基于物联网的军校自编教材全流程管理系统设计与实现

苏一平 赵邵蕾 高建亭 徐梦函 袁枭

摘  要：为了实现军校自编教材的全流程智能管理，采用RFID读写器、传感器等设备，结合RFID技术、传感器技术等物联网技术，完成了基于物联网技术的军校自编教材管理平台的智能设计和建设。文章基于某军校的教材管理系统建设实际，介绍了军校自编教材全流程管理系统的整体架构，部署了作为物联网感知层的数据采集系统架构，说明了系统的软件架构，设计了系统全周期管理模块、在库管理模块、安全预警模块和信息管理模块四个模块功能，介绍了系统的数据库和系统管理模块的具体实现，实现了自编教材流转过程的信息存储管理追溯。

关键词：军事教材；物联网；射频识别；管理系统

中图分类号：TP393   文献标识码：A   文章编号：2096-4706（2023）16-0159-07

Design and Implementation of Process Management System for Military Academy Self Compiled Textbooks Based on Internet of Things

SU Yiping， ZHAO Shaolei， GAO Jianting， XU Menghan， YUAN Xiao

（PLA Naval Submarine Academy， Qingdao  266199， China）

Abstract： In order to achieve the whole process intelligent management of military school self compiled textbooks， this paper uses RFID readers， sensors and other equipments， combined with RFID technology， sensor technology and oth-er Internet of Things technologies， so as to complete the intelligent design and construction of a military school self compiled textbook management plat-form based on Internet of Things technology. Based on the actual construction of a military school's textbook management system， this paper introduces the overall architecture of the whole process management system for the military school's self compiled textbooks， deploys the data acquisition system architec-ture as the perception layer of the Internet of Things， explains the software architecture of the system， and designs four module functions of the  whole cycle management module， the database management module， the security early warning module， and the information management module of system. It introduces the specific implementation of the system's database and system management mod-ule， achieving information storage management and traceability during the cir-culation process of self compiled textbooks.

Keywords： military textbook; Internet of Things; radio frequency identification; management system

0  引  言

為了实现军校自编教材的智能管理，将射频识别（RFID）技术作为教材识别和信息采集的关键，进行以单本自编教材为管理单位的教材标签化管理和信息采集，使用传感器技术实时监测仓库环境动态，建设了相应的自过教材全流程管理系统，进行自编教材使用流程的信息采集和存储管理，使自编教材在使用过程中具备更好的可追溯性。

近年来，物联网技术在智能存储系统的设计与开发中起到了关键作用，Liang等研究了基于物联网环境的存储系统架构的构建和关键点，并进行了模拟研究[1]。Zhao等研究了基于物联网技术的数字仓库软件架构的构建过程，突出了数字化的特点[2]。Zhang等对仓库管理系统进行了总体设计，建立了MySQL数据库，实现了一种新型智能仓库管理系统的设计和应用[3]。Lee等提出一种基于物联网的仓库管理系统，该系统具有先进的数据分析方法，使用计算智能技术实现工业4.0的智能物流[4]。Zhang提出了物联网辅助人机界面框架作为物流仓库管理系统[5]。RFID技术是物联网技术应用在智能存储领域的关键技术。Kermani等研究了基于WLAN和RFID的智能仓储的应用，并提出了一种使用无线射频技术和无线局域网技术的组合系统[6]。Chen等将射频识别作为产品识别和信息采集的关键点，开发了基于物联网的物流自动化管理软件原型系统[7]。Xu等研究了基于RFID的存储管理信息系统的设计，阐述了存储管理信息的相关理论，分析了RFID存储管理信息体系的需求，进行了RFID存储管理信息体系的总体设计和详细设计，并最终进行了仿真实现[8]。Mo等研究了RFID中间件在仓库管理物联网系统中的升级，并讨论了RFID中间件在物联网系统中的概念、特点、基础设施和应用功能[9]。徐慧剑提出了基于物联网RFID技术的智能仓储系统的具体架构方案和功能模块，阐述了智能仓储系统的设计和实现过程，并将系统与企业ERP系统有效的结合[10]。

