中職智慧校園建設中的物聯網關鍵技術應用研究

◆鄧傳國

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中職智慧校園建設中的物聯網關鍵技術應用研究

◆鄧傳國

(合肥工業學校 安徽 230001)

中職學校智慧校園是以數字化校園為基礎，通過改造學校內的設施設備、數字化資源，而構建的校園內智慧化環境。在中職智慧校園建設中，物聯網技術設計問題和解決方案主要包括傳感器網絡設計、射頻識別技術、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

隨著中等職業學校數字校園建設的不斷發展，物聯網、大數據、云計算技術的日益成熟，中職智慧化校園建設漸行漸近。怎樣利用這些現代新技術，實現中職校園由數字化轉化為更快捷、智能的智慧化校園，用新技術推動中職校園管理、教師教學方式、學生網絡學習空間改革，讓師生的生活學習更加智能化，是職業學校智慧化校園建設者要思考的問題。

中職學校智慧校園是以數字化校園為基礎，通過改造學校內的設施設備、數字化資源，從而構建的校園內智慧化環境。中職的智慧校園的結構從宏觀上看主要由三部分構成的，感知層、網絡層和應用層。最底層是感知層，主要解決生物世界和物理世界的數據獲取和連接問題，傳感器是最基礎的設備，傳感器類型多種多樣，每個傳感器都是一個信息源。網絡層是三大層次結構的第二層，主要負責把感知層接收到的信息高效、安全的進行傳輸。最上層應用層提供豐富的基于物聯網的應用，是物聯網和用戶（包括人、組織和其他系統）的接口。它與各行業需求結合，實現物聯網的智能應用。

在中職智慧校園建設中，物聯網技術設計問題和解決方案主要包括以下幾個方面內容。

1 傳感器網絡設計

中職智慧校園建設中需要安裝和配置大量的傳感器，每個傳感器獲得的數據具有實時性，按一定的頻率周期性的采集各類數據，不斷更新數據。但是大部分傳感器采集節點是固定的，不可移動性造成其存儲、通信能力較弱，因此需要設計出合適的協議，從而減少能量衰減，達到負載均衡。

傳感器如何實現智能化管理，單個傳感器由于元器件的制造工藝原因，數據的輸出會隨著時間產生偏差，比如由焊接產生偏移、由溫度造成非線性縮放。為了盡可能彌補這種偏移和縮放，需要進行傳感器耦合，進行自動、快速的校正。多傳感器需要以協作辦法，通過網絡上不同的、安全有效的路徑，將數據發送給相關的智能型傳感器，再根據不同情況，在機器和人工的監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，每個傳感器就是一個節點，節點與節點之間的聯系用路徑連接起來，構成一個網狀圖形。每一個傳感器可以內置一個CPU、可讀寫的RAM、低于40 Kb每秒的速率，可實現100英尺范圍內的數據收集和發送，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，從而實現了節電的效果，接近Net-Zero（零耗能）的目標。

大部分傳感網絡采用無線傳輸的方式，可以節約大量的維護成本和人力成本。通過增加具有智能決策的遠程傳感器，智能型手機就可以很方便地進行操作和維護，迅速有效地進行監視和校正，現場維護人員也不需要頻繁地為設備更換電池，使得制程的效率得到提高，維護的質量得到保證，提高了工作效率，節約了維護成本。相對于有線網絡，無線傳感器網絡的安裝更加方便，重新調整位置的工程也更簡單。無線傳感器網絡可擴充性增強，鏈接具有更高的容錯能力。無線傳感器網絡的在學校中的作用范圍越來越廣，包括條件式維護、智能化考勤、安全監控、教職工及學生管理等等。對設備不再采用定期維護，通過傳感器進行條件式維護，定期獲取數據后對相關設備執行精準維護，延長了設備的使用時間，杜絕了浪費現象。

2 射頻識別技術

在中職的智慧校園中射頻識別技術大部分用在教師和學生的身份認證，主要采用閱讀器(PCD)和應答器(PICC)來進行，RFID系統的設計需要結合各職業學校的實際情況，從而找出最優的天線物理尺寸。

天線的設計，最主要的技術參數是等效電路的電容、機械尺寸、電感和線圈匝數，職業學校根據自己的實際需要，計算出合適的參數，設計最優的天線尺寸，使天線的運行效率最高。一般步驟如下：

2.1磁場耦合因子的優化

耦合因子與閱讀器天線電感無關，與應答器天線的電感也無關，主要與線圈直徑、線圈方位角有關，其排列的機械尺寸以及中線圈附近的物質對耦合因子影響最大，閱讀距離對耦合因子起到至關重要的作用，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算出閱讀器天線線圈半徑R，推導出磁場耦合因子k，磁場強度就計算出來了：

如果確定了閱讀距離d，當線圈半徑r小于閱讀距離d時，磁場強度H隨著線圈半徑r的變化而發生巨大變化；當線圈半徑r等于閱讀距離d時，磁場強度H達到極值；當線圈半徑r大于閱讀距離d時時，磁場強度H按一定比例降低。因此，天線當線圈半徑r約等于閱讀距離d時達到最佳，如下圖1所示。

2.2耦合因子的確定

圖2 TTC及相關電路實驗圖

為找到最佳的耦合因子，需要對TTC（應答線圈）及相關電路進行實驗，實驗如圖2所示，首先將TTC（應答線圈）安置在工作中的應答器的指定的地方。在信號發生器的激勵下，閱讀器天線開始工作，這樣就可以順利測出通過TTC（應答線圈）的電壓。

