未來的學校會是什麼樣子？
技術進步很快；然而，許多校園仍然像以往一樣「未連接」，因此，今天的校園環境面臨著許多挑戰，如圖 1 所示）。為了克服這些挑戰，某些技術在校園環境中變得極為重要，可以在學生和教師之間創建更好的協作平台。降低成本和改善學生體驗是在校園計劃中採用許多技術，以使校園安全、可靠和綠色的根本驅動力。
因此，校園網需要具備動態增減某些業務的能力；能夠以即插即用的方式，輕鬆連接和配置感測器和執行器，能夠以更大的連接性擴展校園網路，以實現更多智慧服務；根據流量波動管理校園數據流量，並動態強化某些關鍵政策，為學生、研究學者和教職員工提供更好的體驗。
本報導目的在以 EDGE 的概念（圖 2）的智慧校園關鍵技術方面，提供專家觀點，促進學生、研究學者和教職員工的智慧學習、智慧安全和保障，以及永續生活，透過富有成效的應用，促進改進學習技術、改進的參與度、所有權和創業技能，為他們在未來的職業生涯中，取得更大的成功奠定了基礎。智慧校園是許多教育機構的一個不斷發展的概念，也是任何高等教育機構的重要組成部分，不僅可以提供增強的學習體驗，還可以有效地管理校園運營，例如 建築維護、節能、監控、停車和環境污染，以長期節省時間、成本和寶貴資源。
全球主要大學正在經歷數位化轉型，致力於將其現有的生態系統，遷移到工業物聯網的系統中，以提高營運效率和安全性。大學校園應具有多種用途，例如提供綜合環境、學習和生活。校園維護團隊需要幫助，來監控整個校園營運，並降低某些日常營運、停機時間和被動維護的複雜性。
下面列出了「智慧校園」的一些關鍵組成部分：-
- 校園周邊街道和建築物各子系統的電力/能源管理
- 透過分析電力系統上的即時負載，來監控電網中的每個點，以檢測潛在故障並減少每月賬單。
- 地下校園基礎設施（電氣/網路佈線、水管）的數位地圖，用於快速追蹤關鍵問題，以避免對現有服務造成任何重大損害
- 智慧建築和整個校園的監控和管理，具有自動化的安全控制和事件監控，例如：
- 學生在校園內的不當行為
- 雨季樹木倒下
- 火災和事故
- 學生使用大學校車的互聯交通機制
- 追蹤電動汽車/非電動汽車車隊、充電效率和監測利用率的機制
- 使用 GPS 追蹤巴士
- 從安全的角度監控校園內外的速度
- 檢測化學實驗室的氣體洩漏
- 垃圾自動處理（垃圾箱管理）
- 關鍵資產追蹤
- 具有高效電源管理的自動路燈系統
- 無污染環境
- 監測校園的碳足跡和空氣品質
- 透過日常工作的影像監控有效利用人力和資源
- 電力變壓器、電動機、柴油發電機等各種設備的預測性維護
- 學生和老年教師的保護和預防保健系統
- 人行道上的再生系統（即發電，當學生/員工/工人走在校園內各自的人行道上時）
- 對進入圖書館的使用者進行身份驗證，回覆他們的查詢，使用位置的服務定位書籍，並透過在學生/教師智慧手機上，提供相應的位置詳細資訊
- 廢水管理，以預防直接和間接傳染病
- 校園專案治理和向關鍵管理利益相關者報告
- 學生和教職員工之間更好的無線/網路連接和通信，以進行工作協作
- 設備和工作人員之間的連接（例如：智慧夾克）帶來新體驗，並提高營運效率
- 校園內所有建築物的雨水收集，以增強蓄水能力
- 帶有定時器控制的灑水，用於園藝系統中的高效水管理
- 帶流量控制器機構的架空水罐車，無需人為干預
- 使用啟用了 RFID 的學生身份證的自行車碼頭（即自行車共享系統）
- 面向學生的智慧導航佈告欄
- 食堂的食品品質監測和廢棄物管理
- 智慧停車
- 用於教室/路燈的基於太陽能電池板的能源生產/管理/分配
- 檢測不同的聲音，例如玻璃破碎，以提醒校園安全並減少盜竊。
- 在線上預訂設施（例如，教室、禮堂、賓館和圖書館）
