中職智慧校園建設(shè)中的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究

◆鄧傳國

?

中職智慧校園建設(shè)中的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究

◆鄧傳國

(合肥工業(yè)學(xué)校 安徽 230001)

中職學(xué)校智慧校園是以數(shù)字化校園為基礎(chǔ)，通過改造學(xué)校內(nèi)的設(shè)施設(shè)備、數(shù)字化資源，而構(gòu)建的校園內(nèi)智慧化環(huán)境。在中職智慧校園建設(shè)中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)問題和解決方案主要包括傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、射頻識別技術(shù)、M2M平臺搭建等。

傳感器；射頻識別；M2M平臺；智慧校園；身份識別

0 前言

隨著中等職業(yè)學(xué)校數(shù)字校園建設(shè)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)的日益成熟，中職智慧化校園建設(shè)漸行漸近。怎樣利用這些現(xiàn)代新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)中職校園由數(shù)字化轉(zhuǎn)化為更快捷、智能的智慧化校園，用新技術(shù)推動中職校園管理、教師教學(xué)方式、學(xué)生網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間改革，讓師生的生活學(xué)習(xí)更加智能化，是職業(yè)學(xué)校智慧化校園建設(shè)者要思考的問題。

中職學(xué)校智慧校園是以數(shù)字化校園為基礎(chǔ)，通過改造學(xué)校內(nèi)的設(shè)施設(shè)備、數(shù)字化資源，從而構(gòu)建的校園內(nèi)智慧化環(huán)境。中職的智慧校園的結(jié)構(gòu)從宏觀上看主要由三部分構(gòu)成的，感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。最底層是感知層，主要解決生物世界和物理世界的數(shù)據(jù)獲取和連接問題，傳感器是最基礎(chǔ)的設(shè)備，傳感器類型多種多樣，每個(gè)傳感器都是一個(gè)信息源。網(wǎng)絡(luò)層是三大層次結(jié)構(gòu)的第二層，主要負(fù)責(zé)把感知層接收到的信息高效、安全的進(jìn)行傳輸。最上層應(yīng)用層提供豐富的基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，是物聯(lián)網(wǎng)和用戶（包括人、組織和其他系統(tǒng)）的接口。它與各行業(yè)需求結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。

在中職智慧校園建設(shè)中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)問題和解決方案主要包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容。

1 傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

中職智慧校園建設(shè)中需要安裝和配置大量的傳感器，每個(gè)傳感器獲得的數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)性，按一定的頻率周期性的采集各類數(shù)據(jù)，不斷更新數(shù)據(jù)。但是大部分傳感器采集節(jié)點(diǎn)是固定的，不可移動性造成其存儲、通信能力較弱，因此需要設(shè)計(jì)出合適的協(xié)議，從而減少能量衰減，達(dá)到負(fù)載均衡。

傳感器如何實(shí)現(xiàn)智能化管理，單個(gè)傳感器由于元器件的制造工藝原因，數(shù)據(jù)的輸出會隨著時(shí)間產(chǎn)生偏差，比如由焊接產(chǎn)生偏移、由溫度造成非線性縮放。為了盡可能彌補(bǔ)這種偏移和縮放，需要進(jìn)行傳感器耦合，進(jìn)行自動、快速的校正。多傳感器需要以協(xié)作辦法，通過網(wǎng)絡(luò)上不同的、安全有效的路徑，將數(shù)據(jù)發(fā)送給相關(guān)的智能型傳感器，再根據(jù)不同情況，在機(jī)器和人工的監(jiān)督下確定具體的位置，確定下一步處理方案和措施。綜合起來，每個(gè)傳感器就是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系用路徑連接起來，構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)狀圖形。每一個(gè)傳感器可以內(nèi)置一個(gè)CPU、可讀寫的RAM、低于40 Kb每秒的速率，可實(shí)現(xiàn)100英尺范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)收集和發(fā)送，耗電量很低。傳感器采用了高效的算法，提高了整合度，加上與之匹配的電源管理，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)電的效果，接近Net-Zero（零耗能）的目標(biāo)。

