基于物联网技术的防控电子封条系统设计

韩笑，孔文乐

（1.广东理工学院；2.广东理工学院信息技术学院，广东 肇庆 526100）

物联网技术，依托信息技术和网络技术的发展，通过实现物与物的连接和通信，已渗透到生活各个方面，成为现代社会信息化的推动力。在此背景下，物联网技术使电子封条这种防篡改设备能实时远程监控，提高了安全性和效率，并可与其他系统联动，增强防控能力，引发了广泛的关注。传统人工检查的方式因误差大、效率低、易被破坏等问题，逐渐被这种基于物联网的电子封条防控系统取代。

1 数字技术在物联网中的应用

1.1 数字信号处理在物联网中的应用

数字信号处理可以包括信号采样、量化、编码、滤波、变换、解码等各种处理方法。其中，信号采样是将连续的模拟信号转化为离散的数字信号，量化和编码则是将模拟信号的幅度转化为数字，滤波是根据信号的特性去除噪声，改善信号质量，变换则是将信号从一种形式转化为另一种形式，如时域转换为频域，以便于分析和处理，解码则是将数字信号恢复为模拟信号。数字信号处理的一个重要优点是可以利用计算机的高速运算和大数据分析能力，对信号进行深度分析和处理，实现对设备状态的准确判断、故障的预测和诊断、控制策略的优化等。例如，在智能交通中，可以通过对车辆的位置信号、速度信号、方向信号等进行数字信号处理，实现对车辆运行状态的实时监控和安全预警。

1.2 数字化安全技术在物联网中的应用

物联网中的数字化安全技术以其多层次、全方位的保护方式确保信息、设备和服务的安全。其中，信息安全的关键在于加密、签名、完整性保护和隐私保护等技术的应用，通过这些手段，信息在传输和存储过程中免于非法窃取、篡改和伪造，有效保障了信息的真实性、可信性和私密性。设备安全则重视设备的身份认证、访问控制和攻击防护等技术，这些技术保护设备免于非法访问和攻击，保证设备能够正常运行和提供服务。服务安全则侧重于服务的可用性保护和服务质量保证，通过这些手段，可以确保物联网能提供持续稳定、高效、高质量的服务。

1.3 云计算和大数据在物联网中的应用

物联网中的云计算和大数据应用正逐渐成为处理海量数据和提供弹性服务的关键技术。云计算提供了一种强大且灵活的数据处理平台，让物联网设备专注于数据采集和服务提供，同时也可以灵活调整服务资源，提高效率与经济性。大数据技术通过深度挖掘和分析物联网产生的海量数据，为设备状态、用户行为和业务趋势提供深入理解与预测。我们可以在设备出现异常状态或故障模式时提前预警和维护，提高设备的运行效率和可靠性；同时，通过分析用户行为数据，可以提供更个性化和优质的服务，增加用户满意度；最后，通过分析业务数据，能够精准地为决策提供支持，从而提高业务竞争力。

2 电子封条系统的设计与实现

2.1 电子封条系统的总体设计

电子封条系统的总体设计应从系统架构、功能需求和技术指标3个方面出发（如图1所示）。系统架构包括电子封条硬件、服务器端和客户端三部分。电子封条硬件包括传感器、通信模块和控制器等关键部件，用于感知和控制封条的状态，通过通信模块将数据发送到服务器端。服务器端包括数据处理、数据存储和业务逻辑处理等功能，用于接收和处理电子封条的数据，根据业务规则判断封条的状态，生成报警和报表等信息，提供给客户端。客户端包括用户界面和应用逻辑，用于展示电子封条的状态和报警信息，接收用户的指令，控制电子封条的操作。功能需求包括实时监控、远程控制、报警预警和数据报表等，用于满足用户对电子封条状态的监控和控制需求，及时发现和处理异常情况，提供数据支持。技术指标包括数据精度、通信范围、电池寿命和安全性等，用于满足用户的应用需求。

图1 电子封条系统总体设计

2.2 电子封条硬件设计

（1）传感器选择和设计。在电子封条系统中，我们需要选择能够精确感测封条开启或关闭状态的传感器，例如，霍尔传感器或微动开关。此外，为防止非法篡改，也可以选择温度传感器、光照传感器等来监测封条的使用环境。在传感器设计方面，需考虑灵敏度、准确度、响应速度、电源需求以及耐用性等因素。由于电子封条的体积限制和长时间无人值守的特性，传感器还需具备小型化和低功耗的特性。为了确保传感器能够在各种环境条件下稳定工作，还需考虑传感器的防护等级，例如，防尘、防水和抗干扰能力等。

（2）通信模块设计。通信模块负责电子封条与服务器之间的信息交流。在设计过程中，需要考虑传输距离、数据传输速率、功耗、通信协议等因素。考虑到电子封条可能用于各种环境，包括长距离运输，可能会选择基于蜂窝网络（如4G/5G）的通信模块，或者基于低功耗广域网络（如LoRa或NB-IoT）的通信模块，以保证在大范围内的连续性连接。数据传输速率决定了电子封条系统的实时性。尽管电子封条系统的数据量通常不大，但为了保证在突发事件（如封条被打开）发生时能快速传输警报信息，需要选择具有足够数据传输速率的通信模块。功耗是电子封条系统另一个重要的设计因素，因为电子封条往往需要长时间无人值守运行。因此，选择低功耗的通信模块，可以延长电子封条的使用寿命。至于通信协议，必须选择支持安全性强，易于集成，且符合国际标准的协议。对于物联网设备，常用的有MQTT、CoAP等协议。

