一、物联网概述 物联网 （Internet of Things） 被称为继计算机、 互联网与移动通信网之后世界信息产业的第三次浪 潮，它代表了下一代信息发展的重要方向，被世界 各国当作应对国际金融危机、振兴经济的重点技术 领域。从2004 年开始，物联网相继被美国 （Smart Planet）、欧盟 （Internet of Things——An action plan for Europe）、日本 （U-Japan）、韩国 （U-Korea） 等 国家和区域性组织列为领先全球和振兴经济的基础 战略。我国也于2009年制定了“感知中国”的战略 性新兴产业规划，将其列为重点研究领域。国际电 信联盟 （International Telecommunication Union2005） 认 为：世界上所有物体都可以通过互联网主动进行 “交流”，无需人的干预。即在相关协议的支持下， 物联网可以借助各类信息传感设备，通过互联网实 现物品的自动识别、定位、追踪、监控以及信息的 互联与共享，是互联网的延伸和扩展。物联网的用 途极为广泛，涉及智能交通、文化教育、环境保 护、公共安全、平安家居等多个领域，将极大改变 我们的生活、工作和学习方式。例如环境方面，布 置“全球眼”远程监控湖泊水质变化情况；农业方 面，实时采集传感数据管理农业大棚并实现高幅增 产；家居方面，对家用电器异常自动报警处理等。
在教育领域，新课改提出“充分发挥信息技术 的优势，倡导学生自主、合作、探究的学习方式， 变革教学内容呈现方式、教师教学方式和师生互动 方式，为学生的学习和发展提供丰富多彩的教育环 境和有力的学习工具” 的要求，同时Web3.0、移动学习、泛在学习等更人性化、智能化学习理念的发 展，以及PDA等个人学习工具，IPV6、云计算、3G 通信、无线传感网等技术的兴起，都预示着物联网 在教育领域巨大的应用潜力。它能改善学习环境和 学习方式，借助信息技术更好地促进教育的跨越式 发展。同时，因校园安全、仪器设备、教务管理的 需要，有必要引入物联网相关技术进行校园管理， 以革新教学管理手段，提高管理效率和质量。
二、物联网的技术原理
信息采集是物联网的基础，目前主要采用传感 器和电子标签等方式完成。传感器用来感知采集点 的环境参数，电子标签用于对采集点的信息进行标 识，由此传感器和电子标签技术构成了物联网的两 种主要技术。当前两者有融合的趋势，如基于传感 器网络的超级RFID （Radio Frequency IDentification， 射频识别技术，又称电子标签） 系统，既继承了RFID利用射频信号自动识别目标的特性，又实现了 无线传感器网络主动感知与通信的功能，具有更广 泛的应用前景。
1.基于传感器技术的物联网
基于传感器技术的物联网又称为无线传感器网（Wireless Sensor Network，WSN）。传感器是一 种可以感知热、力、光、电、声、位移等信号，并 按一定规律将其变换成电信号等形式输出，以满足 信息的传输处理、存储显示、记录控制等要求的检 测装置。（王保云，2009） 无线传感器网络以各种方式 在被感知对象内部或者附近部署节点，通过自组织 方式实时感知、采集和处理网络覆盖区域中的信 息，并通过多跳网络将数据经接收器传送到远程控制中心进行操控。无线传感器网络易于部署，节点 廉价，灵活性、观察精度性和性价比较高；具有大 量冗余节点，部分节点失效后可自组织通信，不会 影响整个系统功能；具有计算能力，可以相互协 作；由节点层、服务层和客户层组成 （见图）
节点层由无线传感节点组成，和中继器、路由 器形成整个无线网络，用于采集、处理并传输数 据。服务层由接收节点及处理计算机组成，用于收 集并汇总各网络节点传输过来的数据，并以某种标 准形式（如XML）经网络发送给客户层, 等待进一步 应用处理。该层实现了前台硬件终端与后台应用程 序之间数据的交互。客户层主要是各种定制开发的 应用程序，负责从接收服务器获取数据后做进一步 处理，然后以最直观的形式显示给用户，并远程操 控无线节点。
