智慧校园设计的理论与技术基础研究

　　智慧校园是教育信息化的新的发展阶段，是一项长期的系统工程。目前，无论是国内还是国外，在智慧校园领域都还处于探索与创新的阶段，在实际应用中还面临很多问题，而且国内外对智慧校园的研究和总结并不多见。只有通过分析信息化建设的理论基础，研究信息化建设的技术基础，并将这些理论和技术融汇到高校智慧校园的设计之中，才能使智慧校园的设计更加的切实可行。

 

1　智慧校园设计的理论基础

1.1　诺兰模型理论

　　诺兰（Nolan）模型理论是信息系统发展的阶段性理论，如图1-1所示，它用于指导管理信息系统的建设，对于校园信息化建设也同样具有指导意义。 

 

　　诺兰模型阶段理论的具体内容如下：

　　第一阶段，初装阶段。买第一台计算机，并初步开发管理应用程序。

　　第二阶段，蔓延。信息系统向各部门孤立扩展，数据处理能力得到迅速发展， 出现许多新问题（如数据不一致、难以共享等），计算机使用效率不高。

　　第三阶段，控制。此阶段是计算机管理变为数据管理的关键。主要对组织机构中信息系统的数量与质量进行控制，但效益不理想，特点是成立了领导小组，统一规划客服无序，采用了数据库（DB）技术，信息系统呈现单点分散的特征，信息孤岛问题严重，影响了信息化建设的发展。

　　第四阶段，集成。在控制的基础上重新规划信息系统的建设，逐步改进原有系统，建立集中式数据库，努力整合现有信息系统。特点是建立集中式的DB及相应的IS，增加大量硬件，预算费用迅速增长。

　　第五阶段，数据管理。基本实现数据整合与信息共享，信息数据成为重要共享资源。开始设计开发为整个组织提供各种信息资源的信息管理平台，以实现逻辑数据库支持下的综合应用。

　　第六阶段，成熟。形成了完善的信息系统，能适应任何管理和技术的新变化，信息资源的利用更加高效，真正把IT和管理结合起来，为各个管理层次提供信息服务。信息系统与组织目标一致，从组织的事务处理到高层的管理与决策都能给予支持，使组织机构的竞争力和发展潜力得到提升。

　　高校信息化建设的发展历程遵循了诺兰模型的阶段性发展理念，它为智慧校园的建设，特别是智慧校园的设计提供了科学的理论依据。

1.2　企业系统规划法

　　BSP (企业系统规划法，Business System Planning)方法由IBM公司提出，用于帮助制定大型信息系统的规划，BSP的研究步骤如图1-2所示。

    

　　BSP方法的基本思路是：要求所建立的信息系统支持企业目标；表达所有管理层次的要求；向企业提供一致性信息；对组织机构的变革具有适应性实质。即把企业目标转化为信息系统战略的全过程。

　　同样，BSP方法也可以借鉴到高校信息化建设规划制定之中，满足高校智慧校园建设的需求。通过这种方法可以做到：确定出未来信息系统的总体结构，明确系统的子系统组成和开发子系统的先后顺序；对数据进行统一规划、管理和控制，明确各子系统之间的数据交换关系，保证信息的一致性。

　　企业系统规划法是从企业目标入手，逐步将企业目标转化为信息系统的目标和结构，从而更好地支持企业目标的实现。BSP的目标转化过程，如图1-3所示：

 

　　企业系统规划法的优点在于利用它能保证信息系统独立于企业的组织机构，使信息系统具有对环境变更的适应性。即使将来企业的组织机构或管理体制发生变化，信息系统的结构体系也不会受到太大的冲击。

1.3　体系框架法

　　体系框架方法是一种顶层设计方法，目前国内外信息化系统设计普遍采用这种方法，主要包括业务框架、信息系统框架、技术框架等，它通过图形的方式直观的实现对信息化系统顶层设计的理解。

　　体系框架法，是运用系统论的方法，统筹考虑项目各层次和各要素，统筹规划，通过对项目目标的充分理解，从全局的角度梳理核心流程，设计出信息系统的体系框架，在最高层次上寻求问题的解决之道。体系框架法是可实施、可操作的，是规划的具体化，是规划实现的具体手段，能有效促进资源的共享和信息的互联互通，集中有效资源，高效快捷地实现目标。

