时间：2022-12-29 19:01:38
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[论文摘要]无线传感器网络研究具有重大的科学意义及应用前景。协作技术是其重要组成部分。通过介绍无线传感器网络协作技术,对协作技术研究中的一些热点问题进行分析,展望无线传感器网络协作技术研究中一些很有前景的研究方向。
一、引言
无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)包含大量智能传感节点,分布在大范围地理区域内,近似实时地监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的数据,并对数据进行处理,获得详尽准确的信息传送给用户。WSN以其监测精度高、布设灵活性强、造价低廉等特点,在军事侦察、工业控制、交通监管、环境监测等领域具有非常广阔的应用前景[1]。
由于单个传感器节点的通信、处理和感知能力有限,无法处理大规模复杂问题,多数情况下不能获取网络全局信息,传感节点要求具有协同通信功能。WSN的协同主要是指资源的协同、任务的协同、信号与信息的协同。资源的协同和信号与信息的协同从根本上是为任务协同服务的[2]。本文通过对协作技术研究中的一些热点问题进行分析,展望无线传感器网络协作技术研究中一些很有前景的研究方向。
二、无线传感器网络协作技术研究热点
(一)协作任务描述
任务描述是任务协同的基础,任务描述能力直接影响任务分配系统的复杂性。WSN的任务描述涉及两方面的内容,即对任务功能进行描述和对参与任务的节点进行描述。根据WSN的特点,感知任务可以从面向应用和面向任务分配两个角度加以描述。
文献[3]分析比较了当前具有代表性的几种无线传感器网络任务描述方式,如有向无环图、抽象任务图、基于角色的任务图、类SQL查询语言描述等。目前并没有一种任务描述方式能同时从两个角度出发有效地对任务进行描述。
(二)协作信号处理
协作信号信息处理协作信号信息处理(collaborative signal and informasion processing,CSIP)技术。文献[4]描述了CSIP针对WSN网络的特点,在数据表达、存储、传输和处理等方面研究新的方法和算法来满足应用对信息精度、网络节能、低延迟、可扩展和高可靠的要求。
文献[5]分析WSN的特点和CSIP的需求,讨论它的一般流程和主要处理模式,接着结合功能框架,归纳并总结目前已有的主要方法。CSIP基于节点间的协商和合作,选择合适的传感节点参与协作,平衡节点个体和网络整体在协作过程中的信息收益和资源代价,解决网络信息处理中的驱动机制、节点选择、处理地点、时机和算法等问题。
(三)协作时间同步
无线传感器网络的应用通常需要一个适应性比较好的时间同步服务,以保证数据的一致性和协调性。时间同步是同步分布式数据感知和控制所必需的。在无线传感器网络中协调、通信、安全、电源管理和分布式登陆等,都依赖于现有的全局时间。
文献[6]提出了协作时间同步同步的概念。协作同步原理如下:如果时间基准节点按照相等的时间问隔发出多个同步脉冲,其周围单跳节点接收后依据这一系列个脉冲的发送时刻估算出时间基准节点的下一个脉冲发送时刻,并在该时刻同时发出同步脉冲。此脉冲信号会扩散至周围单跳节点。如此重复下去,最终网内所有节点都会同时发出同步脉冲,即达到了同步状态。
(四)MAS协作
多Agent系统(Multi-agent System,MAS)是分布式人工智能的重要研究领域,agent可以定义为具有目标、知识和能力的软件或硬件实体,能力包括感知、行动、推理、学习、通信和协作等。
agent利用局部信息进行自主规划,通过规划推理解决局部冲突以实现协作,进而实现系统整体目标。Agent体系结构、交互语言、协商策略研究较为成熟,并且与WSN具有很多相似性。因此,可以考虑在WSN协作中引入agent。
文献[7]提出了一种WSN中基于P2P的多agent数据传输和汇总系统架构。此构架包括接口agent、查询agent、路由agent及数据采集agent。接口agent与用户交互,路由agent负责能源效率的数据传输。查询agent为agent与路由agent之间的协作提供便利的接口,并负责建立优化计划,以实现其预定目标。接口agent和查询agent放置在资源丰富的基站,因为它们需要计算密集操作。数据采集agent负责采集,筛选和格式化传感器的数据。提供MAS架构和设计,使它们在WSNs中能够协调和沟通,彼此之间相互传输和汇总数据。
三、总结与展望
随着WSN商业应用越来越广泛,WSN研究面临的挑战也日益严峻。单个的能源、功率、功能均受限的传感器节点需要协作完成任务。针对传感器间的协作技术的研究也日益受到重视。目前的协作研究仅仅局限在一些具体问题上,尚未形成通用方法。本文分析WSN协作研究还是很有前景的。
参考文献:
[1]孙利民、李中建、陈渝等,无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.
