物聯網技術在高校的應用與思考

李彥武

（張家口廣播電視大學，河北 張家口 075000）

作者系張家口廣播電視大學實驗師。

一、物聯網的內涵

上世紀九十年代，比爾蓋茨在《未來之路》中最早提出了物聯網這一概念。1999 年麻省理工學院提出了“萬物皆可通過網絡互聯”的觀點，即在計算機互聯網的基礎上利用RFID（Radio Frequency Identification，射頻識別）、無線通信等技術，構造一個覆蓋世上萬事萬物的“物聯網（Internet of Things，IOT）”，實現對事物的自動識別和信息共享。物聯網是在互聯網基礎上的延伸和擴展，是物物相連的互聯網，物聯網的用戶端可通過互聯網延伸到任何物體?！吨袊锫摼W發展年度報告》將物聯網定義為：物聯網是指以感知為核心，實現物理空間和信息空間互動融合的綜合信息系統。將傳感器、射頻識別、條碼、全球定位系統、多媒體采集系統等信息感知設備部署于物理實體中，結合現有的基礎網絡設施，按照約定的協議采集、傳輸和處理信息，從而提升對物理世界的綜合感知能力，實現智能化的決策和反饋控制，為人類社會提供智慧和集約的服務[1]。

從物聯網在高校數字校園建設中的應用看，物聯網利用射頻識別技術、數據通信技術等對校園中的人和物進行感知識別和實時監控，通過互聯網絡傳輸數據，實現人與物、物與物的信息交互，構建以各種應用服務為載體的集教學、科研和管理為一體的智能環境，實現教師、學生和管理者互動協作的教育教學環境。

二、物聯網的技術原理

RFID、ECP（Electronic Product Code，電子產品代碼 ）和savant是物聯網的主要技術。RFID是一種非接觸式自動識別技術，無須人工干預，主要應用在電子標簽和讀寫器；EPC電子編碼封存在RFID標簽中，可以唯一的標識物體；savant是位于標簽閱讀器和應用軟件之間的軟件，可提供各種計算功能[2]。信息采集主要通過傳感器和電子標簽等方式完成，因而物聯網可區分為基于傳感器的物聯網和基于RFID的物聯網?；趥鞲衅鞯奈锫摼W，利用傳感器實時采集熱、光、聲、位移等信息；基于RFID的物聯網，利用讀寫器讀取電子標簽信息，然后將所獲信息通過網絡傳送到遠程終端，實現信息的處理、存儲、查詢和共享。

三、物聯網的特征和體系結構

物聯網的特征體現在三個方面：第一，是信息感知技術的廣泛應用。物聯網上部署各種類型的傳感器和RFID標簽，隨時隨地進行信息采集，將捕獲的信息通過各種網絡傳輸到遠程智能處理終端。第二，是異構網絡互通。物聯網建立在互聯網上，重要基礎和核心是互聯網，但能適應各種異構網絡和協議的通信要求，將分散的信息和數據組織起來，形成基于物聯網技術的信息系統。第三，是數據的智能化處理。物聯網通過智能處理技術，對龐大的數據信息進行智能化分析處理，整合跨地域、跨行業的復雜數據，實施智能化跟蹤、定位和控制[3]。

物聯網的體系結構從上到下可分為三層：感知層、網絡層和應用層。

感知層由各種傳感器、RFID、GPS（Global Positioning System，全球定位系統）以及攝像頭等終端設備，對物體及環境物理世界信息進行采集，包括物理對象的溫度、濕度、粘度、濃度、速度、壓力、位移和轉速等。

網絡層由局域網、互聯網、無線移動通信網等實現數據的傳遞。物聯網重點技術包括蜂窩移動通信技術和低功耗、低速率的近距離無線通信技術，可依托互聯網和公眾電信網，也可依托行業專用通信網絡。

應用層則包括顯示設備和管理設備，以及各種運行軟件平臺和應用軟件，對所獲取的數據進行處理，實現對物聯網的智能化管理和應用[4]。

四、物聯網在高校的應用

（一）智能學習環境

高校傳統課堂教學的物理環境所包含的教學資源有限，現有的遠程教育虛擬學習環境又缺乏與現實世界的交互。物聯網的引入可使物理教學環境的每個物件都具有數字化、網絡化、智能化特性，與遠程虛擬學習環境進行無縫對接，充分利用豐富的網絡資源，有效提高教學質量。