基于传感器技术的物联网主要应用于采集类的 业务网，如对视频监控、环境监测网络的数据采 集，对冰箱、微波炉等家用电器的数据采集和适度 控制等。随着技术的不断成熟与硬件成本的降低， 其在教育领域的应用前景也不可忽视。
2.基于RFID技术的物联网
RFID 是 20 世纪 90 年代兴起的一种利用射频信 号通过空间耦合产生磁场实现无接触传递信息并将 信息用于自动识别的技术。（王保云，2009） 该类物联 网由EPC （Electronic Product Code，产品电子代码） 标签、阅读器、Savant 中间件、ONS （Object Naming Service，对象名解析服务） 和 EPCIS （EPC Information Service， 又 称 为 Physical MarkUp Lauguage Server，产品代码信息服务） 服务器组成。（EPCglobal，2004）EPC 标签可在远距离、不接触、多 标签、高速运动中穿透性反复读写，有很强的抗 水、抗油污能力和耐磨性，与阅读器组成RFID 系统，用于识别、跟踪和定位物体。Savant 中间件、 ONS服务器和PLM服务器组成信息网络系统，进行 信息的存储、查询和共享。工作流程如图
EPC 标签中含有物体的唯一标识码，因此可用EPC编号 匹配查询。根据射频标签是否有电源分为无源标签 和有源标签：无源标签的阅读器通过天线发送一定 频率的射频信号，贴有EPC标签的物品进入阅读器 阅读范围时会产生感应电流形成磁场，标签中信息 经调制以电磁波形式发送给阅读器，阅读器接收后 解调成数据信息。有源标签与无源标签的区别在于 它会主动向阅读器发送某一频率信号。阅读器将接 收的信息发送至Savant 中间件。Savant 中间件具有 数据读取、校验、传输和控制功能，能有效降低网 络负荷，将收到的EPC信息传递给本地EPCIS服务 器存储，并将EPC码转换为URI格式发送到ONS服 务器以供查询。Savant 中间件还为上层应用程序提 供服务接口，供应用层调用和处理数据。ONS的功能基于DNS （Domain Name Server，域名服务器）， 用于实现与本地产品对应的EPC信息服务地址的存储，并回应本地ONS查询以获取网络查询结果：本地ONS服务器把URI转换成合法DNS域名格式，从 本地ONS 缓存或网络 ONS 服务器中返回对应的 EPCIS 服务器或物品信息网页的网络地址给 Savant 应用程序以供调用。EPCIS服务器采用类似XML的 实体标记语言 （Physical MarkUp Language，PML） 存储物品的所有信息，如基本信息、位置状态等，以实现物品信息的采集和追踪。（焦宗东，2007）
基于RFID技术的物联网的主要应用领域有：物 流管理、门禁安防系统、电子支付、身份标识等。短距离、小规模的应用可使用本地应用程序服务器 实现ONS和EPCIS服务器的功能。这种模式减少了 技术的开发难度，应用也较广。
三、物联网在教育中的应用分析 通过传感器、
RFID技术的运用，物联网可将各种物件互联并实现智能化的数据传递和通信，完成 网络内物体的识别、管理和应用等操作。结合物联 网的教育应用现状及相关研究，物联网在教育领域 中的应用可分为课堂教学、课外学习和教育管理三 个方面，见下表。
表物联网教育应用分类
1.物联网支持课堂教学方面
