遠程教育考試試卷流轉監控系統設計

張藝萌+王侃偉

摘 要： 針對在遠程教育考試中一直困擾的試卷流轉安全問題，設計了遠程教教育考試試卷流轉監控系統，它是基于物聯網三層體系結構，由無線傳感器監控網絡、數據傳輸網絡、遠程監控中心三個部分組成。在此基礎上還結合了GPS、GPRS、Web GIS等技術，實現試卷流轉過程中動態跟蹤與可視化監控，包括試卷流轉過程中的異常行為報警、快速追蹤定位等功能。

關鍵詞： 物聯網； RFID； GPS； 遠程教育； 試卷流轉； 監控系統

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）20?0044?04

Design of monitoring system for distance education test paper flow

ZHANG Yi?meng， WANG Kan?wei

（1. Shaanxi Radio & TV University， Xian 710068， China； 2. Northwestern Poly technical University， Xian 710072， China）

Abstract： A remote education test paper flow monitoring system was designed to solve the safety problem troubled in test paper flow of the distance education examination. It is based on the three?layer system structure of Internet of Things， and composed of wireless sensor monitoring network， data transmission network and remote monitoring center. In combination with GPS， GPRS and Web GIS technologies， the system realized the dynamic tracking and visual monitoring in the process of the test paper flow， including abnormal behavior alarm， fast tracking and positioning functions in the process of test paper transfer.

Keywords： Internet of things； RFID； GPS； distance education； test paper flow； monitoring system

0 引 言

隨著科學技術的迅猛發展，形形色色的高科技產品被一些不法分子用于試卷盜取、考試作弊等非法用途，手段層出不窮，令人防不勝防[1]，考試安全形式不容樂觀，特別是試卷流轉過程中的安全管理更是一個亟待解決的首要問題。在試卷流轉過程中，牽扯到人、試卷、運輸工具和運輸路徑等眾多因素，同時試卷流轉過程需要經歷從試卷審核、工廠印刷到試卷運輸、對接、入庫再到考試使用、試卷評閱、試卷歸檔等眾多環節，各個環節缺一不可，相互支撐，互相制約。如何保障整個流轉過程安全、快捷地實施。現有手工管理試卷的模式已經越來越顯示出它的不足，必須引入一套智能的考試試卷流轉監控系統來保證對各個環節的嚴格把控。單就中央電大統設課考試為例：考試涉及44個省級電大，試卷數量達到上千萬份之多，數量巨大，試卷的安全流轉問題不可小覷。目前還沒有有效的監控體系，試卷如何安全抵達各個分校，這是需要認真思考的問題。本文針對試卷的安全流轉，利用物聯網技術實現試卷流轉過程中的動態跟蹤與可視化監控。在確保整個考試過程順利進行的同時極大的促進了教育考試考試公平。

1 物聯網的概念及特點

物聯網（Internet of Things，IoT）是“實物互聯網”的簡稱。實物互聯網可進一步解釋為利用互聯網基礎設施構架物聯網體系，實現對入網物品的感知、傳輸與應用。物聯網技術已被廣泛應用于工業監控、倉儲物流、智能家居、交通運輸控制管理、食品溯源、高校考試管理、后勤資產管理、智能圖書館管理等眾多領域。從物聯網應用來看，三個層次值得關注：

第一，傳感層。它是用來感知信息數據，主要通過射頻識別（RFID）技術、全球定位系統（GPS、北斗）技術，二維碼等相對來說較為成熟的技術來實現對“物”的識別。傳感層由眾多具有感知和識別功能的設備組成，可以部署于全球任何位置環境之中，被感知和識別的對象也不受任何限制。

射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID），它可通過無線電信號識別特定目標并讀/寫相關數據，而無需識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸。它是由電子標簽、讀寫器和RFID信息采集系統組成[2]。GPS技術，它是英文Global Positioning System（全球定位系統）的簡稱。利用GPS定位衛星，在全球范圍內實時進行定位、導航的系統。GPS信號接收機接收衛星信號，根據這些信號數據，接收機中的微處理器就可按定位解算方法進行定位計算，計算出用戶所在地理位置的經緯度、高度、速度、時間等信息。

第二，網絡傳輸層。它是被普遍認為最成熟的部分，它包括數據傳輸服務器和各種現有的通信網絡（互聯網、電信網、移動通信網、衛星網、廣電網）形成的融合網絡，用來實現數據的傳輸與計算。