　　体系框架法可以广泛应用于信息化建设领域，是智慧校园建设的重要设计方法。智慧校园的建设是一项大工程，通过体系框架法可以从全局视觉出发，构建理念一致、结构统一、功能协调、资源共享、部件标准化的信息系统，改变信息系统建设各自为政的局面。

　　

2　智慧校园设计的技术基础

　　智慧校园的设计，要求建立信息交换与共享的跨业务、跨部门的统一信息平台，以实现应用的整合，并为将来信息服务的拓展提供支撑。

　　这样的系统运行在复杂的软件和硬件平台之上，对系统的体系构架有很高的要求。只有采用基于SOA的体系结构，才能够保证各类系统的完全集成，保证后续新系统、新功能和新应用的拓展。

2.1　SOA的体系结构

     SOA称为面向服务的体系结构，它是一种软件体系结构，也是一种组件模型，它将不同应用系统提供的不同服务，通过这些服务之间定义良好的接口和契约联系起来。它贯穿于业务服务的整个生命周期，将业务服务作为协调业务需求与信息系统的关键组织原则，允许不同系统之间相互交换数据，参与业务流程，而不需要去考虑这些系统所使用的编程语言、操作系统和硬件平台。

　　SOA结构有服务提供者、服务使用者、服务注册中心三种角色：服务请求者，发起服务请求并在服务注册中心查找所需的服务，然后绑定服务提供者，获得使用该服务；服务注册中心，为服务提供者注册发布的服务，为服务使用者提供搜索服务并进行授权；服务提供者，向服务注册中心注册自己的服务，并且对使用自身服务的请求进行服务功能的响应。SOA结构如图2-1所示。

         

　　基于SOA构架的智慧校园设计及实现的核心是建立SOA技术标准，在不改变学校各种应用底层架构的基础上，SOA可以很好地将不同厂家、不同运行环境、不同开发工具开发的不同应用系统中的数据和功能包装起来并纳入到新系统中。当多个运行在不同平台和技术下的系统需要相互通信时，SOA尤其适用，能够实现松散型、低耦合的集成，不同的信息系统可以相互调用功能服务。

2.2　SOA的技术标准

　　2.2.1　WEB服务

　　智慧校园系统的设计基于SOA的整体构架思想，采用WEB Services和XML的数据交换技术进行业务系统整合和集成支持。

　　WEB Services是SOA的实现平台。SOA服务的主要表现形式是WEB services即WEB服务， Web Services采用对象/组件技术、使用标准的Internet协议，具有比任何现有的对象技术更好的开放性。目前，WEB服务己成为SOA的主要技术。WEB services的描述语言WSDL，发现和集成协议UDDI，简单对象访问协议SOAP，构成了WEB services最基本的技术规范。WEB services的运行方式与SOA的设计思想也是基本类似的，WEB Services的结构,见图2-2。

　　服务提供者将其服务的描述信息WSDL发送到UDDI注册中心，WSDL文档提供了与WEB services进行交互的信息；服务使用者查询注册中心获得所要使用服务的WSDL文档；服务使用者向提供者发送请求消息SOAP，然后由服务提供者返回SOAP应答消息。

　　WEB services的技术规范WS2DL 、SOAP 和UDDI 都建立在XML（可扩展标记语言）基础之上，正是因为使用XML数据交互引擎，才能实现异构系统间数据的抽取、加载、发布和订阅，完成数据格式的转换，解决不同平台、不同数据结构和模式之间的差异，使原本复杂的数据层集成变得简单起来，使智慧校园应用集成在数据层上达成一致。

　　以Web Services技术进行互操作的可信整合与业务集的无缝集成，可以解决全局业务调用、集成，整合、个性服务等问题，实现业务协作与应用系统集成，使得所有的应用数据，可以通过Web Services技术相互进行调用，真正实现业务流互联互通、各类应用业务的集成与发展。

　　2.2.2　面向对象的组件技术

　　面向对象的组件技术，基于跨平台业界标准（Java、XML 等），开发环境完全独立于操作系统和硬件。面对对象的组件化设计提供了公用组件和应用组件等多种组件服务。应用组件基于对业务功能的抽象，并且可复用；公用组件提供独立的业务基础服务，例如服务引擎、工作流引擎、菜单管理引擎、消息引擎、格式转换、电子表单、个性化订制等。

