韓笑，孔文樂(lè)

（1.廣東理工學(xué)院；2.廣東理工學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院，廣東 肇慶 526100）

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，依托信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)實(shí)現(xiàn)物與物的連接和通信，已滲透到生活各個(gè)方面，成為現(xiàn)代社會(huì)信息化的推動(dòng)力。在此背景下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使電子封條這種防篡改設(shè)備能實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高了安全性和效率，并可與其他系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，增強(qiáng)防控能力，引發(fā)了廣泛的關(guān)注。傳統(tǒng)人工檢查的方式因誤差大、效率低、易被破壞等問(wèn)題，逐漸被這種基于物聯(lián)網(wǎng)的電子封條防控系統(tǒng)取代。

1 數(shù)字技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

1.1 數(shù)字信號(hào)處理在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

數(shù)字信號(hào)處理可以包括信號(hào)采樣、量化、編碼、濾波、變換、解碼等各種處理方法。其中，信號(hào)采樣是將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)字信號(hào)，量化和編碼則是將模擬信號(hào)的幅度轉(zhuǎn)化為數(shù)字，濾波是根據(jù)信號(hào)的特性去除噪聲，改善信號(hào)質(zhì)量，變換則是將信號(hào)從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，如時(shí)域轉(zhuǎn)換為頻域，以便于分析和處理，解碼則是將數(shù)字信號(hào)恢復(fù)為模擬信號(hào)。數(shù)字信號(hào)處理的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是可以利用計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算和大數(shù)據(jù)分析能力，對(duì)信號(hào)進(jìn)行深度分析和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷、故障的預(yù)測(cè)和診斷、控制策略的優(yōu)化等。例如，在智能交通中，可以通過(guò)對(duì)車(chē)輛的位置信號(hào)、速度信號(hào)、方向信號(hào)等進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和安全預(yù)警。

1.2 數(shù)字化安全技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)字化安全技術(shù)以其多層次、全方位的保護(hù)方式確保信息、設(shè)備和服務(wù)的安全。其中，信息安全的關(guān)鍵在于加密、簽名、完整性保護(hù)和隱私保護(hù)等技術(shù)的應(yīng)用，通過(guò)這些手段，信息在傳輸和存儲(chǔ)過(guò)程中免于非法竊取、篡改和偽造，有效保障了信息的真實(shí)性、可信性和私密性。設(shè)備安全則重視設(shè)備的身份認(rèn)證、訪問(wèn)控制和攻擊防護(hù)等技術(shù)，這些技術(shù)保護(hù)設(shè)備免于非法訪問(wèn)和攻擊，保證設(shè)備能夠正常運(yùn)行和提供服務(wù)。服務(wù)安全則側(cè)重于服務(wù)的可用性保護(hù)和服務(wù)質(zhì)量保證，通過(guò)這些手段，可以確保物聯(lián)網(wǎng)能提供持續(xù)穩(wěn)定、高效、高質(zhì)量的服務(wù)。

1.3 云計(jì)算和大數(shù)據(jù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)中的云計(jì)算和大數(shù)據(jù)應(yīng)用正逐漸成為處理海量數(shù)據(jù)和提供彈性服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)。云計(jì)算提供了一種強(qiáng)大且靈活的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，讓物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備專(zhuān)注于數(shù)據(jù)采集和服務(wù)提供，同時(shí)也可以靈活調(diào)整服務(wù)資源，提高效率與經(jīng)濟(jì)性。大數(shù)據(jù)技術(shù)通過(guò)深度挖掘和分析物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，為設(shè)備狀態(tài)、用戶(hù)行為和業(yè)務(wù)趨勢(shì)提供深入理解與預(yù)測(cè)。我們可以在設(shè)備出現(xiàn)異常狀態(tài)或故障模式時(shí)提前預(yù)警和維護(hù)，提高設(shè)備的運(yùn)行效率和可靠性；同時(shí)，通過(guò)分析用戶(hù)行為數(shù)據(jù)，可以提供更個(gè)性化和優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，增加用戶(hù)滿(mǎn)意度；最后，通過(guò)分析業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，能夠精準(zhǔn)地為決策提供支持，從而提高業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)力。

2 電子封條系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 電子封條系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

電子封條系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)應(yīng)從系統(tǒng)架構(gòu)、功能需求和技術(shù)指標(biāo)3個(gè)方面出發(fā)（如圖1所示）。系統(tǒng)架構(gòu)包括電子封條硬件、服務(wù)器端和客戶(hù)端三部分。電子封條硬件包括傳感器、通信模塊和控制器等關(guān)鍵部件，用于感知和控制封條的狀態(tài)，通過(guò)通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器端。服務(wù)器端包括數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和業(yè)務(wù)邏輯處理等功能，用于接收和處理電子封條的數(shù)據(jù)，根據(jù)業(yè)務(wù)規(guī)則判斷封條的狀態(tài)，生成報(bào)警和報(bào)表等信息，提供給客戶(hù)端?？蛻?hù)端包括用戶(hù)界面和應(yīng)用邏輯，用于展示電子封條的狀態(tài)和報(bào)警信息，接收用戶(hù)的指令，控制電子封條的操作。功能需求包括實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制、報(bào)警預(yù)警和數(shù)據(jù)報(bào)表等，用于滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)電子封條狀態(tài)的監(jiān)控和控制需求，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理異常情況，提供數(shù)據(jù)支持。技術(shù)指標(biāo)包括數(shù)據(jù)精度、通信范圍、電池壽命和安全性等，用于滿(mǎn)足用戶(hù)的應(yīng)用需求。