傳統紙質教材加入物聯網RFID標簽，學生在學習過程中，可通過教室或圖書館的 RFID閱讀器，將教材信息實時展現在遠程終端，并利用物聯網系統與遠端的教學管理系統發生交互，隨時得到數據庫中的學習資源，或將問題發布到教學管理系統服務平臺，由教師或其他學生在平臺上進行解答。

將移動設備接入物聯網，使物聯網與現有教學平臺集成，教師可以和學生進行移動環境下的遠程交流，向遠方的學生播放視頻教學畫面或提供電子教學資源，實現個性化學習和協作學習，且能監督學生的學習過程：如通過學生佩戴的傳感器手表或眼鏡等設備，捕捉學生生理信息，跟蹤學生學習狀態，根據所獲信息調節教學內容和進程。

（二）智能實驗環境

實驗是教學的重要環節，如混合氣體的燃爆性實驗，海洋生物生長過程實驗等，不做實驗難以完成教學目標，但傳統實驗教學又有許多局限性：如安全問題、實驗器材短缺、時間和經費制約等，使許多實驗無法讓學生親手操作。而物聯網可以為實驗教學提供安全的仿真實驗教學環境。物聯網傳感器材安裝在實驗器材上，實時采集溫度、濕度、濃度、壓力、頻率、位移等數據，這些數據利用多媒體手段處理后，形成仿真數據通過網絡實時傳遞給實驗者，同時結合遠端傳來的實驗場景，使實驗者完成實驗操作。仿真實驗室突破時空限制，師生隨時隨地參與其中，對傳統實驗教學模式帶來深刻影響。

在實驗設備管理中，結合 RFID、GPS、智能傳感器、網絡技術實現高校實驗設備智能化管理，提高實驗設備利用率和管理水平。實驗設備分配有 RFID標簽，管理員使用RFID閱讀器讀取設備信息，迅速獲知目標設備狀態，提高盤點效率，將設備的閑置、維修、在用等狀態及時寫入標簽，為設備更新調配提供決策依據，并對實驗室的危險物品進行跟蹤、監控和報警。

（三）智能校園安全

高校校園具有人多且雜、資源集中的特點。物聯網在加強校園安全管理，推進平安校園建設過程中也發揮著重要作用。學生配戴植入個人資料信息的RFID標簽，與GPS結合可以實現校園定位。教師可以實時掌握學生的出勤情況，監控學生出入各教學設施的情況及路線?？梢员O測學生鍵康狀況，出現異常發出警報通知有關人員處置。在宿舍、實驗室、教學樓、圖書館、食堂、電梯等場所布置探頭進行視頻監控，同時配置電控鎖和讀卡機等門禁管理設備，對進出人員進行安全控制，當訪客進入RFID感測的管制區域時，自動開啟監控視頻警示相關人員。學生進入具有不安全因素的場合時，系統自動通知相關人員處理。

（四）智能圖書管理

物聯網技術為創建智能圖書館提供了基礎。借閱者可利用各種終端設備如手機、移動電腦等快速查看圖書信息，了解自己借閱起始時間、圖書書目等情況。采用RFID架標和層標，讀者可以輕松、準確地定位相關文獻的物理存放位置[5]。借還圖書時，無需管理員手工操作，讀者只須將借書卡和圖書放到感應區，利用RFID技術可快速完成圖書借還手續。RFID標簽還能通過電磁波追蹤定位圖書，圖書出現異常情況時，能執行防盜報警、影像拍照功能[6]。

購進大批文獻時，可利用 RFID技術將文獻資料錄入圖書館自動化管理系統，圖書館編目工作人員只需在圖書后面貼上電子標簽，就可借閱使用，提高文獻的上架效率。還可在館內設置環境感應設備對溫度、濕度、照明度和煙霧等進行探測，配備攝像頭對圖書館進行實時監控。物聯網在圖書館管理方面的應用，可極大提高圖書借閱效率，避免管理人員的浪費及圖書管理的混亂。