物联网技术已经广泛应用在不同行业的智能存储系统中。Viloria等研究了基于物联网的危险货物智能物流系统的开发过程，使危险货物的运输能够实时监控和处理[11]。Wei以现代邮政物流和物联网理论为基础，结合我国邮政物流的需求和特点，分析了基于RFID的物联网在现代邮政物流管理中的作用，并设计开发了一个基于RFID的中国邮政现代物流仓库管理信息系统[12]。涂长永以某印刷企业为例，设计了基于物联网技术的企业仓储物流管理系统的架构，探讨了物联网技术在印刷品仓储物流管理系统中的应用[13]。樊凡围绕着物联网、仓储系统业务模块和RFID 技术支持三个方面，探讨了RFID 技术在港口仓储管理中的应用[14]。武晓钊对仓储业常用的物联网技术进行了分析，认为随着射频识别技术在仓储业应用的逐渐深入，感知技术集成应用（例如RFID技术与传感器技术的集成应用）可以对仓储物品进行更具深度的感知[15]。黄国兴等提出了基于物联网的高值医用耗材智能屋的管理系统，介绍了智能屋的整体架构、系统功能、核心业务及流程设计，主要分为结构模块、RFID模块、数据库模块、控制系统模块四大模块[16]。

本文针对军校自编教材的管理需求，应用射频识别技术和传感器技术，采用B/S模式设计了自编教材全流程管理系统，进行单本自编教材信息的数据采集和管理，使自编教材流转过程的信息可以管理追溯，实现军校自编教材使用的全过程管理。

1  系统架构设计

根据物联网的三层架构模型对教材全流程管理系统的整体理念进行了智能化设计，系统的总体设计思路如图1所示，充分体现了物联网的三层架构，使用感知层的各种设备进行信息采集和读写，通过网络层传输到应用层，实现系统的各功能模块。

感知层是教材全流程管理系统信息获取的基础，提供系统的基础运行环境及主要硬件设施，实现教材标签和其他信息的智能采集。系统的基础运行环境包含路由器、各用户客户端、服务器及校园卡等，主要硬件设施有电子标签、标签打印机、智能货架、RFID通道门、管理工作站、环境传感器及校园卡读写器等设备组成，其中电子标签和标签读写设备应用了超高频RFID技术，采用远场电磁辐射原理，实现教材批量出入库的管理需求。

网络层位于整个系统的中心，连接感知层和应用层。网络层通过各种通信网络设施和通信协议来完成数据传输工作，解决感知层所获得的数据的传输问题，是进行信息交换、传递的数据通道。本系统通过有线局域网将感知层采集的数据资源传送到数据中心，使用了NB-IoT物聯网接入协议、ISO18000-6C协议、TCP/IP协议等通信协议，满足数据采集、传输及交互需求。

应用层是教材全流程管理系统的软件部分功能，用于实现在线处理教材四个模块功能，硬件设备通过中间件与系统的操作管理模块连接，软件功能与系统管理模块直接连接，满足系统用户日常对教材的智能化管理需求。本系统以Oracle数据库为后台服务平台，处理和存储由网络层传输到应用层的信息，营造软件运行环境，并将存储和处理的系统数据提供给前台应用程序进行查询和处理。

1.1  数据采集系统架构设计

由于军校不能使用无线通信方式的相关规定，整个系统的信息传输方式都使用短距离有线通信方式，利用现场总线实现硬件之间的通信和数据信息整合，作为物联网感知层的数据采集系统架构示意图如图2所示。