圖1 電子封條系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.2 電子封條硬件設(shè)計(jì)

（1）傳感器選擇和設(shè)計(jì)。在電子封條系統(tǒng)中，我們需要選擇能夠精確感測(cè)封條開(kāi)啟或關(guān)閉狀態(tài)的傳感器，例如，霍爾傳感器或微動(dòng)開(kāi)關(guān)。此外，為防止非法篡改，也可以選擇溫度傳感器、光照傳感器等來(lái)監(jiān)測(cè)封條的使用環(huán)境。在傳感器設(shè)計(jì)方面，需考慮靈敏度、準(zhǔn)確度、響應(yīng)速度、電源需求以及耐用性等因素。由于電子封條的體積限制和長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人值守的特性，傳感器還需具備小型化和低功耗的特性。為了確保傳感器能夠在各種環(huán)境條件下穩(wěn)定工作，還需考慮傳感器的防護(hù)等級(jí)，例如，防塵、防水和抗干擾能力等。

（2）通信模塊設(shè)計(jì)。通信模塊負(fù)責(zé)電子封條與服務(wù)器之間的信息交流。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮傳輸距離、數(shù)據(jù)傳輸速率、功耗、通信協(xié)議等因素?？紤]到電子封條可能用于各種環(huán)境，包括長(zhǎng)距離運(yùn)輸，可能會(huì)選擇基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)（如4G/5G）的通信模塊，或者基于低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（如LoRa或NB-IoT）的通信模塊，以保證在大范圍內(nèi)的連續(xù)性連接。數(shù)據(jù)傳輸速率決定了電子封條系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。盡管電子封條系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量通常不大，但為了保證在突發(fā)事件（如封條被打開(kāi)）發(fā)生時(shí)能快速傳輸警報(bào)信息，需要選擇具有足夠數(shù)據(jù)傳輸速率的通信模塊。功耗是電子封條系統(tǒng)另一個(gè)重要的設(shè)計(jì)因素，因?yàn)殡娮臃鈼l往往需要長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人值守運(yùn)行。因此，選擇低功耗的通信模塊，可以延長(zhǎng)電子封條的使用壽命。至于通信協(xié)議，必須選擇支持安全性強(qiáng)，易于集成，且符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，常用的有MQTT、CoAP等協(xié)議。

（3）控制器設(shè)計(jì)。電子封條系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)關(guān)乎整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率與穩(wěn)定性。控制器在電子封條系統(tǒng)中起著中樞作用，負(fù)責(zé)處理傳感器采集的數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)控制命令，以及與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信（如圖2所示）。為了滿(mǎn)足數(shù)據(jù)處理和通信需求，控制器應(yīng)具有足夠的處理能力。在考慮到電子封條系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量相對(duì)較小的情況下，我們一般選擇如ARM Cortex系列或Atmel AVR系列等嵌入式微處理器或微控制器。此外，控制器應(yīng)具有充足的接口來(lái)連接傳感器和通信模塊，包括模擬/數(shù)字輸入輸出接口和串行通信接口如UART、I2C或SPI等。

圖2 電子封條原理圖

2.3 電子封條軟件設(shè)計(jì)

（1）嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。電子封條系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)其功能的重要環(huán)節(jié)。它需要考慮如何從傳感器采集數(shù)據(jù)，如何處理這些數(shù)據(jù)，以及如何實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器的通信（如圖3所示）。數(shù)據(jù)采集部分需要設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序，配置傳感器的工作模式并在特定條件下從傳感器中讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理部分負(fù)責(zé)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波等處理以提高準(zhǔn)確性，并實(shí)現(xiàn)封條狀態(tài)的檢測(cè)，如通過(guò)閾值對(duì)比判斷封條是否被打開(kāi)。通信部分則需要定義數(shù)據(jù)通信的格式和協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收以及為了保證安全性的數(shù)據(jù)加密和解密。為了提高系統(tǒng)可維護(hù)性，嵌入式系統(tǒng)軟件還需設(shè)計(jì)故障診斷和錯(cuò)誤處理機(jī)制，以便在系統(tǒng)故障時(shí)進(jìn)行診斷和恢復(fù)。

