中职智慧校园建设中的物联网关键技术应用研究

◆邓传国



中职智慧校园建设中的物联网关键技术应用研究

◆邓传国

(合肥工业学校 安徽 230001)

中职学校智慧校园是以数字化校园为基础，通过改造学校内的设施设备、数字化资源，而构建的校园内智慧化环境。在中职智慧校园建设中，物联网技术设计问题和解决方案主要包括传感器网络设计、射频识别技术、M2M平台搭建等。

传感器；射频识别；M2M平台；智慧校园；身份识别

0 前言

随着中等职业学校数字校园建设的不断发展，物联网、大数据、云计算技术的日益成熟，中职智慧化校园建设渐行渐近。怎样利用这些现代新技术，实现中职校园由数字化转化为更快捷、智能的智慧化校园，用新技术推动中职校园管理、教师教学方式、学生网络学习空间改革，让师生的生活学习更加智能化，是职业学校智慧化校园建设者要思考的问题。

中职学校智慧校园是以数字化校园为基础，通过改造学校内的设施设备、数字化资源，从而构建的校园内智慧化环境。中职的智慧校园的结构从宏观上看主要由三部分构成的，感知层、网络层和应用层。最底层是感知层，主要解决生物世界和物理世界的数据获取和连接问题，传感器是最基础的设备，传感器类型多种多样，每个传感器都是一个信息源。网络层是三大层次结构的第二层，主要负责把感知层接收到的信息高效、安全的进行传输。最上层应用层提供丰富的基于物联网的应用，是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口。它与各行业需求结合，实现物联网的智能应用。

在中职智慧校园建设中，物联网技术设计问题和解决方案主要包括以下几个方面内容。

1 传感器网络设计

中职智慧校园建设中需要安装和配置大量的传感器，每个传感器获得的数据具有实时性，按一定的频率周期性的采集各类数据，不断更新数据。但是大部分传感器采集节点是固定的，不可移动性造成其存储、通信能力较弱，因此需要设计出合适的协议，从而减少能量衰减，达到负载均衡。

传感器如何实现智能化管理，单个传感器由于元器件的制造工艺原因，数据的输出会随着时间产生偏差，比如由焊接产生偏移、由温度造成非线性缩放。为了尽可能弥补这种偏移和缩放，需要进行传感器耦合，进行自动、快速的校正。多传感器需要以协作办法，通过网络上不同的、安全有效的路径，将数据发送给相关的智能型传感器，再根据不同情况，在机器和人工的监督下确定具体的位置，确定下一步处理方案和措施。综合起来，每个传感器就是一个节点，节点与节点之间的联系用路径连接起来，构成一个网状图形。每一个传感器可以内置一个CPU、可读写的RAM、低于40 Kb每秒的速率，可实现100英尺范围内的数据收集和发送，耗电量很低。传感器采用了高效的算法，提高了整合度，加上与之匹配的电源管理，从而实现了节电的效果，接近Net-Zero（零耗能）的目标。

大部分传感网络采用无线传输的方式，可以节约大量的维护成本和人力成本。通过增加具有智能决策的远程传感器，智能型手机就可以很方便地进行操作和维护，迅速有效地进行监视和校正，现场维护人员也不需要频繁地为设备更换电池，使得制程的效率得到提高，维护的质量得到保证，提高了工作效率，节约了维护成本。相对于有线网络，无线传感器网络的安装更加方便，重新调整位置的工程也更简单。无线传感器网络可扩充性增强，链接具有更高的容错能力。无线传感器网络的在学校中的作用范围越来越广，包括条件式维护、智能化考勤、安全监控、教职工及学生管理等等。对设备不再采用定期维护，通过传感器进行条件式维护，定期获取数据后对相关设备执行精准维护，延长了设备的使用时间，杜绝了浪费现象。

2 射频识别技术

在中职的智慧校园中射频识别技术大部分用在教师和学生的身份认证，主要采用阅读器(PCD)和应答器(PICC)来进行，RFID系统的设计需要结合各职业学校的实际情况，从而找出最优的天线物理尺寸。

天线的设计，最主要的技术参数是等效电路的电容、机械尺寸、电感和线圈匝数，职业学校根据自己的实际需要，计算出合适的参数，设计最优的天线尺寸，使天线的运行效率最高。一般步骤如下：

2.1磁场耦合因子的优化

耦合因子与阅读器天线电感无关，与应答器天线的电感也无关，主要与线圈直径、线圈方位角有关，其排列的机械尺寸以及中线圈附近的物质对耦合因子影响最大，阅读距离对耦合因子起到至关重要的作用，因此缩小传输距离可以提高耦合因子，另外阅读器天线要与应答器的天线轴线保持平行。测量出阅读距离，可以通过下面的公式计算出阅读器天线线圈半径R，推导出磁场耦合因子k，磁场强度就计算出来了：

如果确定了阅读距离d，当线圈半径r小于阅读距离d时，磁场强度H随着线圈半径r的变化而发生巨大变化；当线圈半径r等于阅读距离d时，磁场强度H达到极值；当线圈半径r大于阅读距离d时时，磁场强度H按一定比例降低。因此，天线当线圈半径r约等于阅读距离d时达到最佳，如下图1所示。

2.2耦合因子的确定

图2 TTC及相关电路实验图

为找到最佳的耦合因子，需要对TTC（应答线圈）及相关电路进行实验，实验如图2所示，首先将TTC（应答线圈）安置在工作中的应答器的指定的地方。在信号发生器的激励下，阅读器天线开始工作，这样就可以顺利测出通过TTC（应答线圈）的电压。