天線線圈的匝數可以通過下面公式推導獲得：

2.3天線設計

假設技術參數要求如下：閱讀器線圈的可允許的頻偏為百分之三，應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。

（1）根據以上參數，閱讀器線圈半徑r設置為20毫米，這樣可以使磁場耦合效果達到最優狀態；

（2）根據上面公式計算出耦合因子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答器線圈的頻偏百分之四，設置為百分之七，而LR=1.24mH的曲線應該在耦合因子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）。這里這里我們取LR為708μH。根據公式計算線圈的匝數為98，從而推導出CR大約為2.1nF。

當然外界干擾會給設計和計算的結果帶來一些誤差，上述的過程可以為射頻識別系統研究提供一些參考。

3 M2M平臺搭建，以無線通信等接入手段實現安全穩定的通信

M2M（machine to machine）技術來源于物聯網技術，主要是將生活中各種物品連接上網，完成設備間與設備的數據傳輸、控制和共享，根據實際環境參數為決策提供參考和依據。其最終目的是實現人類的生活科學化和自動化。

M2M技術的推廣有著美好的前景，但是制約M2M技術更快更穩定的發展的主要問題之一的就是M2M系統數據傳輸過程的安全問題和設備本身的穩定問題。M2M系統的宏觀結構包括節點（設備）、傳輸介質及數據處理中心三個部分。節點完成對數據的收集，并將其及時傳送到專門數據處理中心。因為設備的成本原因，節點的功能一般比較簡單，大部分數據處理功能由控制中心負責；傳輸介質負責將節點數據傳輸到數據處理和控制中心，數據處理中心完成節點的數據整理、分析、加工、判斷等后臺工作，并依據處理結果向節點發送控制命令。

關于對系統節點、傳輸介質、數據處理中心許多文章都進行了詳細的說明，在此不再贅述。要M2M保證系統的有序安全運行，需要多角度做好系統的安全防護措施，任意環節出現問題，都有可能讓整個系統處于癱瘓狀態，M2M系統安全措施可以從以下幾個角度進行。

3.1身份識別的系統

M2M系統所設計的物品較多，需要權衡密鑰的更新和硬件成本，不易采用對稱式密鑰系統。對稱式密鑰管理可能會使網絡產生效能瓶頸，M2M系統的運行效率會大打折扣。

智慧校園統一身份認證系統是用戶訪問的唯一入口，它融合了中職校園的諸如門戶網站、教務、后勤等應用系統。它對所有用戶的身份信息進行集中存儲，并完成身份認證、角色分配和按需分配權限。為方便認證系統的日常管理，需提供日志查詢、監控交互、數據的備份和恢復等管理工具，統一身份認證系統的基本框架結構如圖3所示。

圖3 統一身份認證系統基本框架結構

3.2匹配監督

傳感器的內置程序在ROM中執行，ROM是只讀存儲器，不具有寫的功能，攻擊者無法完成對內存的修改，因此攻擊者只能對節點進行攻擊，攻擊的方法一般是對節點的程序進行修改，更改后的程序在傳感器中運行，完成對整個系統的攻擊。

預防攻擊最好的辦法就是從監控節點的硬件開始，讓攻擊者無法對ROM進行修改。當ROM被攻擊者的重寫的時候，該一節點處于不可用的狀態，監督它的節點發現異常后，作出異常處理并向系統中心發送異常數據，從而完成對每一個節點實時狀態的監控，有效地預防了攻擊者修改節點的威脅，這就是M2M系統的匹配監督機制。

3.3偵測錯誤數據并過濾

各節點將大量數據發送給數據處理中心，如果是錯誤的或者不準確的數據，系統工具這些數據可能會作出錯誤的判斷和決策。因此節點數據是否準確非常關鍵，數據處理中心采集來的數據需要進行區分和鑒別，分析當前節點及周邊節點采集的數據差異性，如果當前節點的數據和周邊節點數據對比的不符合常理，那么系統將丟棄該節點的數據，保證整體數據的準確性和有效性，從而為系統的決策正確性提供有力的保證。

當然，網絡線路故障、供電原因也會造成M2M系統安全問題，因此在整個系統設計過程中需要和網絡服務商、供電部門進行溝通，確保保證M2M系統在各種環境下能夠正常的運行。

4 總結

隨著物聯網技術的不斷成熟，相關設備智能化水平的提高，中等職業學校的智慧校園可選擇的產品也越來越多，智慧校園建設中的軟件開發就顯得尤為重要，大數據技術要實現海量信息保存、查詢、分析、過濾等的功能，涉及到教師、學生、物聯網中所有節點的信息。同時還要融入人工情感技術，使得智慧校園系統的人機交互更加易用、自然、和諧。中職的智慧校園建設牽涉到學校內部和外部的方方面面，需要從頂層設計，除了龐大的資金供給，還需要強有力的軟件開發技術支持。在中職智慧校園建設中，需要爭取上級主管部門的支持，調動學校內部各部門的積極性，共同建設美麗的中職智慧校園。

[1]高潔，徐克寶.基于U2270B的射頻識別系統天線設計[J].電子元器件應用，2006.

[2]高同，朱佳佳.M2M功能架構與安全研究[J].計算機技術與發展，2012.

[3]程維剛.數字化校園環境中統一身份認證系統模型研究.軟件導刊，2015.