圖3 手持產(chǎn)品內(nèi)部原型圖

（2）服務(wù)器端及客戶(hù)端軟件設(shè)計(jì)。服務(wù)器端軟件通常采用多層架構(gòu)，包括數(shù)據(jù)層、邏輯層和表現(xiàn)層。數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理，可以使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)如MySQL或非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)如MongoDB等，根據(jù)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和訪問(wèn)特性進(jìn)行選擇。邏輯層負(fù)責(zé)處理電子封條設(shè)備的數(shù)據(jù)，例如，對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、檢測(cè)封條狀態(tài)、生成警報(bào)等。表現(xiàn)層提供用戶(hù)接口，可以是網(wǎng)頁(yè)界面，也可以是移動(dòng)應(yīng)用，用戶(hù)可以通過(guò)接口查看封條狀態(tài)，接收警報(bào)通知等。為確保服務(wù)穩(wěn)定，服務(wù)器端軟件需實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡和容錯(cuò)機(jī)制，通過(guò)增加服務(wù)器資源或采用分布式架構(gòu)應(yīng)對(duì)設(shè)備數(shù)量和數(shù)據(jù)量增大的情況，并需有備份和恢復(fù)機(jī)制防止數(shù)據(jù)丟失。此外，服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)還需重視安全性，包括實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密存儲(chǔ)和傳輸，防止數(shù)據(jù)被盜或篡改，以及實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)控制和身份驗(yàn)證，防止未授權(quán)的訪問(wèn)和操作。客戶(hù)端軟件需要提供對(duì)電子封條狀態(tài)的實(shí)時(shí)展示，以圖形化或者列表的方式呈現(xiàn)，使用戶(hù)能夠快速理解封條的當(dāng)前狀態(tài)?？蛻?hù)端軟件的重要功能包括警報(bào)通知和電子封條的管理。在檢測(cè)到異常事件如封條被非法打開(kāi)時(shí)，應(yīng)立即向用戶(hù)推送警報(bào)，以便用戶(hù)及時(shí)了解并處理異常。同時(shí)，軟件需提供添加、刪除封條及修改設(shè)置等管理功能，并設(shè)計(jì)易操作的用戶(hù)界面。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的電子封條防控系統(tǒng)

3.1 防控系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為電子封條防控系統(tǒng)帶來(lái)了創(chuàng)新。這種設(shè)計(jì)將電子封條視為物聯(lián)網(wǎng)的終端設(shè)備，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信將封條狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，并通過(guò)客戶(hù)端軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和警報(bào)。電子封條設(shè)備需要能夠采集和發(fā)送封條狀態(tài)數(shù)據(jù)，如開(kāi)閉狀態(tài)和環(huán)境數(shù)據(jù)，并具備初步處理數(shù)據(jù)的能力，如數(shù)據(jù)過(guò)濾和異常檢測(cè)。服務(wù)器端負(fù)責(zé)接收、存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)，包括分析封條狀態(tài)，檢測(cè)封條是否被打開(kāi)或是否存在異常環(huán)境變化，發(fā)現(xiàn)異常則向客戶(hù)端發(fā)送警報(bào)?？蛻?hù)端軟件需實(shí)時(shí)展示封條狀態(tài)，發(fā)送警報(bào)，并管理設(shè)備。為保障穩(wěn)定可靠服務(wù)，防控系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)和恢復(fù)機(jī)制，例如，在設(shè)備通信中斷或服務(wù)器故障時(shí)，能進(jìn)行自動(dòng)重試或使用備份服務(wù)器接管服務(wù)。

3.2 防控系統(tǒng)的具體實(shí)施

防控系統(tǒng)的具體實(shí)施首先涉及硬件設(shè)備的制作和調(diào)試，包括傳感器的選擇與安裝、無(wú)線(xiàn)通信模塊的配置以及電子封條設(shè)備的整體裝配和測(cè)試。此階段的目標(biāo)是確保電子封條設(shè)備能夠穩(wěn)定地工作，準(zhǔn)確地采集數(shù)據(jù)，以及通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。其次，服務(wù)器端和客戶(hù)端軟件的開(kāi)發(fā)和部署涉及選擇合適的硬件和軟件框架，進(jìn)行編碼，包括實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ)、處理，警報(bào)模塊和設(shè)備管理等功能。一方面，軟件開(kāi)發(fā)后，需進(jìn)行部署和測(cè)試以確保穩(wěn)定性和兼容性。另一方面，客戶(hù)端軟件的開(kāi)發(fā)同樣需要選擇合適的工具和框架，實(shí)現(xiàn)封條狀態(tài)展示，警報(bào)通知和設(shè)備管理等功能，并在各客戶(hù)端平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試和調(diào)試。最后，需要進(jìn)行系統(tǒng)的整體測(cè)試和優(yōu)化。這包括硬件設(shè)備，服務(wù)器端軟件，以及客戶(hù)端軟件的協(xié)同工作測(cè)試和對(duì)各種可能的異常情況的處理測(cè)試。測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題需要進(jìn)行修復(fù)和優(yōu)化，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，電子封條防控系統(tǒng)在防止貨物運(yùn)輸過(guò)程中被非法開(kāi)啟，保障貨物安全等方面起到了重要作用。通過(guò)將數(shù)字技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，不僅能夠提高電子封條的防控能力，還能提高物流行業(yè)的整體運(yùn)營(yíng)效率，減少貨物在運(yùn)輸過(guò)程中的損失。希望這項(xiàng)研究能為電子封條防控系統(tǒng)的進(jìn)一步研究和發(fā)展提供參考和啟示，推動(dòng)物流行業(yè)的數(shù)字化和智能化進(jìn)程。