[2]于海斌、曾鹏,智能无线传感器网络系统[M].北京:科学出版社,2006:212-222.
[3]谷建华、沈沉、彭力静、李志刚,基于无线传感器网络任务描述方式的研究与比较,计算机应用研究,2008,25(5):1292-1294.
[4]Ku ma r S,Zhao F,Shepherd D.Collaborative signal and informasion,processing in mier-esensor networks[J].IEEE Signal Processing Magazine,2002,19(2):13-l4.
[5]史浩山,杨少军,侯蓉晖,无线传感器网络协作信号信息处理技术研究,信息与控制,2006,35(2):225-232.
【关键词】中小学；数字化校园模型；轻量级
【中图分类号】G40-057 【文献标识码】A 【论文编号】1009―8097（2011）02―0057―05
一 中国现阶段的中小学数字化校园建设状况
高等教育领域的数字化校园经过了二十年的发展，无论是项目建设经验、实现技术，还是管理策略、发展趋向等多个方面都已经有了丰硕的研究成果和实践成果。各大高校也纷纷投入大量资金和人力，推进自己的数字化校园建设。越来越多的用于支撑校内数字化管理运作和各种信息服务的管理系统上线，如学生工作管理、人事管理、本科生教务管理、研究生管理、财务管理、学生收费管理、一卡通管理、科研管理、基建管理、房产管理、党团管理、办公自动化、信息门户等等。由于高校数字化校园的发展走上了正轨，国内已经形成了一套国家级的数据标准。而且，各高校也在国家标准的基础上发展面向自己学校的数字化校园数据标准[1]。
相比之下，中小学的数字化校园建设起步较晚。不过，10年来中小学数字化校园也有很大的发展。“校校通”工程于2000年10月25日召开的全国中小学信息技术教育工作会议，是我国基础教育信息化的一个里程碑。自此10年，中小学数字化校园的建设进入了蓬勃发展时期。截至 2007 年底，普通高中连网率接近100%，初中学校连网率达到80%以上。 其中，城市初中学校连网率达到90%以上，农村初中学校达到70%以上，小学连网率达到70%以上，基本满足了中小学信息化教学需求。信息化基础设施建设取得显著进展[2]。随着信息化基础设施建设的逐步普及和完善，很多学校的信息化建设进入了转型期。很多的学校都遇到了如下的一些问题[3]。比如，缺乏整体规划，盲目投资；重视硬件设施建设，忽视软件建设及应用；应用分散、信息孤岛；教师的信息技术素养尚待提高等等。在缺乏科学的建设模型的情况下，很多学校的数字化建设变得无所适从，“该往哪个方向走”是很多学校数字化校园建设的头痛问题。有的直接借用大学的系统，出现使用困难的问题；有的建设了多批的信息系统，又出现功能冗余严重的问题；有的在使用不同公司的产品的过程中又发生数据兼容的问题。这样一来，虽然投入了大量资金，但是所得绩效收效不大[4] [5]。
二 面向中小学的轻量级数字化校园建设模型
虽然高校的数字化校园建设有成熟的模式和成功的案例，但不能简单地照搬到中小学数字化校园建设中。因为高校和中小学还是有一定差异的。首先是办学规模，办学规模的大小决定了用户数量的差异，大学全校的师生都是以万级计算、学院多、专业多、管理部门庞大；而一所中小学的老师学生加起来也只能是按千级计算，只有部分特别大规模的中学会超万人，管理部门也非常小，有的小学甚至才50多个老师。再有是资源差异，高校拥有雄厚的资金、强大的技术团队；大多数中小学不可能拥有庞大的资金进行浩大的工程和探索性的建设。而且，学校的信息化技术负责老师通常还只是由信息技术教学的老师兼任。
但是，高校和中小学的数字化校园性质是一样的，就是面向教育管理信息化。所以，在某些建设理念上，是可以借鉴高校数字化校园的。为此，我们借鉴高校数字化校园模型[6]，定义中小学数字化校园建设模型，如表1：
可以从三个方面理解该模型。其一，是构成内容。在此模型里面，我们把数字化校园的建设结构划分成三个方面的内容：硬环境建设、软环境建设和管理与文化建设，每个方面里面都包含了相应的系统或者模块。
在硬环境建设方面，学校大多已完成大部分的模块，如果资金条件比较充裕的学校可以考虑配套校园一卡通系统。