儘管某些大學中存在一些安全方面的突出應用，但是發現的限制是基於安全的生態系統，如門禁控制系統、入侵警報、緊急按鈕和影像監控，是這些系統與彼此。智慧校園設計，可以將這些不同的安全技術，整合到一個統一的系統中，從而創建整合的安全和保全服務。照明、監控、火災和緊急警報，以及智慧身份證等多種服務，應該共同努力，做出自動化的即時決策，讓校園裡的每個人都更安全。隨著新興技術極大地改變我們的生活方式，智慧校園設計應該能夠透過將大學的環境、安全系統、停車場、建築、照明和教室，整合到一個智慧環境中，來提供更好的生活方式，具有智慧安全、智慧樓宇、智慧停車、智慧照明、智慧教室等。
這通過提高安全性和提供更智慧的服務，為學生、研究學者和工作人員創造價值，從而增加校園的吸引力，並明確定位為綠色環境/永續生活的大使。
邊緣案例
快速瀏覽此類解決方案，所採用的架構方法顯示，當今校園內發生的大多數物聯網網路佈署，都是圍繞集中式架構設計的 —— 基於雲的模式，其中安裝在校園中的感測器節點等輸入源，傳輸從實體環境，到由第三方服務提供商託管，在校園網路之外的公有雲平台。所有這些傳輸的數據，都在公有雲平台上的一個位置，進行處理和儲存，這有助於簡化數據管理和後處理過程。但是，這種基於雲的方法的缺點，是需要從校園網路的各個感測器節點和 Gateway，透過網路，向雲平台傳輸大量數據，增加了數據流量，從而限制了網路頻寬，並導致更高的延遲。
在雲平台上處理物聯網數據，專門用於防盜、火災和事故等對時間敏感的校園應用，並不是一種有效的解決方案。校園網每天都會產生海量的數據。並且在更大的校園環境中，佈署了數千個感測器，這顯然會導致更高的網路頻寬、延遲 ，並且需要更多的數據儲存，來處理如此大量的數據。事實上，一些生成的數據可以在源本身（即邊緣感測器節點）被忽略，並且不需要傳輸到雲端。例如，今天佈署在校園和建築物中的監控系統中 98% 的影像源是看不見的；因此，95% 的事件都被遺漏了。
因此，架構方法必須滿足校園網路設計要求，如低延遲、快速數據處理、更好的能源效率、零接觸設備配置、數據安全和降低成本。為了應對其中的一些挑戰，本文提出的智慧校園方法基於邊緣概念，如圖 3 所示，涵蓋邊緣感測器節點、邊緣 Gateway 和邊緣雲。建設智慧校園需要模組化設計方法，以及在邊緣卸載許多雲功能。
隨著校園連接到第三方以提供各種服務，保護大學的專有資訊和其他關鍵機構資產變得更加困難，滿足監管要求也變得更加複雜。因此，智慧校園方法應該有一個整合的網路安全管理框架，以便更好地讓網路基礎設施，辨識威脅和漏洞，並實施網路安全解決方案，以管理攻擊和風險。網路安全能力，應該是智慧校園框架的一個組成部分，遵守一定的監管標準，以建立更好的安全生態系統，並透過保護學生和整個校園網路基礎設施免受攻擊，為學生和整個校園網路基礎設施提供安全服務。
因此，需要解決校園網路設計要求，例如低延遲、快速數據處理、更好的能源效率、零接觸設備配置、數據安全和降低成本。為了應對其中的一些挑戰，智慧校園考慮的方法基於邊緣概念，如圖 2 所示，涵蓋邊緣感測器節點、邊緣 Gateway 和邊緣雲。建設智慧校園需要模組化設計方法，以及在邊緣卸載許多雲功能。
隨著校園連接到第三方，以提供各種服務，保護大學的專有資訊，和其他關鍵機構資產變得更加困難，滿足監管要求也變得更加複雜。因此，智慧校園方法應該有一個整合的網路安全管理框架，以便更好地讓網路基礎設施，能辨識威脅和漏洞，並實施網路安全解決方案管理攻擊和風險。網路安全能力，應該是智慧校園框架的一個組成部分，遵守一定的監管標準，以建立更好的安全生態系統，並透過保護學生和整個校園網路基礎設施免受攻擊，為學生和整個校園網路基礎設施，提供安全服務。
為了解決圍繞互連和交叉不同技術，和協議的連接性和互操作性挑戰的安全性，智慧園區必須在整個端到端生態系統中，具有互操作性。需要一個邊緣 Gateway，來解決南向介面上的所有連接挑戰，並且該邊緣 Gateway 的設計應該與協議無關——允許它與使用不同無線技術（如 Wi-Fi、thread）的不同邊緣感測器節點，進行通信、RFID、BLE、Zigbee 和 LoRa，用於管理校園營運，並使用不同的中間件協議，如 CoAP（約束應用協議）、ONVIF（開放網路影像介面論壇）、MQTT（消息隊列遙測傳輸）和 SIP（ 會話發起協議），以及 RTSP/RTP/RTCP、HLS、HTTP-PD、MPEG-X 等串流協議 DASH 處理，用於管理校園活動的任何可能的用例組合。