　　以面向对象的组件技术提供的组件服务构建分布式应用系统，能够在异构环境下为不同设备上的应用提供互操作性，实现应用系统的无缝集成；同时，可插拔、可重用的组件使系统能轻易地组合或拆分其功能模块，提供了系统良好的可伸缩性，能够降低软件开发与再开发的成本，加快软件开发的速度。

　　面向对象的组件技术，将业务系统的运行模式和服务功能独立，使用更灵活的组件方式来提升系统的集成能力、提升面向未来的应用整合的综合支撑。

　　2.2.3　灵活的工作流技术

　　2.2.3.1　面向数据服务的工作流技术

　　提供在异构数据环境中的多种工作流自定义，实现各类业务系统基于业务规则，业务调度，业务处理的数据交换、管理和服务。并依据工作流的工作方式完成数据交换引擎对数据抽取和数据分发，实现业务系统非规范数据结构与公共数据库的标准数据结构的相互转换，所有的设计和实施过程脱离对数据库的深层操作，数据交换的脚本定义，为用户在全局数据环境的管理和服务等方面提供透明的运行模式。

　　2.2.3.2　面向业务服务的工作流技术

　　协同工作环境需要一个直观的，可视化的工作流设计环境，领导或决策人员对协同工作的工作流进行设计，查看和修改。针对其用户的特点，直接让其进行底层的控制显然不合适，所以需要一个专门的设计环境。

　　面向业务服务的工作流主要是解决流程类业务的需求和提供支撑。一个业务流程可能包括多个任务节点，每个任务节点需要有特定的执行人、填写必要的数据或者是由特定的程序进行自动处理。从学校组织结构的角度，每个流程可能在部门内部、部门之间进行流转；从学校业务角度，流程可能在系统内部流转，也可能跨越多个系统进行流转。制定合理、适用、灵活的工作流,要求在设计上，采用图形化的方式进行流程的定制，支持串行、并行、条件路由，支持循环和自循环等复杂流程设计，以XML提供工作流引擎调用数据交换服务，支持部门之间（包括同级部门和上下级部门）进行流程的协同运转；采用严格的权限控制，实现以业务数据表单流转，流程的监控以及异常情况的处理来控制业务处理的状态，完成提醒、代办、催办等服务；以人性化的服务特点实现手写签名、留痕等应用。

2.3　开发与运行结构

　　2.3.1　开发平台

　　J2EE (Java 2 Platform, Enterprise Edition)是一组技术规范与指南，是构建基础平台和整合应用建设的首选。J2EE所包含的各类服务架构、组件和技术层次，并遵循共同的规格和标准，被设计成专门用来解决多层式应用解决方案的开发、部署以及管理上的问题，让遵循J2EE构建的不同平台存在良好的兼容性，解决不同信息系统之间无法互通的问题。

　　J2EE使用多层的分布式应用模型，能够为不同的服务提供独立的层：客户层（client tier）在客户端机器上运行，包括Html页面，客户端应用程序支持HTTP协议；Web层（WEB tier）在J2EE应用服务器上运行，Web层组件主要指Jsp，Java servlet等WEB部件；业务层也称为企业组件层，在J2EE应用服务器上由EJB容器运行，支持EJB、JMS、JTA 等服务和技术，因此也叫EJB tier；企业信息系统层(EIS tier)，EIS的数据层主要特点是有数据库的支持，它在EIS服务器上运行，处理企业信息系统软件。J2EE典型四层结构，如图2-3所示:

         

　　J2EE是一种业界标准，它包含许多组件，支持XML Web Services标准，在满足新应用需求的前提下，可以充分利用用户的原有投资，保留用户原有的IT资产；因为与平台无关性的结构，使J2EE程序编写相对简单，能简化并且规范应用系统的开发与部署，进而提高系统开发的高效性；支持异构环境，基于J2EE开发的应用系统不依赖特定的硬件、中间件和操作系统，可部署到任何平台，极大的提高了系统的可移植性，以及再利用价值。

　　遵循J2EE规范的多层计算平台，可以有效地进行资源与服务的融合；简化应用系统的开发和运行维护，方便应用系统在框架体系上的技术延伸和服务延伸，符合智慧校园系统的开发要求。

