◆鄧傳國(guó)

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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(guó)

(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(guò)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(wèn)題和解決方案主要包括傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、射頻識(shí)別技術(shù)、M2M平臺(tái)搭建等。

傳感器；射頻識(shí)別；M2M平臺(tái)；智慧校園；身份識(shí)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(dòng)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(wèn)題。

中職學(xué)校智慧校園是以數(shù)字化校園為基礎(chǔ)，通過(guò)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(guān)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(wèn)題，傳感器是最基礎(chǔ)的設(shè)備，傳感器類(lèi)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(hù)（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(wèn)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(lèi)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(dòng)性造成其存儲(chǔ)、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(huì)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(xiàn)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(dòng)、快速的校正。多傳感器需要以協(xié)作辦法，通過(guò)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(lái)，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(lái)，構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)狀圖形。每一個(gè)傳感器可以?xún)?nèi)置一個(gè)CPU、可讀寫(xiě)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(wú)線(xiàn)傳輸?shù)姆绞?，可以?jié)約大量的維護(hù)成本和人力成本。通過(guò)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(chǎng)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(duì)于有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線(xiàn)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(jiǎn)單。無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的在學(xué)校中的作用范圍越來(lái)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(duì)設(shè)備不再采用定期維護(hù)，通過(guò)傳感器進(jìn)行條件式維護(hù)，定期獲取數(shù)據(jù)后對(duì)相關(guān)設(shè)備執(zhí)行精準(zhǔn)維護(hù)，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用時(shí)間，杜絕了浪費(fèi)現(xiàn)象。

2 射頻識(shí)別技術(shù)

在中職的智慧校園中射頻識(shí)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(lái)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(xiàn)物理尺寸。

天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)尺寸，使天線(xiàn)的運(yùn)行效率最高。一般步驟如下：

2.1磁場(chǎng)耦合因子的優(yōu)化

耦合因子與閱讀器天線(xiàn)電感無(wú)關(guān)，與應(yīng)答器天線(xiàn)的電感也無(wú)關(guān)，主要與線(xiàn)圈直徑、線(xiàn)圈方位角有關(guān)，其排列的機(jī)械尺寸以及中線(xiàn)圈附近的物質(zhì)對(duì)耦合因子影響最大，閱讀距離對(duì)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(xiàn)要與應(yīng)答器的天線(xiàn)軸線(xiàn)保持平行。測(cè)量出閱讀距離，可以通過(guò)下面的公式計(jì)算出閱讀器天線(xiàn)線(xiàn)圈半徑R，推導(dǎo)出磁場(chǎng)耦合因子k，磁場(chǎng)強(qiáng)度就計(jì)算出來(lái)了：

如果確定了閱讀距離d，當(dāng)線(xiàn)圈半徑r小于閱讀距離d時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度H隨著線(xiàn)圈半徑r的變化而發(fā)生巨大變化；當(dāng)線(xiàn)圈半徑r等于閱讀距離d時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度H達(dá)到極值；當(dāng)線(xiàn)圈半徑r大于閱讀距離d時(shí)時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度H按一定比例降低。因此，天線(xiàn)當(dāng)線(xiàn)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(duì)TTC（應(yīng)答線(xiàn)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(xiàn)圈）安置在工作中的應(yīng)答器的指定的地方。在信號(hào)發(fā)生器的激勵(lì)下，閱讀器天線(xiàn)開(kāi)始工作，這樣就可以順利測(cè)出通過(guò)TTC（應(yīng)答線(xiàn)圈）的電壓。

天線(xiàn)線(xiàn)圈的匝數(shù)可以通過(guò)下面公式推導(dǎo)獲得：

2.3天線(xiàn)設(shè)計(jì)

假設(shè)技術(shù)參數(shù)要求如下：閱讀器線(xiàn)圈的可允許的頻偏為百分之三，應(yīng)答器線(xiàn)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(xiàn)圈半徑r設(shè)置為20毫米，這樣可以使磁場(chǎng)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(xiàn)圈的可允許的頻偏為百分之三加上應(yīng)答器線(xiàn)圈的頻偏百分之四，設(shè)置為百分之七，而LR=1.24mH的曲線(xiàn)應(yīng)該在耦合因子k(k為1．2%)，上下誤差不超過(guò)百分之七，所以L(fǎng)R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(xiàn)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(huì)給設(shè)計(jì)和計(jì)算的結(jié)果帶來(lái)一些誤差，上述的過(guò)程可以為射頻識(shí)別系統(tǒng)研究提供一些參考。

3 M2M平臺(tái)搭建，以無(wú)線(xiàn)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(lái)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(lèi)的生活科學(xué)化和自動(dòng)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(wèn)題之一的就是M2M系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的安全問(wèn)題和設(shè)備本身的穩(wěn)定問(wèn)題。M2M系統(tǒng)的宏觀(guān)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(duì)數(shù)據(jù)的收集，并將其及時(shí)傳送到專(zhuān)門(mén)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(jiǎn)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(tái)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(duì)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(shuō)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(wèn)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(shí)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(duì)稱(chēng)式密鑰系統(tǒng)。對(duì)稱(chēng)式密鑰管理可能會(huì)使網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生效能瓶頸，M2M系統(tǒng)的運(yùn)行效率會(huì)大打折扣。

智慧校園統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)是用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)的唯一入口，它融合了中職校園的諸如門(mén)戶(hù)網(wǎng)站、教務(wù)、后勤等應(yīng)用系統(tǒng)。它對(duì)所有用戶(hù)的身份信息進(jìn)行集中存儲(chǔ)，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(xún)、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(chǔ)器，不具有寫(xiě)的功能，攻擊者無(wú)法完成對(duì)內(nèi)存的修改，因此攻擊者只能對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行攻擊，攻擊的方法一般是對(duì)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(duì)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(kāi)始，讓攻擊者無(wú)法對(duì)ROM進(jìn)行修改。當(dāng)ROM被攻擊者的重寫(xiě)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(duì)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(cè)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)并過(guò)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(huì)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(lái)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(duì)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(xiàn)路故障、供電原因也會(huì)造成M2M系統(tǒng)安全問(wèn)題，因此在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中需要和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商、供電部門(mén)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(lái)越多，智慧校園建設(shè)中的軟件開(kāi)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(xún)、分析、過(guò)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(kāi)發(fā)技術(shù)支持。在中職智慧校園建設(shè)中，需要爭(zhēng)取上級(jí)主管部門(mén)的支持，調(diào)動(dòng)學(xué)校內(nèi)部各部門(mén)的積極性，共同建設(shè)美麗的中職智慧校園。

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[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.