在软环境建设中，我们划分其为三个子部分，包括数字化协同交流、数字化教学和数字化管理。中小学的协同交流除了包括校内工作上的协同交流，同时还包括学校与家长、学生之间的交流。在数字化教学里面，教学资源积累是当前很多学校正在努力的方面。我们需要用平台把这些资源有序的组织和管理起来，而且校校之间教学资源平台能够互通和共享，把资源的利用价值最大化。学生在线学习平台有利于辅助学生进行课后学习和课余知识拓展。数字化教学除了有面向学生的部分，还需要有面对教师的部分，通过教育技术培训与学习平台可以对教师进行校本培训、协助教师解决疑难问题，提高教师的信息化水平，提高教学质量。数字化管理是数字化校园里面很大比重的一块，其目的是希望通过信息技术提高学校的管理水平，所有模块贯穿学校管理中学生、教师、教务、校产、财务、图书馆、科研、实验、档案和后勤多个方面，如表2。
学校的统一门户、统一认证目的在于把学校里面不同的异构的系统进行整合，使得用户用一个账号就可以方便在门户里面使用不同的系统或者资源，所有的信息都整合到门户、教师工作台，便于用户使用学校内的各种资源。
其二，数字化校园不仅仅是一个平台、一套软件，还是一个学校的管理策略。要实现数字化校园的可持续发展，我们需要进行管理与文化的建设，促进数字化校园的不断完善，提高学校信息化的气氛。所以，我们提出需要建立一系列的制度，包括规划如何发展，建立数字化校园的绩效评估制度，建立多维的安全体系，对数字化校园的建设进行分责、落到实处，建立考核和培训制度，提高学校人员包括教师、学生和家长的信息化水平。
其三，该模型在高校的应用中，可能每个小块都会建成一个业务复杂、架构庞大的系统；但是中小学未必需要这样建设，而应该更注重以精为先，着重灵活，适合以轻量级的“模块”逐个上线。同时，此模型并非要求学校都一定要完全的实现以上的模块或者一次性的实现以上的所有模块，也不是非要按照从低到高的顺序进行建设。由于每所学校都会有自己的特色和文化，因此也可以为建设的顺序列一个优先级，比如在数字化管理里面，学生管理、教师管理和教务管理是学校的首要任务，可以优先建设。一般来说，大部分的中小学都跟大学的情况有所不一样，他们没有强大的技术团队，能投入的建设资金也有限，跟大学百万级甚至千万级的投入是无法比的。所以，建议不同的学校可以摸索自己的建设方式，包括多使用开源技术和开源产品。高校的建设中出于对服务保障的考虑，还未能全面放心使用开源软件。但中小学可以勇敢尝试，这样一方面减低了成本，也便于学校负责网管的老师有充分的社会技术支持。在数字化协同方面，中小学相比高校应该增加对家庭、家长方面的协同交流部分。
三 东莞某小学的实践案例
1 A小学的信息化现状分析
A小学是一所典型的珠三角地区小学。经过近几年的努力，该校在硬件环境方面取得了一定的成绩，配置了一网通/D时代多媒体综合校园网，实现了计算机局域网、双向电视教学网、智能广播网和数字监控网的数字化多网合一。并按15教学班配置了全数字多网合一多媒体教学终端，初步实现了教育手段的现代化。同时，该校也建设了一批信息化应用系统。比如班级管理平台、家庭教育网、后勤报障系统等（如表3）。但是，随着建设“量”的积累，学校的信息化也出现了一系列的问题与瓶颈，并有“质”的提高的需求。
其一，学校使用腾讯通作为校内协同通信的软件，校内的老师上班的时候都会启用腾讯通1。并且，他们通过腾讯通把校内的各个信息系统进程整合集成，把腾讯通扩展成老师的集成的工作台。可是，在这个过程中也遇到了不少的困难，比如腾讯通作为一种C/S架构的通信软件，在与Web的交互上显得非常吃力。同时，腾讯公司的二次开发接口也是有一定限制的，不能完全实现学校的需求。而且学校的已建系统都由不同的公司、不同技术框架来实现，建设的历史时期也各不相同。有的是C/S架构的软件、有的是基于B/S的系统；有的是PHP开发的，有的是ASP开发的。有的是用Acess数据库，有的又是用MS SqlServer。部分系统仅是一个基本的静态网站，并非真正的动态业务系统。这些异构的系统要在腾讯通上做整合以及实现单点登录是不可能的。
其二，A小学虽然建设了相对现代化的信息化设备与环境，但是教师的教育技术水平的慢于信息化的步伐。老师们还未能充分的应用这些新资源、新技术到教学工作中。
最突出的问题是，学校虽然知道需要建设更加多的业务系统来贯穿校园的管理流程，但是应该建什么、如何建、实施策略是如何，缺乏科学的统一规划。
根据对A小学的调研与分析，学校信息化主要存在如下一些的问题和需求。而这些问题就是当前中国中小学信息化所遇到的普遍问题，具有普遍的意义。
第一，学校从信息化的硬环境建设转型到软环境的建设过程中，没有明确的发展目标，缺乏科学指引。学校十分渴望加强信息系统建设，用于支撑校内的管理业务。但是需要建什么系统、应该建立什么系统、如何配套系统没有明确的规划。致使部分已建系统的一些业务功能重叠。