第三，應用服務層。該層通過分析和處理采集到的物體信息，針對具體應用提出新的服務模式，實現決策和控制智能。它是物聯網和用戶（包括人、組織和其他系統）的接口，包括各種智能系統，如：GIS（地理信息系統）、MIS（管理信息系統）等，通過各種智能運算技術與信息管理技術，對海量信息進行全面分析并實時反饋給用戶，協助用戶進行正確決策。

2 基于物聯網的試卷流轉監控系統設計

通常試卷在生成后會經歷考前的試卷審核、工廠印刷、試卷運輸、考點交接、考場使用。考后的保密室保存、試卷運輸、省考試中心閱卷、試卷存檔等一系列過程。目前在試卷的流轉過程中缺乏先進的試卷狀態檢測手段，所以應用物聯網技術將印刷工廠、運卷車、試卷交接點、各級試卷保密室、各個下屬考點與考場、中央及各省級的遠程監控中心有機結合起來，構建一個試卷流轉監控系統（如圖1所示），實現對試卷在各個流轉環節的透明感知與實時追蹤。

圖1試卷流轉監控系統模型

基于物聯網的試卷流轉監控系統由無線傳感器監控網絡、數據傳輸網絡、遠程監控中心三個部分組成[3]。

無線傳感器監控網絡是整個試卷流轉監控系統的核心。它主要是通過多種傳感器如RFID、條碼、GPS等數據采集技術，負責試卷狀態數據信息的采集，異常行為的初步判定等功能。它由多個檢測節點和一個網關構成[4]。

RFID檢測節點部署在每個卷袋表面，RFID標簽粘帖在卷袋右上角。其內存儲有事先約定好格式的數據信息（包括卷袋信息、考場信息等）。在試卷印刷廠、各個考點、試卷保密室、省考試中心等指定檢測點安裝自動射頻掃描終端，當試卷車通過射頻掃描終端時將被自動監測并記錄所有試卷通過時的當前時間，同時審核是否為該考點試卷、試卷數量是否正確。采集結果由掃描終端實時傳輸到RFID信息采集系統，當運卷車到達時間、考點信息、試卷份數與設定數據不一致時，信息采集系統發出錯誤報警信號，同時將數據傳輸給遠程監控中心。基于RFID信息采集系統的試卷監控流程如圖2所示，由此流程來完成試卷監控點的信息采集。

圖2 基于RFID信息采集系統的試卷監控流程

門磁傳感器節點部署在試卷箱內部緊貼卷箱開啟的位置，主要用于實時監控試卷箱是否被異常開關。它的硬件結構由存儲模塊，處理器模塊，能量供應模塊，門磁傳感器模塊和無線通信模塊組成[3]。當試卷封裝到卷袋內，按卷號順序入箱并封裝之后，卷箱頂內側的門磁傳感器模塊與永磁體會緊挨在一起，當卷箱被異常打開和關閉時，門磁傳感器模塊就會感知異常行為狀態并通過無線通信模塊向網關傳輸數據信息。

GPS節點是部署在運卷車的頂部，主要用于在試卷運輸途中，通過GPS和無線通信網絡，實時獲取車輛的位置信息，并傳輸到遠程監控中心進行動態展示。GPS節點的硬件結構由存儲模塊、處理器模塊、能量供給模塊和GPS接收模塊構成。GPS接收模塊定時接收衛星信號，能夠全面地采集正在移動的運卷車目前所在的位置。GPS天線需要引出安裝在運卷車外，以便正常接收衛星信號。基于IEEE 802.15標準的低功耗、短距離的ZigBee無線通信技術將向運卷車內的無線傳感監測網絡提供運卷車的實時位置信息和時間信息。

網關也叫匯聚節點，它部署在運卷車的車箱頂部，硬件結構由存儲模塊、處理器模塊、報警模塊、無線通信模塊和GPRS模塊構成[5]。無線通信模塊用來接收各個監測節點傳送過來的檢測數據，報警模塊向試卷押運人員實時發送試卷行為異常信號，GPRS模塊會將異常行為下的報警信息及時傳送給遠程監控終端以供進一步分析。

數據傳輸網絡，試卷流轉監控系統的數據傳輸網絡是由GSM網絡構成，采用GPRS無線通信方式，GPRS是GSM的延續，它有很好的信號覆蓋，幾乎所有的地區只要手機開機就可以自動加載GPRS網絡，并同時與數據中心建立通信連接。它只需要極短的時間就可以訪問到相關請求，可以在任何時間、任何地點實現方便且快速的網絡訴求，同時GPRS的計費按通信的數據量為主要依據，體現了“傳輸多少、支付多少”的原則，連接時間可能長達數小時，但是卻支付了相對低廉的連接費用。因此，基于以上特點采用GPRS的通信方式可以保證運卷途中監測數據傳輸的實時性、安全性、穩定性和經濟性[6]。