天线线圈的匝数可以通过下面公式推导获得：

2.3天线设计

假设技术参数要求如下：阅读器线圈的可允许的频偏为百分之三，应答器线圈的频偏需控制在百分之四，阅读距离在为20毫米范围内。

（1）根据以上参数，阅读器线圈半径r设置为20毫米，这样可以使磁场耦合效果达到最优状态；

（2）根据上面公式计算出耦合因子k大约为1.2%；

（3）总的频率容许频率偏差为阅读器线圈的可允许的频偏为百分之三加上应答器线圈的频偏百分之四，设置为百分之七，而LR=1.24mH的曲线应该在耦合因子k(k为1．2%)，上下误差不超过百分之七，所以LR取值范围为（403μH～880μH）。这里这里我们取LR为708μH。根据公式计算线圈的匝数为98，从而推导出CR大约为2.1nF。

当然外界干扰会给设计和计算的结果带来一些误差，上述的过程可以为射频识别系统研究提供一些参考。

3 M2M平台搭建，以无线通信等接入手段实现安全稳定的通信

M2M（machine to machine）技术来源于物联网技术，主要是将生活中各种物品连接上网，完成设备间与设备的数据传输、控制和共享，根据实际环境参数为决策提供参考和依据。其最终目的是实现人类的生活科学化和自动化。

M2M技术的推广有着美好的前景，但是制约M2M技术更快更稳定的发展的主要问题之一的就是M2M系统数据传输过程的安全问题和设备本身的稳定问题。M2M系统的宏观结构包括节点（设备）、传输介质及数据处理中心三个部分。节点完成对数据的收集，并将其及时传送到专门数据处理中心。因为设备的成本原因，节点的功能一般比较简单，大部分数据处理功能由控制中心负责；传输介质负责将节点数据传输到数据处理和控制中心，数据处理中心完成节点的数据整理、分析、加工、判断等后台工作，并依据处理结果向节点发送控制命令。

关于对系统节点、传输介质、数据处理中心许多文章都进行了详细的说明，在此不再赘述。要M2M保证系统的有序安全运行，需要多角度做好系统的安全防护措施，任意环节出现问题，都有可能让整个系统处于瘫痪状态，M2M系统安全措施可以从以下几个角度进行。

3.1身份识别的系统

M2M系统所设计的物品较多，需要权衡密钥的更新和硬件成本，不易采用对称式密钥系统。对称式密钥管理可能会使网络产生效能瓶颈，M2M系统的运行效率会大打折扣。

智慧校园统一身份认证系统是用户访问的唯一入口，它融合了中职校园的诸如门户网站、教务、后勤等应用系统。它对所有用户的身份信息进行集中存储，并完成身份认证、角色分配和按需分配权限。为方便认证系统的日常管理，需提供日志查询、监控交互、数据的备份和恢复等管理工具，统一身份认证系统的基本框架结构如图3所示。

图3 统一身份认证系统基本框架结构

3.2匹配监督

传感器的内置程序在ROM中执行，ROM是只读存储器，不具有写的功能，攻击者无法完成对内存的修改，因此攻击者只能对节点进行攻击，攻击的方法一般是对节点的程序进行修改，更改后的程序在传感器中运行，完成对整个系统的攻击。

预防攻击最好的办法就是从监控节点的硬件开始，让攻击者无法对ROM进行修改。当ROM被攻击者的重写的时候，该一节点处于不可用的状态，监督它的节点发现异常后，作出异常处理并向系统中心发送异常数据，从而完成对每一个节点实时状态的监控，有效地预防了攻击者修改节点的威胁，这就是M2M系统的匹配监督机制。

3.3侦测错误数据并过滤

各节点将大量数据发送给数据处理中心，如果是错误的或者不准确的数据，系统工具这些数据可能会作出错误的判断和决策。因此节点数据是否准确非常关键，数据处理中心采集来的数据需要进行区分和鉴别，分析当前节点及周边节点采集的数据差异性，如果当前节点的数据和周边节点数据对比的不符合常理，那么系统将丢弃该节点的数据，保证整体数据的准确性和有效性，从而为系统的决策正确性提供有力的保证。

当然，网络线路故障、供电原因也会造成M2M系统安全问题，因此在整个系统设计过程中需要和网络服务商、供电部门进行沟通，确保保证M2M系统在各种环境下能够正常的运行。

4 总结

随着物联网技术的不断成熟，相关设备智能化水平的提高，中等职业学校的智慧校园可选择的产品也越来越多，智慧校园建设中的软件开发就显得尤为重要，大数据技术要实现海量信息保存、查询、分析、过滤等的功能，涉及到教师、学生、物联网中所有节点的信息。同时还要融入人工情感技术，使得智慧校园系统的人机交互更加易用、自然、和谐。中职的智慧校园建设牵涉到学校内部和外部的方方面面，需要从顶层设计，除了庞大的资金供给，还需要强有力的软件开发技术支持。在中职智慧校园建设中，需要争取上级主管部门的支持，调动学校内部各部门的积极性，共同建设美丽的中职智慧校园。

[1]高洁，徐克宝.基于U2270B的射频识别系统天线设计[J].电子元器件应用，2006.

[2]高同，朱佳佳.M2M功能架构与安全研究[J].计算机技术与发展，2012.

[3]程维刚.数字化校园环境中统一身份认证系统模型研究.软件导刊，2015.