第二，学校信息系统的建设缺乏整体规划。学校已经建了多套应用系统，但是由于是多个不同的公司在不同时期建设，所用的技术框架都不一样。通常有多套用户系统并存。致使一个用户登录校内不同的系统需要多套用户密码。
第三，学校的资金有限，不能购买大型软件系统，也不能长期让公司外包建设校内的信息系统。学校希望能建立自己的技术力量，发展面向本校的数字化校园环境。
第四，学校已经初具完备的数字化校园环境，支撑学校的现代教育技术发展。但是，由于师资水平有限，学校缺乏提高校内老师发展自身现代教育技术的平台。对于如何充分使用校内的现代教育技术资源，如何解决课件制作中遇到的问题，缺乏指引，没有充分发挥数字化校园的效益。
2 面向中小学轻量级的数字化校园建设的解决方案
针对A小学的具体情况，基于前面提出的模型，我们设计了一个轻量级数字化校园建设解决方案，如图1。
首先，是在数字化管理方面。我们规划了数字化管理的校务系统平台，在此平台上逐步上线各管理模块，包括OA办公、协同邮件、教务管理、学生管理等。当所有这些模块都上线运行后，实现校长综合管理的功能，并实现移动办公的功能，使得校长能随时了解校内运作的情况和数据。
其次，是在数字化教学方面。Moodle(魔灯) [7]是流行的在线教学平台[8]，很多教育技术研究者和教师都组织了相关的俱乐部，一起学习和研究如何把平台更好的运用到教学里面。
学校原来是使用简单的FTP技术来实现校内资源共享的，我们则规划学校装配一套教学资源平台，更加有效科学的管理学校的数字化教学资源。
校园帮助台是一个面向问题的知识库，里面不但存放了教师制作课件的问题教程、如何使用校内数字化资源的指南、学校管理政策指引，还增加面向学生的学习和生活的常见问题，还包括家长在家庭教育方面的常见问题。当所问的问题没有答案，系统管理员和相关负责的老师会对问题进行整理和回答。此平台一方面帮助老师提高教育技术水平，另一方面服务了学生和家长。校园帮助台的实现方案也有很多选择，比如wiki系统、phpMyFAQ[9]系统、helpdesk等等。
然后，是在数字化协同交流。UcenterHome[10]是国内一个SNS社交活动平台，它能够帮助实现教师的个人空间主页，班级的的空间主页学生的个人空间主页和家长的空间主页，提供的很好的交流平台，可以起到增强教师与学生、家长之间的沟通和交互。在校内协同工作和邮件服务方面，我们采用国际流行Zimbra[11]协同工作平台，它能够实现多人的文件共享，协同编辑、即时通讯和邮件服务等功能。
再有，一所学校除了学校的主页，其实还会陆续有建立其他专题网站的需要，比如，党建网站、特殊活动主题网站等。在我们的方案里，是采用开源的CMS平台来帮助学校建立一系列的网站。这种方式能够帮助学校在人力紧张的情况下，快速的创建完整的网站，帮助学校拓展校园文化、提高学校形象的对外信息开放。现在，国内外有很多开源的CMS方案，比如Joomla[12]和Magnolia[13]等。
最后，是全面整合。学校本身已经有一些信息系统在运行，又加上了我们规划建设的模块。需要对所有这些异构的系统进行整合。我们应用单点登录统一认证的技术，把已有的系统集成到校务系统平台上，使之前各离散的异构的信息系统整合到一起，形成统一的平台。我们使用的是基于CAS[14]的统一认证框架，统一认证的登录口就设置在学校的门户上。
校务管理平台与学校的主页有服务接口，使得一些教务信息、办公通知可以通过教务系统直接到学校的主页上。而整个方案的统一认证入口就设置在学校的主页，所有的学生、家长、老师通过主页进行身份认证，系统根据用户的身份权限识别能看到的资源内容和功能，比如只有老师的权限能够看到校务管理平台的入口、而家长的看不到。
最后，学校基于模型上层关于“管理制度与文化建设”的内容讨论和拟定相关的数字化校园规定和发展规划文档。
3 整合方案的主要优点
本方案主要具有如下的特点：
第一，对学校数字化校园有一个统一的整合规划，明确了各个业务系统职能，同时为日后发展新增业务系统提供方向。
第二，对于现有的各个异构的业务系统，建立了统一认证机制。通过门户的统一认证平台，让用户只需要一套账号密码就可以在不同的系统上切换。有利于日后建立面向用户的管理工作平台。
第三，方案大量采用开源框架和技术，一方面降低投入成本；另外一方面，依据其广泛的技术支持，便于学校培养出自己的技术人员。在此案例中，使用开源的Zimbra能够让A小学摆脱无法扩展腾讯通的瓶颈，让学校能够根据自身情况扩展特定的功能而不受商业产品的束搏。
第四，建立了现代教育技术支持平台，提高数字化校园的应用绩效、提高校内教师的现代教育技术水平。