实时教学测评：课堂互动反馈是教学中的重要 环节，有助于教师了解学生学习情况，调节教学进 程。传统教学中常采用察言观色、课堂提问或课堂 练习等方式来检验学生学习情况。这些方式存在猜 测成份较重、不能顾及全体、工作量大与反馈不及 时等问题。实时教学测评基于学生互动反馈系统 （Interactive Response System，IRS），（傅骞等，2010）通过学生手中的投票器 （多采用有源射频方式） 统 计学生投票、答题情况，在教师端得出可视化统计 图形，以便于分析结果、调整教学。实时教学测评 还可通过给学生佩戴传感器手表、眼镜等记录学生 的多重数据，如脑电图、血压、体温等生理信息及 眼动、手部轻微移动等运动信息，引入心理学相关 测试技术，得出学生的紧张程度、注意力状况、动 脑情况等。教师根据这些反馈信息调整教学，对典 型学生点名提问来发现问题，或对个别表现异常学 生进行辅导。（Zhang Wei，2008） 台湾Ben Chang等提 出基于传感器的学生手势识别技术及利用模式，利 用传感器根据学生的手动情况记录学生的投票答 案 ， 以 辅 助 各 类 学 习 活 动 。 麻 省 理 工 学 院 的Mobile-IT Education Classroom Applications 项目中，（Sung et al，2005） 学生配置由显示屏和3 个反馈按钮 （精彩、无聊和迷失） 组成的无线投票器，“迷失” 学生数量达到一定阀值时，教师显示器会闪烁红灯 报警。该设备也用于实施课堂问题的投票，帮助教 师修改教学计划和教学活动，从而进一步提高学生 注意力和参与度，促进学生间交流。教师也可因材 施教，定制教学并进行教学评价。
实验教学指导：实验教学可以帮助学生形成概 念，理解和巩固所学知识，培养观察、分析和解决 问题的能力，并掌握一些基本技能。实验操作中一 旦有误就会影响实验结果，可能导致部分学生失去 耐心而马虎应付、抄袭或猜测实验结论，或者因不 能发现问题而影响学生对后续实验的信心和兴趣。 同时，部分实验材料或仪器危险性较高，学生操作 不当可能会威胁生命安全。通过让学生佩戴传感器 手表等形式，教师可以记录学生实验过程，及时发 现错误并给予正确指导，避免实验过程中危险的发 生。教师还可以对各种实验器材标识数字化属性与 使用帮助信息，当实验器材使用不当时会自动启动 报警系统，学生也可通过手中的传感器向教师发送 信号请求指导。教师还可以进一步分析学生操作中 的典型性问题，以便后续教学。如在医科教学中， 传感器可记录学生的手眼协调能力，实时监控学生 动作是否符合规范，及时给出反馈；（King et al，2009）特殊教育中，传感器可以用于随时观测注意力 缺陷儿童的注意力状况，收集运动信号以训练感觉 运动失调儿童以矫正其动作。（Shu，2009） 教师借助 这种方式可以很好地提高指导效率、节约精力，促进学生的迁移学习。
丰富教学资源：很多自然科学学科需要大量的 实验数据。教学中常常可能因学生操作太过危险、 缺乏实验器材等原因导致学生不能亲自动手做而缺 乏感性认识，进而导致学习的枯燥和乏味，影响学 习的积极性。教师可将各类传感器安装在实验器材 上，通过远程控制这些实验器材来实时采集实验数 据（如温度、压强、液体浓度等），并将进行加工和 分析后的结果通过网络提供给实验者，学生只需通 过电脑等设备就能查看和分析数据。这样既保证了 实验数据的全面性、真实性和有效性，也实现了实 验教学的方式转变，增强了学生的学习兴趣，解决 了传统课堂教学资源有限的问题，节省了各类经费。
优化学习环境：学习环境 （如噪音、温度、光 线强度等） 可以从很大程度上影响学生的学习效 率。学校的教学环境、教学设施、教学活动会产生 大量噪音，美国、英国和澳大利亚等对噪音对学生 学习的影响进行了一系列研究，发现噪音不仅影响 学生听力，更会影响师生交流，对学生学习产生消 极影响，如学习注意力、阅读计算能力和整体学业成绩等，特别是对那些学习有困难、听力损失或用 非母语学习的儿童。教师也会因长期提高嗓门而导 致声带拉伤。在教室里布置传感器节点监测教室各 角落的噪音情况，一旦超过预警值则报警通知有关 部门处理，如对椅子等物品铺上毛毡垫以降低声反 射和混响时间。光线会影响学生视力，在教室里安 装光线传感器，可随时监控光线亮度并自动调节教 室内照明灯亮度和计算机屏幕亮度，根据室外光照 强度调整窗帘高度。传感器还可根据室内二氧化碳 浓度、温度自动调节通风情况和空调温度等。总 之，物联网可以给学生提供一个舒适的学习环境， 促进学生更好的学习。
