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遠程教育考試試卷流轉(zhuǎn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計論文
0 引 言
隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，形形色色的高科技產(chǎn)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，考試安全形式不容樂觀，特別是試卷流轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)過程需要經(jīng)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(huán)節(jié)，各個環(huán)節(jié)缺一不可，相互支撐，互相制約。如何保障整個流轉(zhuǎn)過程安全、快捷地實施。現(xiàn)有手工管理試卷的模式已經(jīng)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(zhuǎn)監(jiān)控系統(tǒng)來保證對各個環(huán)節(jié)的嚴格把控。單就中央電大統(tǒng)設(shè)課考試為例：考試涉及44個省級電大，試卷數(shù)量達到上千萬份之多，數(shù)量巨大，試卷的安全流轉(zhuǎn)問題不可小覷。目前還沒有有效的監(jiān)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(zhuǎn)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)試卷流轉(zhuǎn)過程中的動態(tài)跟蹤與可視化監(jiān)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(lián)網(wǎng)的概念及特點
物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）是“實物互聯(lián)網(wǎng)”的簡稱。實物互聯(lián)網(wǎng)可進一步解釋為利用互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)架物聯(lián)網(wǎng)體系，實現(xiàn)對入網(wǎng)物品的感知、傳輸與應用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已被廣泛應用于工業(yè)監(jiān)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(chǎn)管理、智能圖書館管理等眾多領(lǐng)域。從物聯(lián)網(wǎng)應用來看，三個層次值得關(guān)注：
第一，傳感層。它是用來感知信息數(shù)據(jù)，主要通過射頻識別（RFID）技術(shù)、全球定位系統(tǒng)（GPS、北斗）技術(shù)，二維碼等相對來說較為成熟的技術(shù)來實現(xiàn)對“物”的識別。傳感層由眾多具有感知和識別功能的設(shè)備組成，可以部署于全球任何位置環(huán)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(shù)（Radio Frequency Identification，RFID），它可通過無線電信號識別特定目標并讀/寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)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(tǒng)組成。GPS技術(shù)，它是英文Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的簡稱。利用GPS定位衛(wèi)星，在全球范圍內(nèi)實時進行定位、導航的系統(tǒng)。GPS信號接收機接收衛(wèi)星信號，根據(jù)這些信號數(shù)據(jù)，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(jīng)緯度、高度、速度、時間等信息。
第二，網(wǎng)絡(luò)傳輸層。它是被普遍認為最成熟的部分，它包括數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)器和各種現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)（互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)、移動通信網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)、廣電網(wǎng)）形成的融合網(wǎng)絡(luò)，用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與計算。
第三，應用服務(wù)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(wù)模式，實現(xiàn)決策和控制智能。它是物聯(lián)網(wǎng)和用戶（包括人、組織和其他系統(tǒng)）的接口，包括各種智能系統(tǒng)，如：GIS（地理信息系統(tǒng)）、MIS（管理信息系統(tǒng)）等，通過各種智能運算技術(shù)與信息管理技術(shù)，對海量信息進行全面分析并實時反饋給用戶，協(xié)助用戶進行正確決策。
2 基于物聯(lián)網(wǎng)的試卷流轉(zhuǎn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計
通常試卷在生成后會經(jīng)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(zhuǎn)過程中缺乏先進的試卷狀態(tài)檢測手段，所以應用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(jiān)控中心有機結(jié)合起來，構(gòu)建一個試卷流轉(zhuǎn)監(jiān)控系統(tǒng)（如圖1所示），實現(xiàn)對試卷在各個流轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)的透明感知與實時追蹤。
基于物聯(lián)網(wǎng)的試卷流轉(zhuǎn)監(jiān)控系統(tǒng)由無線傳感器監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、遠程監(jiān)控中心三個部分組成。