遠程監控中心由遠程監控人員、數據庫服務器、Web服務器、GIS服務器和多臺電腦組成，通過對各個監測終端與監測節點傳來的數據進行精確的分析，實現試卷在整個運輸過程中的實時監控與預警處理。同時，依據試卷在整個運輸過程中所有行為的存儲數據，可以重構試卷在運輸過程中的所有行為，在安全事故發生后，可以對事物原因進行有效追溯與異常行為責任鑒定。

3 系統關鍵技術實現

3.1 基于門磁傳感器的貨物完整性監測技術

當門磁傳感器模塊與永磁體緊貼在一起處于閉合狀態時采樣數據為0，如果兩者分離，采樣數據變為其他數值。當門磁傳感器檢測到卷箱開啟狀態，監測節點不會立即發送報警信號，而是快速進行下一次檢測驗證，以減少系統誤判。其算法如下：

Input：門磁采樣數據M，概率數據P，采樣周期T；output：貨物完整性檢測結果。

If M>0 then

i→random； /*取0～1之間的隨機數*/

if i>p then

R→1；

else

T→Tmin； /*采樣周期設為最小值*/

Return-1.

end if

else

R→0；

end if

T→Tmin； /*采用周期設置為最大值*/

Return R.

3.2 基于GPS/DR的組合定位追蹤濾波技術

運卷車廂內部的GPS節點負責實時接收車輛位置信息，接收結束后會廣播發送一個信標消息（n、pn、t），其中n是GPS節點編碼，pn是GPS接收器所接收到的運卷車位置的經緯度信息數據，t是時間。當檢測節點m從GPS節點n接收到信標信息（n，pn，t）時，檢測節點m同時會更新自己的地理位置參數并將（m，n，pn，t）記錄在自己的FLASH中，這種“GPS信息日志”成為日后安全事故發生時，事故起因的有效追溯與異常行為責任鑒定的有效依據[7]。

GPS衛星定位技術能夠較好的提供定位追蹤信息，但較容易受到外界環境的影響，比如當運卷車通過高樓林立的街道或者是隧道與立交橋時，衛星信號信號會變得很弱、中斷甚至無法定位。這時引入DR技術，它是一種常用的自助式車輛導航技術，能夠在短時間內保持較高的精度，數據有效性不受外界影響，但是DR只能確定車輛的相對位置，方向傳感器的誤差較大且隨時間積累，所以DR技術不能單獨或長時間使用。基于以上特性，將GPS技術與DR技術相結合，優勢互補并取長補短，實現運卷車實時精確定位。這里稱這種技術為GPS/DR組合定位追蹤濾波技術，其原理如圖3所示。

圖3 GPS/DR組合定位追蹤原理框圖

由圖可知GPS系統與DR系統分別獨立工作，當GPS信號穩定有效時，GPS系統所輸出的位置數據與DR系統輸出的位置數據的差值作為測量值進行最優卡爾曼濾波處理，其處理結果對DR系統數據進行校正，以獲得精確的位置參數。當運卷車進入衛星信號盲區時，衛星定位無效，此時直接輸出DR系統數據結果。

卡爾曼濾波器狀態方程如下[8]：

[xk+1=xk+kτk+1τvtcosθtdt ≈xk+T·vk·cos θk+1yk+1=yk+kτk+1τvtsin θtdt ≈yk+T·vk·sinθk+1] 為了進一步說明卡爾曼濾波器的狀態方程，圖4給出了運卷車運動的坐標關系[9]。

圖4 車輛運動的坐標關系

3.3 基于谷歌地圖 API的Web GIS技術

GPS 和GIS 的結合， 使GPS 的應用更加方便靈活。但要對運卷車進行實時監控并有效操控前端設備，這就要求GIS運行必須安全可靠并且能夠提供豐富的地圖操作功能。傳統的GIS技術已經不能滿足需要，基于谷歌地圖 API的Web GIS技術很好地適應了這種發展。API通過開放的Internet傳輸協議，以標準方式定義并且提供了可被其他應用程序調用的服務內容，它允許開發人員在不必建立自己的地圖服務器的情況下，將谷歌地圖數據嵌入到網站之中，建立自己的地圖應用程序。本系統使用微軟公司的Visual Studio 作為Web GIS的開發平臺，只需使用JavaScript等腳本命令來調用谷歌地圖，它為開發者提供地圖API接口，使其能夠使用GIS工具庫與組件庫開發并拓展已有的Web Service應用程序，使開發者自己的信息數據與地圖融合呈現。在本系統中Web GIS 可使用電子地圖定位、監控、追蹤試卷袋（箱）運輸的動態路徑與當前狀態。監控人員同時在地圖上可創建自己的標記、折線、多邊形電子圍欄等，實現了試卷運輸路徑與預設路徑不符時的動態報警。如圖5所示[10]。