与传统系统相比，基于物联网的存储管理系统在各种类型信息的收集和处理方面更为复杂，需要更先进的信息采集和处理设备，而这些不同设备的集成成为系统实现的关键技术问题。从图2可以看出，系统包括了两大信息采集部分：一部分应用无线射频技术，通过移动盘点车、仓库管理工作站、RFID通道门等标签读写设备识别教材电子标签实现教材借还等功能，通过智能货架完成在库管理功能；另一部分通过集成安装在仓库的温湿度传感器等环境传感器实现仓库环境动态监测功能。系统通过2个数据库完成数据集成，其中MySQL数据库用于存储和调用硬件传输数据，Oracle数据库用于存储和调用管理系统数据。

1.2  软件架构设计

系统采用了浏览器/服务器（B/S）软件体系结构，客户端只负责显示用户界面，而复杂的数据计算和输入/输出操作则由功能强大的计算服务器执行，基于Java平台的Spring框架完成系统应用软件开发，软件架构如图3所示。

第一层是用户界面层，负责用户交互处理以及客户端与后台的交互，在浏览器上显示视图。当用户单击页面中的按钮以触发事件时，客户端会利用HTTP协议向后台发送用户请求。

第二层是业务逻辑处理层，当客户端通过预先定义的接口发送请求时，它会根据接口协议的规则解析请求，然后处理相应的请求，如果需要利用数据库，则转发请求到数据支持层，数据支持层操作数据库获得信息返回业务逻辑处理层，最后返回给客户端。系统使用了Spring和MyBatis两个开源框架整合而成的SSM框架集，其中Spring MVC架构包含了模型层、视图层和控制器，MVC架构以一种相互分离业务逻辑、信息数据和接口表示的方式来组织代码，这样业务逻辑被组件封装，使得业务逻辑部分的编码不受接口和用户交互代码变化的影响，保证了业务逻辑、信息数据和接口显示的独立性。

第三层是数据支持层，Mybatis框架负责与数据库进行交互，封装对数据库访问的细节。客户端发送的信息记录保存在Oracle数据库中。

2  系统功能设计

2.1  模块功能设计

教材全流程管理系统由全周期管理模块、在库管理模块、安全预警模块以及信息管理模块四大模块构成，具体功能模块设计如图4所示。

全周期管理模块是系统主要功能模块，负责从自编教材编印入库开始，经历多次请领、归还，直至下架销毁的教材全周期管理，提供从教材需求、入库、发放、回收及销毁的全流程管理功能，充分实现了教材流程跟踪及相关台账处理的管理需求，包括编印入库模块、教材请领模块、教材归还模块以及下架销毁模块4个具体功能模块，全周期管理模块流程图如图5所示。

在库管理模块用于管理教材货位和库存，主要通过调用智能货架来进行货位与教材位置的匹配，识别教材数量，完成库存盘点和货位盘点功能，包括库存管理模块和货位管理模块。库存管理模块可以判断实际出入库情况和业务管理系统读取的数据记录一致性，对于异常教材库存数据进行告警；货位管理模块通过搭建仓库3d模型，对货位进行电子化、图形化管理，包含了货架管理、货位绑定、货位更新、货位查询和货位预警等功能。在库管理模块流程图如图6所示。

安全预警模块包括环境预警模块和异常预警模块。环境预警模块是系统通过识别安防报警器、烟雾报警器、温湿度传感器的数据，在检测到仓库周边出现可疑人员接近或者仓库内出现温湿度异常、疑似烟雾时，按照系统设定的要求向管理人员发送消息告警。异常预警模块通过系统自动读取大门处RFID通道门的扫描数据，如果读取到未经系统允许出库的教材信息，通过RFID通道门告警。安全预警模块流程图如图7所示。

信息管理模块包括目录维护模块，知识平台模块和信息统计模块3个具体功能模块。目录维护模块建设教材目录维护功能，由管理人员将教材目录信息通过批量导入或录入的方式进行维护，为教材管理提供基础数据。知识平台模块对每一类教材的基本信息、教材封面、教材内容、电子版片段等教材相关信息进行展示，教学人员通过该功能可在线预览教材信息并下载教材的电子版资料。信息统计模块基于教材数据库，提供教材信息统计、业务记录查询及多维数据汇总功能，支持列表、统计图等多种展现形式。信息管理模块内容图如图8所示。