2.物联网支持课外学习方面
课外研究性学习：课外教学活动可以使学生获 得直观的体验与真实的感受，激发学生学习兴趣， 拓展学生知识空间与视野，培养学生科学探究能 力。但学生外出采集数据存在安全、经费、时间安 排等一系列问题，因此实际操作难度较大。通过远 程实地布置和操控传感器节点，并将实验数据回送 的方式，教师可以拓展课外教学活动。这样一方面 可以节省实验经费，布置节点进行长期观测，使实 验数据更全面，研究更充分；另一方面也可以节省 学生的野外数据采集时间，降低活动的危险性，有 效缓解校外研究性学习与校内课堂教学的矛盾，有 利于跨学科研究。比如，我国北京、上海、台湾等 地区开展的基于物联网的“数字化微型气象站”在 科学教育中的应用。该项目在小学校内建立校园气 象观测站，将收集到的气象数据发送到校园气象台 网页上以实现数据与资源共享并进行科学教育。美国NSF 资助的面向 K12 师生的信息技术教育项目， 在海滩上部署多个不同的无线传感器节点 （气象、水质和视频传感器），通过WEB 网站呈现给 K12 师 生。（ANDERSON et al，2008；Liu，2008）
移动学习：移动学习 （M-Learning） 是一种在 移动计算设备的帮助下能够在任何时间、任何地点 开展的学习，其特点是使用的移动计算设备必须能 够 有 效 地 呈 现 学 习 内 容 ， 因 此 移 动 学 习 设 备 （PDA、TabletPC等） 在移动学习中极为重要。射频 识别技术的发展，使面对面学生之间的信息传输效 率更高，信息传送的移动性和灵活性大大增加；使 他们能够时刻互动、得到学习材料。无线传感器网 络具有自组织、低功耗、成本低等特点, 它的引入可 以大大改变移动学习中必须依靠昂贵、且待机时间 较短的PDA 的局面，增强了学习和交互过程的效 果。而移动学习设备带有的通信功能，可通过开发 数据处理模块读取各传感器数据实现。因此物联网可以构建移动的学习环境，通过使用连接点、基站 和RFID等相关技术，使移动学习设备连接到学习材 料并与其他学习者交流，将个性化学习和协作学习 结合起来，实现任何时候、任何地方的学习和互 动，促进新的学习活动或者主动学习模型的创建， 如集成各类学习工具的“无线电子书包系统”学习模 型。（Chang et al，2003）
泛在学习：泛在学习 （U-Learning） 是指任何 人可以在任何地方、任何时刻获取所需的任何信息 的一种学习方式。它与移动学习的区别在于学习的 终端设备由各类移动学习设备扩充为数码设备、多 媒体设备等各类智能设备，可以为学生学习提供更 为智能化、全面化的服务。在泛在学习的环境下， 学习支持服务将更加人性化，通过对学习者的相关 记录进行综合分析，为他们提供个性化的支持服 务，真正体现“以人为本”的理念。在物联网时 代，任何设备只要能够接入网络均能够实现智能化 操作。泛在学习的思想与物联网的核心思想不谋而 合，因此物联网能更好地支持泛在学习的实现。学 习者可以随时随地利用终端设备与网络连接，实现 任何时间、地点和任何人与资源的连接。泛在学习 系统可为学习者提供智能化学习服务，通过传感器 自动操控电子白板、电子教材等各类学习辅助工 具、智能化和尖端化设备来构建智能化无纸教室； 利用内藏电子标签或传感器的实验器材进行实验教 学；利用多媒体进行音乐教学；利用内藏计算机的 运动服进行适应性体育教学，使学习环境发生天翻 地覆的变化。（赵海兰，2007）
3.物联网支持教育管理方面
仪器设备管理：学校的大型会议设备、运动设 施、教学仪器等普遍存在着分布离散、管理难度 大、无专人管理和保养等情况。通过给各类设备粘 贴RFID 标签或传感器，分配专人管理，可以进行 统一管理和调度，有效防止仪器设备的丢失。当仪 器出现高温、断电等问题时，传感器可以自动报警 通知专人处理。实验室的灯光、空调等设备根据人 员进入或离开自动控制电源开关，并通过RFID 身 份识别卡安全放行与登记。包括沙迦大学在内的众 多阿联酋大学还采用RFID 技术来防止文凭伪造， 在颁发的学位证书中粘贴RFID 标签，以确保学位 证书的有效性并加快高校学生登记注册流程。（于海 娇，2009）