無線傳感器監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)是整個試卷流轉(zhuǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的核心。它主要是通過多種傳感器如RFID、條碼、GPS等數(shù)據(jù)采集技術(shù)，負責試卷狀態(tài)數(shù)據(jù)信息的采集，異常行為的初步判定等功能。它由多個檢測節(jié)點和一個網(wǎng)關(guān)構(gòu)成。
RFID檢測節(jié)點部署在每個卷袋表面，RFID標簽粘帖在卷袋右上角。其內(nèi)存儲有事先約定好格式的數(shù)據(jù)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(jiān)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(shù)量是否正確。采集結(jié)果由掃描終端實時傳輸?shù)絉FID信息采集系統(tǒng)，當運卷車到達時間、考點信息、試卷份數(shù)與設(shè)定數(shù)據(jù)不一致時，信息采集系統(tǒng)發(fā)出錯誤報警信號，同時將數(shù)據(jù)傳輸給遠程監(jiān)控中心。基于RFID信息采集系統(tǒng)的試卷監(jiān)控流程如圖2所示，由此流程來完成試卷監(jiān)控點的信息采集。
門磁傳感器節(jié)點部署在試卷箱內(nèi)部緊貼卷箱開啟的位置，主要用于實時監(jiān)控試卷箱是否被異常開關(guān)。它的硬件結(jié)構(gòu)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。當試卷封裝到卷袋內(nèi)，按卷號順序入箱并封裝之后，卷箱頂內(nèi)側(cè)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(guān)閉時，門磁傳感器模塊就會感知異常行為狀態(tài)并通過無線通信模塊向網(wǎng)關(guān)傳輸數(shù)據(jù)信息。
GPS節(jié)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(wǎng)絡(luò)，實時獲取車輛的位置信息，并傳輸?shù)竭h程監(jiān)控中心進行動態(tài)展示。GPS節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)由存儲模塊、處理器模塊、能量供給模塊和GPS接收模塊構(gòu)成。GPS接收模塊定時接收衛(wèi)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(wèi)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(shù)將向運卷車內(nèi)的無線傳感監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)提供運卷車的實時位置信息和時間信息。
網(wǎng)關(guān)也叫匯聚節(jié)點，它部署在運卷車的車箱頂部，硬件結(jié)構(gòu)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(gòu)成。無線通信模塊用來接收各個監(jiān)測節(jié)點傳送過來的檢測數(shù)據(jù)，報警模塊向試卷押運人員實時發(fā)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(jiān)控終端以供進一步分析。
數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，試卷流轉(zhuǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)是由GSM網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，采用GPRS無線通信方式，GPRS是GSM的延續(xù)，它有很好的信號覆蓋，幾乎所有的地區(qū)只要手機開機就可以自動加載GPRS網(wǎng)絡(luò)，并同時與數(shù)據(jù)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(guān)請求，可以在任何時間、任何地點實現(xiàn)方便且快速的網(wǎng)絡(luò)訴求，同時GPRS的計費按通信的數(shù)據(jù)量為主要依據(jù)，體現(xiàn)了“傳輸多少、支付多少”的原則，連接時間可能長達數(shù)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(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。
遠程監(jiān)控中心由遠程監(jiān)控人員、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器、GIS服務(wù)器和多臺電腦組成，通過對各個監(jiān)測終端與監(jiān)測節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)進行精確的分析，實現(xiàn)試卷在整個運輸過程中的實時監(jiān)控與預警處理。同時，依據(jù)試卷在整個運輸過程中所有行為的存儲數(shù)據(jù)，可以重構(gòu)試卷在運輸過程中的所有行為，在安全事故發(fā)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(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)
3.1 基于門磁傳感器的貨物完整性監(jiān)測技術(shù)
當門磁傳感器模塊與永磁體緊貼在一起處于閉合狀態(tài)時采樣數(shù)據(jù)為0，如果兩者分離，采樣數(shù)據(jù)變?yōu)槠渌麛?shù)值。當門磁傳感器檢測到卷箱開啟狀態(tài)，監(jiān)測節(jié)點不會立即發(fā)送報警信號，而是快速進行下一次檢測驗證，以減少系統(tǒng)誤判。其算法如下：
Input：門磁采樣數(shù)據(jù)M，概率數(shù)據(jù)P，采樣周期T；output：貨物完整性檢測結(jié)果。
If M>0 then
i→random； /*取0～1之間的隨機數(shù)*/
if i>p then
R→1；
else
T→Tmin； /*采樣周期設(shè)為最小值*/
Return-1.
end if
else
R→0；
end if
T→Tmin； /*采用周期設(shè)置為最大值*/
Return R.
