨于完善，諸如圖像、視頻識別等技術(shù)不斷的涌現(xiàn)，各類技術(shù)的應(yīng)用也有了突出的表現(xiàn)。將 5G 通信技術(shù)應(yīng)用于智慧校園，結(jié)合 5G 技術(shù)低時延等特點，得到較高的感知靈敏度。

4.2網(wǎng)絡(luò)環(huán)境覆蓋面強

5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠搭建通信網(wǎng)絡(luò)的扁平化架構(gòu)，架構(gòu)中光纖移動能實現(xiàn)智慧校園在

5G 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下中接入基站，使用更低或更高的頻段獲得更廣的覆蓋和更大的容量，能夠有效改善邊緣區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)性能，具有覆蓋面強的特點，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號全覆蓋的需求。

4.3可存儲轉(zhuǎn)發(fā)海量數(shù)據(jù)

5G 作為新技術(shù)應(yīng)用于校園專用網(wǎng)中，可以對各類信息的查詢功能起到強化作用，高網(wǎng)速提高用戶的查詢速度。開拓擴展校園環(huán)境資源，學(xué)生不僅可以從數(shù)據(jù)庫中快速獲取重要的查詢內(nèi)容，使用高帶寬資源進行資料的傳輸，還可以實現(xiàn)大量資料的實時共 享，提升各類數(shù)據(jù)的共享速度。

4.4可變空間的學(xué)習(xí)環(huán)境

智慧校園結(jié)合 5G 技術(shù)，學(xué)生不僅可以獲取課上的資源，還可以開拓上課的空間環(huán)境，從課上到課外，實現(xiàn)在真實與虛擬的環(huán)境中得到高效率的學(xué)習(xí)。

5.“5G+ 智慧校園”體系應(yīng)用

智慧校園是更高層次的發(fā)展階段，相比于傳統(tǒng)的數(shù)字校園基礎(chǔ)上，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、VR 等核心技術(shù)打造安全、智能的校園環(huán)境。在 5G 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，智慧校園可以為教學(xué)環(huán)境的建設(shè)帶來很大的機遇，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸速度快、信號覆蓋度高等基本的網(wǎng)絡(luò)需求。針對師生的需求，高效運行物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實現(xiàn)校園與網(wǎng)絡(luò)的緊密連接，將結(jié)合以上技術(shù)方案建立 5G 智能教室、5G 智能云平臺、5G 校園一卡通 3 個方面敘述“5G+ 智能校園”的創(chuàng)新應(yīng)用。

5.1 5G 智能教室

5.1.1 多功能感知教室

相比于誠信通的 4G 體系下的多媒體網(wǎng)絡(luò)教室，多功能感知教室是基于 5G 體系下所打造的新的學(xué)習(xí)環(huán)境，結(jié)合了 5G 通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所打造出的新型學(xué)習(xí)環(huán)境?；緦崿F(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)物與物、人與物、人與人之間的互通，通過全面感知校園環(huán)境獲取最新的數(shù)據(jù)信息，對其進行智能化分析，實時控制并反饋信息。感知系統(tǒng)可配備藍牙、溫濕度傳感器等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，獲取環(huán)境數(shù)據(jù)并進行分析，最后對教室多方面進行調(diào)節(jié)，打造適合學(xué)生學(xué)習(xí)的舒適環(huán)境。

5.2 5G+VR虛擬型教室

虛擬現(xiàn)實技術(shù)對數(shù)據(jù)傳輸速度具有較高的要求，基于 5G 網(wǎng)絡(luò)高速率等特點，綜合利用虛擬仿真技術(shù)、圖形學(xué)和多媒體技術(shù)，改變原有的傳統(tǒng)教學(xué)，使學(xué)生能夠在真實與虛擬的環(huán)境下，開展課程實驗等內(nèi)容，使學(xué)習(xí)變得有趣生動。教室通過 VR 技術(shù)可以創(chuàng)立虛擬環(huán)境，讓學(xué)生豐富自身的想象力和思維創(chuàng)新能力。利用真實的感官刺激能帶動學(xué)生對復(fù)雜事物的理解。

5.2.1 5G智能云平臺

打造 5G 智能云平臺是基于物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)構(gòu)建的平臺，能夠?qū)τ脩舻臄?shù)據(jù)、資源進行統(tǒng)一管理，打破空間維度限制，進而實現(xiàn)校園信息的全方位管理。

5.2.2 智能教務(wù)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的教務(wù)系統(tǒng)，師生不僅需要進行繁重的操作才能實現(xiàn)對應(yīng)的功能，而且有時需要大量的工作人員進行運營防止系統(tǒng)出錯，采用 5G 和互聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)技術(shù)組成的智能教務(wù)系統(tǒng)平臺，能夠有效的實現(xiàn)教務(wù)系統(tǒng)信息與管理的融合統(tǒng)一，滿足當(dāng)前師生對教務(wù)管理的需求。利用智能教務(wù)系統(tǒng)所搭建的平臺，能實現(xiàn)學(xué)生從入學(xué)到畢業(yè)的整套體系結(jié)果統(tǒng)一化，進行全方位管理，基于 AI 技術(shù)實現(xiàn)智能化管理并提供 5G 技術(shù)上的服務(wù)，可以大幅度減少工作量，并節(jié)省更多的精力去實行教學(xué)上的改革與創(chuàng)新。

5.3 智能教學(xué)平臺室

智能教學(xué)平臺是應(yīng)用大數(shù)據(jù)、5G 通信、云計算等構(gòu)建的創(chuàng)新教學(xué)模式，融合最新的教學(xué)理念的師生互動系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠提供備課、預(yù)習(xí)、自習(xí)等多方位教學(xué)功能，在5G 技術(shù)的支持下，不僅可以大大的提升文件的傳輸速度，還可以錄制并保存課上視頻，幫助學(xué)生復(fù)習(xí)所學(xué)知識，此外，支持線上考試并自動閱卷的功能，實現(xiàn)考試工作的智能化。

5.4 5G 校園一卡通

目前國內(nèi)大多數(shù)學(xué)校仍采取傳統(tǒng)的校園卡，諸如飯卡、水卡等，學(xué)生在攜帶的過程中經(jīng)常出現(xiàn)丟失，經(jīng)常需要進行補辦?；?5G 環(huán)境下的一卡通，基本打破原有校園“孤島現(xiàn)象”的局面，5G 校園一卡通利用創(chuàng)新的方式，將學(xué)生的個人信息，金融、身份認證以及教務(wù)系統(tǒng)等信息結(jié)合，實現(xiàn)多個系統(tǒng)之間的互聯(lián)和數(shù)據(jù)的共享，根據(jù)學(xué)生刷卡即可驗證學(xué)生的狀況并實時記錄，降低信息處理的誤差率。如出現(xiàn)特殊情況，5G 一卡通即可快速處理并上報，保障學(xué)生的安全。

6.結(jié)語

總之，隨著 5G 技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)建更為完善智慧校園，學(xué)校應(yīng)根據(jù)發(fā)展實際情況，科學(xué)引入5G 技術(shù)，不斷開展智慧校園課題的研究與實踐，保證智慧校園在多個地區(qū)的快速發(fā)展?；?5G 體系的智慧校園將帶動學(xué)校高效發(fā)展，希望通過以上闡述，能夠加深自身在 5G 時代對智慧校園的認識，同時希望未來的研究能夠推進 5G 技術(shù)的開展以及智慧校園工作上高效推進。

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作者簡介：張小鳳，女，1982年生，博士，研究方向：為模式識別與智能系統(tǒng)。