為智慧校園確定的技術應易於連接、即插即用，儘管物聯網市場目前缺乏標準支持，但易於使用和無縫交互。Edge 概念還提高了新興連接設備，和舊舊設備之間的互操作性水準。它將舊系統使用的通信協議，轉換為新設計的連接設備可以理解的語言。基於 Edge 的智慧校園的互操作性，是提高營運效率的關鍵，並且可以實現無差錯傳輸和翻譯。
為了解決圍繞互連和交叉不同技術，和協議的連接性和互操作性挑戰的安全性，智慧校園必須在整個端到端生態系統中，具有互操作性。需要一個邊緣 Gateway 來解決南向接口上的所有連接挑戰，並且該邊緣 Gateway 的設計，應該與協議無關——允許它與使用不同無線技術（如Wi-Fi、Thread）的不同邊緣感測器節點，進行通信、RFID、BLE、Zigbee 和 LoRa 用於管理校園營運，並使用不同的中間件協議，如CoAP（約束應用協議）、ONVIF（開放網錄影像介面論壇）、MQTT（消息隊列遙測傳輸）和 SIP（ 會話啟動協議），以及 RTSP/RTP 等流協議/ RTCP、HLS、HTTP-PD、MPEG-DASH，來處理管理校園活動的應用案例的任何可能組合。
為智慧校園確定的技術應易於連接，即插即用儘管物聯網市場目前缺乏標準支持，但易於使用和無縫交互。Edge 概念還提高了新興連接設備和舊設備之間的互操作性水準。它將舊系統使用的通信協議轉換，為新設計的連接設備可以理解的語言。基於 Edge 的智能校園的互操作性，是提高營運效率的關鍵，並且可以實現無差錯傳輸和翻譯。
如圖 4 所示，創建基於邊緣概念的智慧校園解決方案設計需要四個核心組件：
- 邊緣感測器節點
- 邊緣 Gateway
- 邊緣雲
- 基於 React Native 框架的行動/Web 應用——即跨平台方法
園區需要邊緣架構背後的關鍵原則，是無縫管理和控制不同 OEM 製造的各種技術，以提供數位和智慧服務，其中邊緣作為中心點，提供以下之間的連接：
- 基於 Zigbee、Wi-Fi、 RFID 和 LoRa 技術的邊緣感測器節點，與邊緣 Gateway 進行通信，涵蓋：
- LoRa 上的 HVAC（加熱、冷卻、氣流監測、新鮮空氣進氣管理等）
- LoRa 上的門（打開、關閉、鎖定、卡門檢測等）
- Zigbee 上的燈（開/關、調光、日/夜設置實施等）
- 用於備用電源的電池（透過 LoRa 收集的充電/放電監控詳細資訊）
- 邊緣雲透過 Wi-Fi /乙太網與多個邊緣 Gateway，以及其他類型的邊緣節點連接，以在校園內進行快速數據處理和設備管理 OTA
- 監控攝影機作為 Wi-Fi 上的邊緣無線節點（用於盜竊、擁擠區域等）
- Wi-Fi 上的數位看板（橫幅廣告和產品建議）
- 透過 Wi-Fi 進行校園導航的增強現實
- 透過 Wi-Fi 連接的學生手機，用於查看 LMS（圖書館管理系統）並接收重要的緊急警報
有效利用資源、優化成本、改善學習體驗，以及對綠色環保、安全、可靠校園的願景，是建設智慧永續校園的技術干預的根本驅動力。如今，智慧永續校園已成為工業物聯網行業的新興趨勢，不僅需要在校園內開發有線和無線基礎設施，還需要啟用和佈署能夠支持多種、可擴展（邊緣）的新服務-based) 和可互操作的（跨系統）應用。為了實現下一代智慧永續校園的願景，圍繞新興技術的產學研合作，如 5G、邊緣運算、數據分析、人工智慧、機器學習、LoRa 和其他支持中間件協議/框架可以得到有效利用，為學生和研究學者，提供共同創造創新解決方案和服務的機會。啟用基於邊緣的解決方案作為智慧永續校園生態系統的橫向架構，將導致創建各種新服務，並改進許多已經存在的服務。
很棒的文章，提供完整的邊緣預算的導論。
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