3.2 基于GPS/DR的組合定位追蹤濾波技術(shù)
運卷車廂內(nèi)部的GPS節(jié)點負責實時接收車輛位置信息，接收結(jié)束后會廣播發(fā)送一個信標消息（n、pn、t），其中n是GPS節(jié)點編碼，pn是GPS接收器所接收到的運卷車位置的經(jīng)緯度信息數(shù)據(jù)，t是時間。當檢測節(jié)點m從GPS節(jié)點n接收到信標信息（n，pn，t）時，檢測節(jié)點m同時會更新自己的地理位置參數(shù)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(fā)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(jù)。
GPS衛(wèi)星定位技術(shù)能夠較好的提供定位追蹤信息，但較容易受到外界環(huán)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(wèi)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(shù)，它是一種常用的自助式車輛導航技術(shù)，能夠在短時間內(nèi)保持較高的精度，數(shù)據(jù)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(shù)不能單獨或長時間使用。基于以上特性，將GPS技術(shù)與DR技術(shù)相結(jié)合，優(yōu)勢互補并取長補短，實現(xiàn)運卷車實時精確定位。這里稱這種技術(shù)為GPS/DR組合定位追蹤濾波技術(shù)，其原理如圖3所示。
由圖可知GPS系統(tǒng)與DR系統(tǒng)分別獨立工作，當GPS信號穩(wěn)定有效時，GPS系統(tǒng)所輸出的位置數(shù)據(jù)與DR系統(tǒng)輸出的位置數(shù)據(jù)的差值作為測量值進行最優(yōu)卡爾曼濾波處理，其處理結(jié)果對DR系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行校正，以獲得精確的位置參數(shù)。當運卷車進入衛(wèi)星信號盲區(qū)時，衛(wèi)星定位無效，此時直接輸出DR系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)果。
卡爾曼濾波器狀態(tài)方程如下：
為了進一步說明卡爾曼濾波器的狀態(tài)方程，圖4給出了運卷車運動的坐標關(guān)系。
3.3 基于谷歌地圖 API的Web GIS技術(shù)
GPS 和GIS 的結(jié)合， 使GPS 的應用更加方便靈活。但要對運卷車進行實時監(jiān)控并有效操控前端設(shè)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(tǒng)的GIS技術(shù)已經(jīng)不能滿足需要，基于谷歌地圖 API的Web GIS技術(shù)很好地適應了這種發(fā)展。API通過開放的Internet傳輸協(xié)議，以標準方式定義并且提供了可被其他應用程序調(diào)用的服務(wù)內(nèi)容，它允許開發(fā)人員在不必建立自己的地圖服務(wù)器的情況下，將谷歌地圖數(shù)據(jù)嵌入到網(wǎng)站之中，建立自己的地圖應用程序。本系統(tǒng)使用微軟公司的Visual Studio 作為Web GIS的開發(fā)平臺，只需使用JavaScript等腳本命令來調(diào)用谷歌地圖，它為開發(fā)者提供地圖API接口，使其能夠使用GIS工具庫與組件庫開發(fā)并拓展已有的Web Service應用程序，使開發(fā)者自己的信息數(shù)據(jù)與地圖融合呈現(xiàn)。在本系統(tǒng)中Web GIS 可使用電子地圖定位、監(jiān)控、追蹤試卷袋（箱）運輸?shù)膭討B(tài)路徑與當前狀態(tài)。監(jiān)控人員同時在地圖上可創(chuàng)建自己的標記、折線、多邊形電子圍欄等，實現(xiàn)了試卷運輸路徑與預設(shè)路徑不符時的動態(tài)報警。如圖5所示。
4 結(jié) 語
本系統(tǒng)通過RFID信息采集系統(tǒng)能夠高效的實現(xiàn)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(shù)量。通過GPS技術(shù)可實現(xiàn)運卷途中全面動態(tài)采集運卷車當前位置，實現(xiàn)位置信息的智能感知，并通過GPRS等無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將位置坐標實施傳輸?shù)竭h程監(jiān)控中心。應用GIS（地理信息系統(tǒng)）技術(shù)，將印刷廠、運卷車當前位置、考點位置、保密室等相關(guān)信息有效結(jié)合，通過利用地理信息系統(tǒng)所獨有的空間分析功能和可視化表單技術(shù)準確、圖文并茂地將地理位置信息呈現(xiàn)在遠程監(jiān)控中心的監(jiān)控人員面前，實現(xiàn)真正的可視化感知監(jiān)控。通過RFID，GPS，GPRS，Web GIS這四種技術(shù)相融合，構(gòu)建了一個基于物聯(lián)網(wǎng)的、實時的、高效的、規(guī)范的試卷流轉(zhuǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，真正實現(xiàn)了試卷流轉(zhuǎn)過程中可視化感知的動態(tài)監(jiān)控。
參考文獻
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