（五）高校物聯網的其他智能應用

高校物聯網的應用還包括優化教學環境、校內消費管理、教學設備管理、機動車管理等許多方面。

1.優化教學環境。實時采集教學環境信息，對教學環境進行智能化控制，通過光線傳感器自動調節教室內光源亮度和計算屏幕亮度，通過溫度及濕度傳感器，自動調節教室內溫度濕度。

2.校內消費管理。師生通過在手機SIM卡芯片中集成RFID模塊，使SIM卡具備非接觸式感應功能，完成身份識別、消費支付和信息交互功能。在校內消費時，消費管理系統會記錄消費值信息，從而提高師生校內消費的便捷性及安全性。

3.教學設備管理。學校的教學儀器、空調、計算機、投影儀、會議設備、體育器材等粘貼RFID標簽或傳感器進行統一管理。

4.機動車管理。即安裝傳感設備和 RFID標簽，識別并控制機動車的進出，對進出校園的車輛和校園內車輛行駛速度、?？繒r間、?？课恢玫刃畔⑦M行監督管理。

五、高校物聯網應用的思考

（一）技術和標準層面的思考

物聯網核心技術手段RFID芯片以及讀寫器模塊高端產品主要靠進口，國內只能開發低端產品。國內核心技術的缺失，導致國外專利技術大行其道，我國在該領域的專利僅占美國6.5%，現有專利只在 RFID低端有一定競爭力。事實上在RFID標簽的推廣中，最大問題就是制作成本。目前每枚RFID標簽的價格在0.3到0.6美元。高校物聯網建設中，大量植入上述功能的芯片顯然會增加巨額成本，有效解決這一問題還要依靠國內RFID技術的進步。

此外，缺乏統一的技術標準，也影響物聯網的進一步發展。物聯網各個層面的技術，不同國家和機構往往以各自利益為中心采用不同的技術方案，缺乏協調機制，沒有統一標準，研發出的技術產品難以兼容，從而影響產品間的相互識別和感應。高校物聯網的構建需要多技術、多設備、多領域進行整合，統一的標準化體系是高校物聯網發展的前提。加強物聯網關鍵標準的制定和實施，推動物聯網關鍵技術研發，是政府部門、科研機構和高校的共同任務。

（二）倫理和道德層面的思考

長久以來，人們對技術過度關注，往往會忽略人類自身發展的需要。物聯網技術使人和物品處于互聯狀態，其所構筑的行為空間比互聯網更加復雜，物聯網在給高校帶來便利的同時，也產生了隱私、數據保護方面的風險，使高校面臨著一系列的人文倫理與社會道德問題。在物聯網射頻識別系統中，任意一個標簽或識別碼都可能被遠程非法掃描，使我們面臨黑客和病毒的威脅，甚至被定位、跟蹤[7]。美國學者理查德·A·斯皮內洛指出：“社會和道德方面通常很難跟上技術革命的迅猛發展。而像中國這樣的發展中國家，在抓住信息時代機遇的同時，卻并不總是能意識到和密切關注各種風險，為迅猛的技術進步所付出的日漸增長的社會代價?！备咝Ｃ鎸ξ锫摼W技術帶來的倫理挑戰，如何才能有效抵御和防范，確保信息安全和隱私不受侵犯，成為物聯網應用中異常緊迫的問題。因而要研究高校物聯網運行機制和內在規律，捕捉這一領域所出現的問題，構建高校物聯網發展的倫理基礎，積極參與物聯網信息安全保護，樹立正確的物聯網倫理道德意識。

[1]周錫生. 2009-2010年中國物聯網發展年度報告[R]. 新華通訊社，2010.

[2]沈蘇彬，范曲立，宗平，等. 物聯網的體系結構與相關技術研究[J]. 南京郵電大學學報（自然科學版），2009，（6）.

[3]孫其博，劉杰，等. 物聯網：概念、架構與關鍵技術研究綜述[J]. 北京郵電大學學報，2010，（6）.

[4]張飛舟，楊東凱，陳智. 物聯網技術導論[M]. 北京：電子工業出版社，2010.

[5]馮禹丁. IBM拋磚“智慧的地球”[J]. 商務周刊，2009，（7）.

[6]劉志勇. 智慧服務—網絡時代圖書館員的嶄新職業理念[J]. 現代情報，2004，（2）.

[7]魏英敏. 倫理道德問題再認識[M]. 北京：北京大學出版社，1990.