4 結 語

本系統通過RFID信息采集系統能夠高效的實現各個試卷檢測點的信息采集并快速核對試卷歸屬與試卷數量。通過GPS技術可實現運卷途中全面動態采集運卷車當前位置，實現位置信息的智能感知，并通過GPRS等無線網絡技術，將位置坐標實施傳輸到遠程監控中心。應用GIS（地理信息系統）技術，將印刷廠、運卷車當前位置、考點位置、保密室等相關信息有效結合，通過利用地理信息系統所獨有的空間分析功能和可視化表單技術準確、圖文并茂地將地理位置信息呈現在遠程監控中心的監控人員面前，實現真正的可視化感知監控。通過RFID，GPS，GPRS，Web GIS這四種技術相融合，構建了一個基于物聯網的、實時的、高效的、規范的試卷流轉監控系統，真正實現了試卷流轉過程中可視化感知的動態監控。

圖5 試卷流轉系統用戶端界面

參考文獻

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[10] 周輝，葉樺，仰燕蘭.基于WebGIS與車載移動視頻的智能車輛監控系統[J].東南大學學報：自然科學版，2010（z1）：192?197.

GPS衛星定位技術能夠較好的提供定位追蹤信息，但較容易受到外界環境的影響，比如當運卷車通過高樓林立的街道或者是隧道與立交橋時，衛星信號信號會變得很弱、中斷甚至無法定位。這時引入DR技術，它是一種常用的自助式車輛導航技術，能夠在短時間內保持較高的精度，數據有效性不受外界影響，但是DR只能確定車輛的相對位置，方向傳感器的誤差較大且隨時間積累，所以DR技術不能單獨或長時間使用。基于以上特性，將GPS技術與DR技術相結合，優勢互補并取長補短，實現運卷車實時精確定位。這里稱這種技術為GPS/DR組合定位追蹤濾波技術，其原理如圖3所示。

圖3 GPS/DR組合定位追蹤原理框圖

由圖可知GPS系統與DR系統分別獨立工作，當GPS信號穩定有效時，GPS系統所輸出的位置數據與DR系統輸出的位置數據的差值作為測量值進行最優卡爾曼濾波處理，其處理結果對DR系統數據進行校正，以獲得精確的位置參數。當運卷車進入衛星信號盲區時，衛星定位無效，此時直接輸出DR系統數據結果。

卡爾曼濾波器狀態方程如下[8]：

[xk+1=xk+kτk+1τvtcosθtdt ≈xk+T·vk·cos θk+1yk+1=yk+kτk+1τvtsin θtdt ≈yk+T·vk·sinθk+1] 為了進一步說明卡爾曼濾波器的狀態方程，圖4給出了運卷車運動的坐標關系[9]。

圖4 車輛運動的坐標關系

3.3 基于谷歌地圖 API的Web GIS技術

GPS 和GIS 的結合， 使GPS 的應用更加方便靈活。但要對運卷車進行實時監控并有效操控前端設備，這就要求GIS運行必須安全可靠并且能夠提供豐富的地圖操作功能。傳統的GIS技術已經不能滿足需要，基于谷歌地圖 API的Web GIS技術很好地適應了這種發展。API通過開放的Internet傳輸協議，以標準方式定義并且提供了可被其他應用程序調用的服務內容，它允許開發人員在不必建立自己的地圖服務器的情況下，將谷歌地圖數據嵌入到網站之中，建立自己的地圖應用程序。本系統使用微軟公司的Visual Studio 作為Web GIS的開發平臺，只需使用JavaScript等腳本命令來調用谷歌地圖，它為開發者提供地圖API接口，使其能夠使用GIS工具庫與組件庫開發并拓展已有的Web Service應用程序，使開發者自己的信息數據與地圖融合呈現。在本系統中Web GIS 可使用電子地圖定位、監控、追蹤試卷袋（箱）運輸的動態路徑與當前狀態。監控人員同時在地圖上可創建自己的標記、折線、多邊形電子圍欄等，實現了試卷運輸路徑與預設路徑不符時的動態報警。如圖5所示[10]。