学生安全行踪及健康管理：学生安全行踪及健 康管理包括上下学及在校行踪通知服务、危险区域 管理服务和学校保健服务等。上下学行踪通知，使 家长可以通过手机或上网了解学生情况，有利于家校合作，避免学生去网吧、酒吧等不健康场所，确 保学生上下学安全。危险区域管理，即在地下停车 场、顶楼、施工场所和其他校园治安死角架设RFID读取器。当学生处于这些场所时识别出学生身份并 自动发出语音警示，并配合校方监视系统监视现场 状况进行处理。学生保健服务，即通过腕带式温度 感应标签感测学生体温，体温异常时发出警报通知 相关人员做即时健康管理及处置。物联网还可用于 辅助管理学生集体野外活动安全。学生通过佩戴“智 能定位”手表，老师可实时了解学生位置，当超出设 定的活动区域时将收到报警短信。台湾国立成功大学 郑宪宗教授（2009）主持了一项利用RFID技术为多重 障碍学童打造安全学习环境计划，（中央社讯息服务，2009）该系统具有上下学及在校行踪通知服务、学童 体温异常管理服务、危险区域管理服务、行动障碍协 助服务等4大特色。教师通过学童身上的RFID辨识 器，可即时追踪学童状况，预防危险发生。如当行动 障碍学生需要协助时，按下配戴的紧急求救钮，系统 就会通知校方人员前往处理。家长也可通过本系统得 知学童在学情况及学校对异常事件的处理情况，让家 长更放心。
学校安全管理：学校安全管理包括学校安全门 禁、学校安全访客、机动车管理和校园火灾报警管 理等。安全门禁包括短距离和远距离射频识别两 种。短距离射频识别门禁系统普遍适用于各高校， 如设立宿舍门禁系统。该系统可与学生一卡通绑 定，并辅助以录像监控有效识别和防范外来人员进 出。远距离射频识别技术主要用于中小学，因为中 小学学生自我保护意识差、刷卡有效性较差。这类 系统可结合手机短信服务平台和综合信息管理系 统。学生佩戴远距离无源感应卡，到达或离开校门 时附近的读卡器将该感应卡的卡号输出给学生平安 服务系统，并向学生父母发送学生到校或离校短 信。校园访客管理，如台湾成立的校园安全应用RFID技术协助学生安全建置计划中的访客机制管理 服务，即在教学区、学生宿舍等校园管制区域安 置多个感应节点，当外来人员进入时会自动语音 报警并通知安保人员及时处理。机动车管理，即 安装RFID 标签识别并控制机动车的进出，将停 靠时间、停车费缴纳、准确停靠地点等信息与管理平台及个人手机绑定，让机动车“自己说话”。校园火灾报警，即将各传感器节点密集分 布在检测区域内，监测自身周围温度和烟雾浓度 等参数，还可通过多节点协作将数据 （包括位置 信息和火势相关参数） 传送到管理控制中心， 以实现实时报警和准确定位。
数字化校园建设：物联网在数字化校园中的应 用遍及校园各领域，如校园一卡通服务、智能图书 馆建设、人员和设备管理等。将校园身份识别码芯 片集成在校园一卡通、个人手机中实现师生身份的 绑定，完成师生在校内学习、生活和工作的各项服 务，如统计学生出勤情况、教师上课情况和行政人 员的到岗情况，以提高管理水平和效率。云南昆明 学院开展的“校园手机一卡通工程”，在原有手机SIM卡芯片中集成无线射频 （RF） 模块。学生使用 这种特制的RFID-SIM 卡刷卡后即可完成身份识 别、消费支付和信息交互等功能，实现购物、借书 等校园活动。智能图书馆建设方面，随着各大高校 规模的不断扩大，其藏书量也在逐年增加，加之图 书存在归架错误等问题，传统图书条码查找的方式 会浪费大量时间。图书智能定位即在图书上贴有RFID标签，在馆藏范围设置多个阅读器，由阅读器 坐标确定图书的方位信息并传送给定位服务器，读 者和管理员用客户机或手机登录定位服务器查询图 书信息，也方便了新书上架、图书归架及乱架图书 的整理工作，提高了寻找丢失书籍和盘点文献资料 的效率。自助还书机设备是对粘贴有