2.2  数据库设计

本系统数据库的逻辑设计可以满足多种用户的使用需求，通过分析各个数据之间的关系，将数据按一定的分类、分组系统和逻辑层次组织起来，使得数据模型除了能够正确反映数据关系和满足多种查询要求外，还能够使得系统的数据冗余少和存取效率高。

首先根据“处理特点”将数据表和程序模块进行分类，数据表包括：业务数据表、基本编码表、辅助编码表、系统信息表、累计数据表、结算数据表、决策数据表；程序模块包括：初始化、业务处理、完整性检测与修正、结算处理、统计处理。其中业务数据表主要记录业务发生的过程和结果，例如入库、资源请领等；基本编码表主要描述业务实体的基本信息和编码，例如货架、仓库等；辅助编码表主要描述属性的列表值，例如资源类型、有无码等；系统信息表主要记录存放与系统操作、业务控制有关的参数，例如用户信息、权限等。所有表采用统一编码方式，在全局范围内统一进行维护，插入记录时先提出申请，由函数按“当前系统日期（32位）”的规则生成一个32位数。对于系统预定义的编码（如业务操作），用定长字符型编号，前导补0。所有表必须有以下字段：创建人、创建时间、最后修改人、最后修改时间，具体以教材目录为例，如表1所示。

3  系统实现

3.1  系统架构实现

本系统基于Java平台开发，它满足J2EE框架标准，并采用B/S方式开发。系统采用了基于spring生态的微服务架构体系，具有安全、开放、灵活的特点，同时还具有跨平台性和良好的可移植特性。系统的表示层基于Spring MVC框架采用了JSP页面和JavaScript；控制层由JavaBean和Action组成，JavaBean用于处理前后台参数传递，Action负责控制页面跳转和逻辑控制。业务逻辑层由Service接口和具体实现组成，同样基于Spring MVC框架通过调用Dao组件来处理业务逻辑。数据持久层则由Dao接口、SQL具体实现和数据库组成，采用了JDBC框架“半自动”式的ORM实现方案，即MyBatis。系统可实现全周期管理模块、在库管理模块、安全预警模块、信息管理模块四大模块功能。

3.2  系统管理模块实现

3.2.1  全周期管理模块实现

教材编印时，教员填写教材编印申请，系统调用addTextbookDemandPlan接口生成需求计划，管理人员审核后点击生成教材编印清单按钮，系统调用addTextPrintingPlan接口生成教材编印清单。

教材入库时，管理人员录入教材入库日期、经办人等信息，选择入库的教材及数量后点击标签打印功能，系统调用getRfId接口打印RFID标签，通过集成RFID标签打印机接口打印标签并返回该标签的RFID唯一标识，管理人员将标签贴至本次的入库教材上，系统自动将该标签和入库的图书进行绑定，调用addInStore接口完成单个目录入库或调用batchInStore接口完成批量入库。

教材借还时，教员通过教材请领功能，填写申请人电话、使用单位、使用日期、事由，选择请领教材后点击提交，系统调用addResourceApply进行教材请领。管理人员确认请领情况，调用auditResourceApply接口进行教材請领审核。教员携带本人一卡通前来领取或归还教材，系统调用getCardNoByDevice接口读取校园卡读写器设备上的校园卡编号，调用findOutStoreList接口获取一卡通用户的待出库信息或调用findWaitGiveBack接口获取一卡通用户的待归还教材信息，调用getOutStoreById接口获取出库单信息或调用getWaitGiveBackByOutStoreId接口获取待归还出库单信息，管理人员使用摄像头进行人脸采集，系统调用uploadFile接口上传照片。管理人员将相关教材放置到管理工作站，系统调用getRfIdList接口识别工作站的电子标签，调用findTextBookInfo接口获取电子标签对应的教材信息，管理人员点击教材出库或归还按钮，系统调用addOutStore接口进行教材出库或调用addGiveBack接口完成教材归还。教材出库界面图如图9所示。