4 結 語

本系統通過RFID信息采集系統能夠高效的實現各個試卷檢測點的信息采集并快速核對試卷歸屬與試卷數量。通過GPS技術可實現運卷途中全面動態采集運卷車當前位置，實現位置信息的智能感知，并通過GPRS等無線網絡技術，將位置坐標實施傳輸到遠程監控中心。應用GIS（地理信息系統）技術，將印刷廠、運卷車當前位置、考點位置、保密室等相關信息有效結合，通過利用地理信息系統所獨有的空間分析功能和可視化表單技術準確、圖文并茂地將地理位置信息呈現在遠程監控中心的監控人員面前，實現真正的可視化感知監控。通過RFID，GPS，GPRS，Web GIS這四種技術相融合，構建了一個基于物聯網的、實時的、高效的、規范的試卷流轉監控系統，真正實現了試卷流轉過程中可視化感知的動態監控。

圖5 試卷流轉系統用戶端界面

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GPS衛星定位技術能夠較好的提供定位追蹤信息，但較容易受到外界環境的影響，比如當運卷車通過高樓林立的街道或者是隧道與立交橋時，衛星信號信號會變得很弱、中斷甚至無法定位。這時引入DR技術，它是一種常用的自助式車輛導航技術，能夠在短時間內保持較高的精度，數據有效性不受外界影響，但是DR只能確定車輛的相對位置，方向傳感器的誤差較大且隨時間積累，所以DR技術不能單獨或長時間使用。基于以上特性，將GPS技術與DR技術相結合，優勢互補并取長補短，實現運卷車實時精確定位。這里稱這種技術為GPS/DR組合定位追蹤濾波技術，其原理如圖3所示。

圖3 GPS/DR組合定位追蹤原理框圖

由圖可知GPS系統與DR系統分別獨立工作，當GPS信號穩定有效時，GPS系統所輸出的位置數據與DR系統輸出的位置數據的差值作為測量值進行最優卡爾曼濾波處理，其處理結果對DR系統數據進行校正，以獲得精確的位置參數。當運卷車進入衛星信號盲區時，衛星定位無效，此時直接輸出DR系統數據結果。

卡爾曼濾波器狀態方程如下[8]：

[xk+1=xk+kτk+1τvtcosθtdt ≈xk+T·vk·cos θk+1yk+1=yk+kτk+1τvtsin θtdt ≈yk+T·vk·sinθk+1] 為了進一步說明卡爾曼濾波器的狀態方程，圖4給出了運卷車運動的坐標關系[9]。

圖4 車輛運動的坐標關系

3.3 基于谷歌地圖 API的Web GIS技術

GPS 和GIS 的結合， 使GPS 的應用更加方便靈活。但要對運卷車進行實時監控并有效操控前端設備，這就要求GIS運行必須安全可靠并且能夠提供豐富的地圖操作功能。傳統的GIS技術已經不能滿足需要，基于谷歌地圖 API的Web GIS技術很好地適應了這種發展。API通過開放的Internet傳輸協議，以標準方式定義并且提供了可被其他應用程序調用的服務內容，它允許開發人員在不必建立自己的地圖服務器的情況下，將谷歌地圖數據嵌入到網站之中，建立自己的地圖應用程序。本系統使用微軟公司的Visual Studio 作為Web GIS的開發平臺，只需使用JavaScript等腳本命令來調用谷歌地圖，它為開發者提供地圖API接口，使其能夠使用GIS工具庫與組件庫開發并拓展已有的Web Service應用程序，使開發者自己的信息數據與地圖融合呈現。在本系統中Web GIS 可使用電子地圖定位、監控、追蹤試卷袋（箱）運輸的動態路徑與當前狀態。監控人員同時在地圖上可創建自己的標記、折線、多邊形電子圍欄等，實現了試卷運輸路徑與預設路徑不符時的動態報警。如圖5所示[10]。

4 結 語

本系統通過RFID信息采集系統能夠高效的實現各個試卷檢測點的信息采集并快速核對試卷歸屬與試卷數量。通過GPS技術可實現運卷途中全面動態采集運卷車當前位置，實現位置信息的智能感知，并通過GPRS等無線網絡技術，將位置坐標實施傳輸到遠程監控中心。應用GIS（地理信息系統）技術，將印刷廠、運卷車當前位置、考點位置、保密室等相關信息有效結合，通過利用地理信息系統所獨有的空間分析功能和可視化表單技術準確、圖文并茂地將地理位置信息呈現在遠程監控中心的監控人員面前，實現真正的可視化感知監控。通過RFID，GPS，GPRS，Web GIS這四種技術相融合，構建了一個基于物聯網的、實時的、高效的、規范的試卷流轉監控系統，真正實現了試卷流轉過程中可視化感知的動態監控。

圖5 試卷流轉系統用戶端界面

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