　　2.3.2　运行结构

　　系统平台的开发和运行结构应基于后台数据库的三层架构，即Web应用服务器、中间件应用服务器和数据库服务器，任何应用服务器需要访问数据库服务都需要通过中间件应用服务器，并且根据需要可以把Web应用服务器、中间件应用服务器和数据库服务器部署在不同的VLAN 里，以加强安全性。

2.4　云计算技术

　　20世纪的60年代，美国科学家约翰·麦卡锡提出将计算能力作为公用事业，像水和电一样提供给用户，这一理念成为云计算思想的起源。随后信息技术领域又相继提出了分布式计算、公用计算、并行计算、效用计算、虚拟化、网络存储、负载均衡等一系列的面向服务的新理念和新技术，这些理念和技术都成为了云计算技术的重要支撑，云计算是这些计算机技术发展融合的产物。因此，云计算应具有如下核心特征：随时随地随需的自助服务；多人共享资源池；快速灵活的部署；服务可监控可量测；基于虚拟化技术减少用户终端的处理负担；降低用户对IT专业知识的依赖。由此可定义，云计算（cloud computing）是基于网络的一种计算方式，它通过网络按需向用户提供可动态升级和易扩展的虚拟化资源。

　　云计算有三种部署类型：公用云（Public Cloud）、私有云（Private Cloud）、混合云（Hybrid Cloud）。云计算部署模型，如图2-4所示。

        

　　云计算有三种服务模式：软件即服务(SaaS)、平台即服务(PaaS)、基础架构即服务(IaaS)。云计算的服务模式，见图2-5所示。

                    

　　云计算是继互联网之后全社会关注的热点，他将带来生活、生产方式和商业模式的根本性改变。当前，中国云计算产业尚处于导入和准备阶段，处于大规模爆发的前夕；同时，云计算的出现也为教育信息化的发展带来了新的机遇，云计算将在我国高校得到广泛的应用普及。通过服务器与存储资源的有机整合，能提供安全高效、简单灵活、可复用、可扩展的强大计算资源，形成实效化的云计算平台，使高校师生能够通过云计算平台提供的IaaS、PaaS和SaaS服务，创建、测试和部署学习、研究计划，不仅节省了资金的投入，而且能够提高教学与科研的工作效率。

2.5　物联网技术

　　2009年，中国物联网研究发展中心与CCSA“泛在网”工作组TC10成立，物联网受到了全社会极高的关注；与此同时，在无锡建立了“感知中国”中心，成立了中科院无锡传感网工程中心，并提出了“感知中国”的物联网发展理念，推动了物联网在中国的发展，业内人士认为，物联网将掀起全球的第三次信息产业革命。

　　物联网（internet of things IOT）是新一代信息技术的重要组成部分。其概念在2005年国际电信联盟发布的《ITU互联网报告2005：物联网》中被正式提出。 物联网就是物物相连的互联网，它利用射频自动识别（RFID）等各种信息传感设备，利用无线数据通信等技术，在互联网的基础上，构建一个覆盖一切事物的网络，物联网内的物品能够彼此进行“交流”，实时采集连接物体的信息，通过信息的传递和交换，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。物联网概念模型，如图2-6所示。

            

　　物联网的技术架构包括应用层、网络层和感知层。应用层是物联网和用户的接口，实现物联网的智能应用；网络层（也称为传输层）由各种网络和管理系统组成，负责传递和处理感知层获取的信息；感知层由各种传感设备和网关组成，包括RFID标签和读写器、温度传感器、二氧化碳浓度传感器、湿度传感器、摄像头、GPS、二维码标签等感知终端,主要作用是物体的识别、信息的采集和简单处理。物联网技术架构，如图2-7所示。

            

　　高校是科学研究的前沿阵地，物联网在高校中的研究与应用具有积极意义。高等学校通过对物联网技术的运用，能够有效降低能耗、提升效率、保障安全，物联网技术将在高校教学与管理中发挥巨大的作用，促进高等教育的变革。

 

3　结语

　　教育信息化领域智慧校园的构建还处于探索与创新的阶段，分析信息化相关理论与技术，并将其合理运用到高校信息化建设之中，为智慧校园的设计提供了科学的理论和技术基础。智慧校园将不仅停留在理念层面，即将逐步成为现实。智慧校园理论的研究将为学校信息化后续的建设和发展打下坚实的基础，提供可持续发展的保障。