（3）控制器设计。电子封条系统的控制器设计关乎整个系统的运行效率与稳定性。控制器在电子封条系统中起着中枢作用，负责处理传感器采集的数据，执行相应控制命令，以及与服务器进行数据通信（如图2所示）。为了满足数据处理和通信需求，控制器应具有足够的处理能力。在考虑到电子封条系统的数据量相对较小的情况下，我们一般选择如ARM Cortex系列或Atmel AVR系列等嵌入式微处理器或微控制器。此外，控制器应具有充足的接口来连接传感器和通信模块，包括模拟/数字输入输出接口和串行通信接口如UART、I2C或SPI等。

图2 电子封条原理图

2.3 电子封条软件设计

（1）嵌入式系统软件设计。电子封条系统的嵌入式系统软件设计是实现其功能的重要环节。它需要考虑如何从传感器采集数据，如何处理这些数据，以及如何实现与服务器的通信（如图3所示）。数据采集部分需要设计驱动程序，配置传感器的工作模式并在特定条件下从传感器中读取数据。数据处理部分负责对采集的数据进行数字滤波等处理以提高准确性，并实现封条状态的检测，如通过阈值对比判断封条是否被打开。通信部分则需要定义数据通信的格式和协议，实现数据的发送、接收以及为了保证安全性的数据加密和解密。为了提高系统可维护性，嵌入式系统软件还需设计故障诊断和错误处理机制，以便在系统故障时进行诊断和恢复。

图3 手持产品内部原型图

（2）服务器端及客户端软件设计。服务器端软件通常采用多层架构，包括数据层、逻辑层和表现层。数据层负责数据的存储和管理，可以使用关系型数据库如MySQL或非关系型数据库如MongoDB等，根据数据的结构和访问特性进行选择。逻辑层负责处理电子封条设备的数据，例如，对传感器数据进行分析、检测封条状态、生成警报等。表现层提供用户接口，可以是网页界面，也可以是移动应用，用户可以通过接口查看封条状态，接收警报通知等。为确保服务稳定，服务器端软件需实现负载均衡和容错机制，通过增加服务器资源或采用分布式架构应对设备数量和数据量增大的情况，并需有备份和恢复机制防止数据丢失。此外，服务器软件设计还需重视安全性，包括实现数据加密存储和传输，防止数据被盗或篡改，以及实现访问控制和身份验证，防止未授权的访问和操作。客户端软件需要提供对电子封条状态的实时展示，以图形化或者列表的方式呈现，使用户能够快速理解封条的当前状态。客户端软件的重要功能包括警报通知和电子封条的管理。在检测到异常事件如封条被非法打开时，应立即向用户推送警报，以便用户及时了解并处理异常。同时，软件需提供添加、删除封条及修改设置等管理功能，并设计易操作的用户界面。

3 基于物联网的电子封条防控系统

3.1 防控系统设计思路

物联网技术为电子封条防控系统带来了创新。这种设计将电子封条视为物联网的终端设备，通过无线通信将封条状态数据发送到服务器，并通过客户端软件进行数据显示和警报。电子封条设备需要能够采集和发送封条状态数据，如开闭状态和环境数据，并具备初步处理数据的能力，如数据过滤和异常检测。服务器端负责接收、存储和处理数据，包括分析封条状态，检测封条是否被打开或是否存在异常环境变化，发现异常则向客户端发送警报。客户端软件需实时展示封条状态，发送警报，并管理设备。为保障稳定可靠服务，防控系统需实现容错和恢复机制，例如，在设备通信中断或服务器故障时，能进行自动重试或使用备份服务器接管服务。

3.2 防控系统的具体实施

防控系统的具体实施首先涉及硬件设备的制作和调试，包括传感器的选择与安装、无线通信模块的配置以及电子封条设备的整体装配和测试。此阶段的目标是确保电子封条设备能够稳定地工作，准确地采集数据，以及通过无线通信模块发送数据。其次，服务器端和客户端软件的开发和部署涉及选择合适的硬件和软件框架，进行编码，包括实现数据接收、存储、处理，警报模块和设备管理等功能。一方面，软件开发后，需进行部署和测试以确保稳定性和兼容性。另一方面，客户端软件的开发同样需要选择合适的工具和框架，实现封条状态展示，警报通知和设备管理等功能，并在各客户端平台上进行测试和调试。最后，需要进行系统的整体测试和优化。这包括硬件设备，服务器端软件，以及客户端软件的协同工作测试和对各种可能的异常情况的处理测试。测试中发现的问题需要进行修复和优化，以提高系统的稳定性和可靠性。

4 结语

随着物联网技术的不断发展和应用，电子封条防控系统在防止货物运输过程中被非法开启，保障货物安全等方面起到了重要作用。通过将数字技术和物联网技术相结合，不仅能够提高电子封条的防控能力，还能提高物流行业的整体运营效率，减少货物在运输过程中的损失。希望这项研究能为电子封条防控系统的进一步研究和发展提供参考和启示，推动物流行业的数字化和智能化进程。