四 总结
当前的中小学数字化校园大部分完成了硬环境建设，正在向软环境建设转型。很多学校都遇上了软环境建设的问题。本文提出面向中小学的轻量级数字化校园建设模型，此模型基本覆盖了中小学校园管理的各个方面，有利于指引此阶段学校的数字化校园建设。同时，本文所提的模型已经应用到解决A小学的数字化校园建设和规划上，为此模型的实际应用提供了一个实践的案例。
注
腾讯公司的企业即时通讯工具，rtx.省略。
参考文献
[1] 蒋东兴,宓,郭清顺.高校信息化发展现状与政策建议[J].中国教育信息化,2009,(8):27-30
[2] 张敬涛.我国基础教育信息化的现状与未来发展策略[J].电化教育研究,2009,(1):5-8.
[3] 雷静.中小学数字化校园建设问题研究[J].中国教育技术装备,2009,(30):3-4.
[4] 陈明选,王健.中小学信息化建设项目投资绩效评价的理论思考[J].中国电化教育,2006,(2):16-19.
[5] 王运武.中小学数字校园优化发展的思考[J].中国远程教育,2010,(4):59-62
[6] 蒋东兴,王进展,袁芳,褚庆军.数字校园校级统一信息系统建设研究与实践[J].中山大学学报(自然科学版),2009, (s1):12-15
[7] Moodle[OL].省略.>
[8]Dougiamas, M. & Taylor, P. Moodle: Using Learning Communities to Create an Open Source Course Management System[A]. Proceedings of World Conference on Educational Multimedia, Hypermedia and Telecommunications[C].2003:
171-178.
[9] PhpMyFaq[OL].
[10]UcenterHome[OL].省略/products/uchome.>
[11]Zimbra[OL].
[12]Joomla[OL].
[13]Magnolia[OL].
[14]CAS, Central Authentication Service[OL].
Lightweight E-campus Model and Its Applications for Primary and Secondary Schools
TIAN Chun-qing1 NIU Duan2 LIU Lu-tong3
(work and Information Center, Sun Yat-sen University, Guangzhou ,Guangdong 510275,China; 2. School of Educatrion, Sun Yat-sen University, Guangzhou, Guangzhou 510275, China; 3.Xixi Primary School, Liaobu, Dongguan, Guangdong 523400, China)
Abstract: Most of China's primary and secondary schools have already built the basic e-campus infrastructure. How to make full use of the infrastructure and maintain sustainable development is the key problem that these schools now confront. A Lightweight e-campus model which aimed at proving a solution to this problem was proposed in this article. This lightweight model covered nearly every aspect of e-management and teaching of primary and secondary schools. A case showing how to use this mode was also put forward in this paper. The model and the case could be used as a source of reference for similar schools.