教材销毁时，管理人员通过保密教材销毁功能，填写销毁事由，选择需要销毁的教材后点击提交。系统调用addScrapApply接口进行教材销毁申请，调用auditScrapApply接口完成教材销毁审核，调用modifyScrapApplyStatus接口完成教材销毁。管理人员可以按照销毁时间、教材保密编号等信息点击查询按钮查询。系统调用findSigleAssetsSituation接口进行教材销毁台账查询。

3.2.2  在庫管理模块实现

在库管理时，管理人员在系统中点击“开始智能盘点”按钮，系统调取智能货架对应的硬件服务接口并发送指令，智能货架收到指令轮巡每个货位，将盘点数据再通过接口形式返给管理系统，系统调用findRfidByDevice接口读取货位信息及货位上的教材RFID信息，调用findCompareStoreInfo接口将系统的库存和盘点库存对比，教材库存数量或者货位与系统不一致时，系统自动提醒出错教材的信息。管理人员确认本次盘点结束后，点击保存按钮生成盘点单，系统调用modifyStoreInfo接口更新现有库存信息。货位可视化管理的界面如图10所示。

3.2.3  安全预警模块实现

管理人员在系统中点击“启动安全预警系统”按钮，以湿温度传感器为例，系统通过集成物联网服务调用handTemperatureHumidity接口获取温湿度传感器数据，传入温湿度传感器设备编号、时间戳参数，获取该时间范围内的温湿度传感器数据进行解析，并通过调用后台接口进行数据封装和存储并判断得分是否已经超过正常数据范围，若超过则记录环境预警。温度告警查询的界面如图11所示。

当人员携带教材经过仓库通道大门出库时，系统调用handGateScanningData接口接收RFID通道门扫描的教材rfid信息，将rfid数据和出库单的数据进行对比，调用sendGateScanningData接口，返回data数据给RFID通道门，data为true则数据对比正常，data为false则为异常数据，通道门进行异常预警。

3.2.4  信息管理模块实现

目录维护模块以添加教材目录功能为例，管理人员在系统中录入教材目录，包含教材名称、教材类型、作者等，点击保存，系统调用addTextbook接口，将TextbookVO对象数据通过持久化层ORM（MyBatis）进行数据入库存储。添加教材目录的界面如图12所示。

知识平台模块以访问教材知识库功能为例，教学人员访问教材知识库，输入查阅教材的类型参数发送请求至后台，系统调用findTextbookByParam接口，获取该类型参数的教材信息列表集合List，通过Model封装集合数据，将教材数据的封面图片展示在页面上，并可点击页面图片弹出教材的内容介绍和电子版片段等详细信息。

信息统计模块以统计教材基本信息为例，管理人员在系统中点击“统计教材基本信息”按钮，系统通过调用statTextbookByParam接口，传入教材类型等参数，返回List对象数据，StatDTO统计对象为键值对方式储存，键为教材类型或年度，值为统计的数据。通过echars柱状图的集成，显示出教材基本信息的统计图。

4  结  论

军校的教材管理保障更加注重安全和全流程管理，传统的教材管理方法难以满足自编教材的管理需求，物联网技术的发展为改进自编教材管理方法的研究提供了可靠的技术支持。本文设计的教材管理系统是物联网技术在军校自编教材管理工作中的一个很好的应用。它可以实现实时监控和处理物联网的各种无线射频和传感器信号反馈到教材管理系统，提高了自编教材管理的信息化程度，增强了自编教材的管理力度，拓展了物联网在教材管理方面的应用思路，实现了物联网的实时监控技术在军校教材管理的应用。

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作者简介：苏一平（1996—），女，汉族，山东青岛人，助理工程师，硕士研究生，研究方向：射频识别与数据采集、教研保障。