大部分傳感網(wǎng)絡(luò)采用無線傳輸?shù)姆绞剑梢怨?jié)約大量的維護(hù)成本和人力成本。通過增加具有智能決策的遠(yuǎn)程傳感器，智能型手機(jī)就可以很方便地進(jìn)行操作和維護(hù)，迅速有效地進(jìn)行監(jiān)視和校正，現(xiàn)場維護(hù)人員也不需要頻繁地為設(shè)備更換電池，使得制程的效率得到提高，維護(hù)的質(zhì)量得到保證，提高了工作效率，節(jié)約了維護(hù)成本。相對于有線網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安裝更加方便，重新調(diào)整位置的工程也更簡單。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)充性增強(qiáng)，鏈接具有更高的容錯(cuò)能力。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的在學(xué)校中的作用范圍越來越廣，包括條件式維護(hù)、智能化考勤、安全監(jiān)控、教職工及學(xué)生管理等等。對設(shè)備不再采用定期維護(hù)，通過傳感器進(jìn)行條件式維護(hù)，定期獲取數(shù)據(jù)后對相關(guān)設(shè)備執(zhí)行精準(zhǔn)維護(hù)，延長了設(shè)備的使用時(shí)間，杜絕了浪費(fèi)現(xiàn)象。

2 射頻識別技術(shù)

在中職的智慧校園中射頻識別技術(shù)大部分用在教師和學(xué)生的身份認(rèn)證，主要采用閱讀器(PCD)和應(yīng)答器(PICC)來進(jìn)行，RFID系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要結(jié)合各職業(yè)學(xué)校的實(shí)際情況，從而找出最優(yōu)的天線物理尺寸。

天線的設(shè)計(jì)，最主要的技術(shù)參數(shù)是等效電路的電容、機(jī)械尺寸、電感和線圈匝數(shù)，職業(yè)學(xué)校根據(jù)自己的實(shí)際需要，計(jì)算出合適的參數(shù)，設(shè)計(jì)最優(yōu)的天線尺寸，使天線的運(yùn)行效率最高。一般步驟如下：

2.1磁場耦合因子的優(yōu)化

耦合因子與閱讀器天線電感無關(guān)，與應(yīng)答器天線的電感也無關(guān)，主要與線圈直徑、線圈方位角有關(guān)，其排列的機(jī)械尺寸以及中線圈附近的物質(zhì)對耦合因子影響最大，閱讀距離對耦合因子起到至關(guān)重要的作用，因此縮小傳輸距離可以提高耦合因子，另外閱讀器天線要與應(yīng)答器的天線軸線保持平行。測量出閱讀距離，可以通過下面的公式計(jì)算出閱讀器天線線圈半徑R，推導(dǎo)出磁場耦合因子k，磁場強(qiáng)度就計(jì)算出來了：

如果確定了閱讀距離d，當(dāng)線圈半徑r小于閱讀距離d時(shí)，磁場強(qiáng)度H隨著線圈半徑r的變化而發(fā)生巨大變化；當(dāng)線圈半徑r等于閱讀距離d時(shí)，磁場強(qiáng)度H達(dá)到極值；當(dāng)線圈半徑r大于閱讀距離d時(shí)時(shí)，磁場強(qiáng)度H按一定比例降低。因此，天線當(dāng)線圈半徑r約等于閱讀距離d時(shí)達(dá)到最佳，如下圖1所示。

2.2耦合因子的確定

圖2 TTC及相關(guān)電路實(shí)驗(yàn)圖

為找到最佳的耦合因子，需要對TTC（應(yīng)答線圈）及相關(guān)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)如圖2所示，首先將TTC（應(yīng)答線圈）安置在工作中的應(yīng)答器的指定的地方。在信號發(fā)生器的激勵(lì)下，閱讀器天線開始工作，這樣就可以順利測出通過TTC（應(yīng)答線圈）的電壓。

天線線圈的匝數(shù)可以通過下面公式推導(dǎo)獲得：

2.3天線設(shè)計(jì)

假設(shè)技術(shù)參數(shù)要求如下：閱讀器線圈的可允許的頻偏為百分之三，應(yīng)答器線圈的頻偏需控制在百分之四，閱讀距離在為20毫米范圍內(nèi)。

（1）根據(jù)以上參數(shù)，閱讀器線圈半徑r設(shè)置為20毫米，這樣可以使磁場耦合效果達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)；

（2）根據(jù)上面公式計(jì)算出耦合因子k大約為1.2%；

（3）總的頻率容許頻率偏差為閱讀器線圈的可允許的頻偏為百分之三加上應(yīng)答器線圈的頻偏百分之四，設(shè)置為百分之七，而LR=1.24mH的曲線應(yīng)該在耦合因子k(k為1．2%)，上下誤差不超過百分之七，所以LR取值范圍為（403μH～880μH）。這里這里我們?nèi)R為708μH。根據(jù)公式計(jì)算線圈的匝數(shù)為98，從而推導(dǎo)出CR大約為2.1nF。

當(dāng)然外界干擾會給設(shè)計(jì)和計(jì)算的結(jié)果帶來一些誤差，上述的過程可以為射頻識別系統(tǒng)研究提供一些參考。

3 M2M平臺搭建，以無線通信等接入手段實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定的通信

M2M（machine to machine）技術(shù)來源于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，主要是將生活中各種物品連接上網(wǎng)，完成設(shè)備間與設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸、控制和共享，根據(jù)實(shí)際環(huán)境參數(shù)為決策提供參考和依據(jù)。其最終目的是實(shí)現(xiàn)人類的生活科學(xué)化和自動化。

M2M技術(shù)的推廣有著美好的前景，但是制約M2M技術(shù)更快更穩(wěn)定的發(fā)展的主要問題之一的就是M2M系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過程的安全問題和設(shè)備本身的穩(wěn)定問題。M2M系統(tǒng)的宏觀結(jié)構(gòu)包括節(jié)點(diǎn)（設(shè)備）、傳輸介質(zhì)及數(shù)據(jù)處理中心三個(gè)部分。節(jié)點(diǎn)完成對數(shù)據(jù)的收集，并將其及時(shí)傳送到專門數(shù)據(jù)處理中心。因?yàn)樵O(shè)備的成本原因，節(jié)點(diǎn)的功能一般比較簡單，大部分?jǐn)?shù)據(jù)處理功能由控制中心負(fù)責(zé)；傳輸介質(zhì)負(fù)責(zé)將節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理和控制中心，數(shù)據(jù)處理中心完成節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)整理、分析、加工、判斷等后臺工作，并依據(jù)處理結(jié)果向節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令。

關(guān)于對系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)、傳輸介質(zhì)、數(shù)據(jù)處理中心許多文章都進(jìn)行了詳細(xì)的說明，在此不再贅述。要M2M保證系統(tǒng)的有序安全運(yùn)行，需要多角度做好系統(tǒng)的安全防護(hù)措施，任意環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都有可能讓整個(gè)系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)，M2M系統(tǒng)安全措施可以從以下幾個(gè)角度進(jìn)行。

3.1身份識別的系統(tǒng)

M2M系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的物品較多，需要權(quán)衡密鑰的更新和硬件成本，不易采用對稱式密鑰系統(tǒng)。對稱式密鑰管理可能會使網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生效能瓶頸，M2M系統(tǒng)的運(yùn)行效率會大打折扣。

智慧校園統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)是用戶訪問的唯一入口，它融合了中職校園的諸如門戶網(wǎng)站、教務(wù)、后勤等應(yīng)用系統(tǒng)。它對所有用戶的身份信息進(jìn)行集中存儲，并完成身份認(rèn)證、角色分配和按需分配權(quán)限。為方便認(rèn)證系統(tǒng)的日常管理，需提供日志查詢、監(jiān)控交互、數(shù)據(jù)的備份和恢復(fù)等管理工具，統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)的基本框架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)基本框架結(jié)構(gòu)

3.2匹配監(jiān)督

傳感器的內(nèi)置程序在ROM中執(zhí)行，ROM是只讀存儲器，不具有寫的功能，攻擊者無法完成對內(nèi)存的修改，因此攻擊者只能對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行攻擊，攻擊的方法一般是對節(jié)點(diǎn)的程序進(jìn)行修改，更改后的程序在傳感器中運(yùn)行，完成對整個(gè)系統(tǒng)的攻擊。

預(yù)防攻擊最好的辦法就是從監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的硬件開始，讓攻擊者無法對ROM進(jìn)行修改。當(dāng)ROM被攻擊者的重寫的時(shí)候，該一節(jié)點(diǎn)處于不可用的狀態(tài)，監(jiān)督它的節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)異常后，作出異常處理并向系統(tǒng)中心發(fā)送異常數(shù)據(jù)，從而完成對每一個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)狀態(tài)的監(jiān)控，有效地預(yù)防了攻擊者修改節(jié)點(diǎn)的威脅，這就是M2M系統(tǒng)的匹配監(jiān)督機(jī)制。

3.3偵測錯(cuò)誤數(shù)據(jù)并過濾

各節(jié)點(diǎn)將大量數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理中心，如果是錯(cuò)誤的或者不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)工具這些數(shù)據(jù)可能會作出錯(cuò)誤的判斷和決策。因此節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確非常關(guān)鍵，數(shù)據(jù)處理中心采集來的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行區(qū)分和鑒別，分析當(dāng)前節(jié)點(diǎn)及周邊節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)差異性，如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和周邊節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)對比的不符合常理，那么系統(tǒng)將丟棄該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，保證整體數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性，從而為系統(tǒng)的決策正確性提供有力的保證。

當(dāng)然，網(wǎng)絡(luò)線路故障、供電原因也會造成M2M系統(tǒng)安全問題，因此在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中需要和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商、供電部門進(jìn)行溝通，確保保證M2M系統(tǒng)在各種環(huán)境下能夠正常的運(yùn)行。

4 總結(jié)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟，相關(guān)設(shè)備智能化水平的提高，中等職業(yè)學(xué)校的智慧校園可選擇的產(chǎn)品也越來越多，智慧校園建設(shè)中的軟件開發(fā)就顯得尤為重要，大數(shù)據(jù)技術(shù)要實(shí)現(xiàn)海量信息保存、查詢、分析、過濾等的功能，涉及到教師、學(xué)生、物聯(lián)網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)的信息。同時(shí)還要融入人工情感技術(shù)，使得智慧校園系統(tǒng)的人機(jī)交互更加易用、自然、和諧。中職的智慧校園建設(shè)牽涉到學(xué)校內(nèi)部和外部的方方面面，需要從頂層設(shè)計(jì)，除了龐大的資金供給，還需要強(qiáng)有力的軟件開發(fā)技術(shù)支持。在中職智慧校園建設(shè)中，需要爭取上級主管部門的支持，調(diào)動學(xué)校內(nèi)部各部門的積極性，共同建設(shè)美麗的中職智慧校園。

[1]高潔，徐克寶.基于U2270B的射頻識別系統(tǒng)天線設(shè)計(jì)[J].電子元器件應(yīng)用，2006.

[2]高同，朱佳佳.M2M功能架構(gòu)與安全研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2012.

[3]程維剛.數(shù)字化校園環(huán)境中統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)模型研究.軟件導(dǎo)刊，2015.