遠端教育考試試卷流轉監控系統設計論文
0 引 言
隨著科學技術的迅猛發展，形形色色的高科技產品被一些不法分子用於試卷盜取、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，同時試卷流轉過程需要經歷從試卷稽核、工廠印刷到試卷運輸、對接、入庫再到考試使用、試卷評閱、試卷歸檔等眾多環節，各個環節缺一不可，相互支撐，互相制約。如何保障整個流轉過程安全、快捷地實施。現有手工管理試卷的模式已經越來越顯示出它的不足，必須引入一套智慧的考試試卷流轉監控系統來保證對各個環節的嚴格把控。單就中央電大統設課考試為例：考試涉及44個省級電大，試卷數量達到上千萬份之多，數量巨大，試卷的安全流轉問題不可小覷。目前還沒有有效的監控體系，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，利用物聯網技術實現試卷流轉過程中的動態跟蹤與視覺化監控。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 物聯網的概念及特點
物聯網（Internet of Things，IoT）是“實物網際網路”的簡稱。實物網際網路可進一步解釋為利用網際網路基礎設施構架物聯網體系，實現對入網物品的感知、傳輸與應用。物聯網技術已被廣泛應用於工業監控、倉儲物流、智慧家居、交通運輸控制管理、食品溯源、高校考試管理、後勤資產管理、智慧圖書館管理等眾多領域。從物聯網應用來看，三個層次值得關注：
第一，感測層。它是用來感知資訊資料，主要透過射頻識別（RFID）技術、全球定位系統（GPS、北斗）技術，二維碼等相對來說較為成熟的技術來實現對“物”的識別。感測層由眾多具有感知和識別功能的裝置組成，可以部署於全球任何位置環境之中，被感知和識別的物件也不受任何限制。
射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID），它可透過無線電訊號識別特定目標並讀/寫相關資料，而無需識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸。它是由電子標籤、讀寫器和RFID資訊採集系統組成。GPS技術，它是英文Global Positioning System（全球定位系統）的簡稱。利用GPS定位衛星，在全球範圍內實時進行定位、導航的系統。GPS訊號接收機接收衛星訊號，根據這些訊號資料，接收機中的微處理器就可按定位解算方法進行定位計算，計算出使用者所在地理位置的經緯度、高度、速度、時間等資訊。
第二，網路傳輸層。它是被普遍認為最成熟的部分，它包括資料傳輸伺服器和各種現有的通訊網路（網際網路、電信網、行動通訊網、衛星網、廣電網）形成的融合網路，用來實現資料的傳輸與計算。
第三，應用服務層。該層透過分析和處理採集到的物體資訊，針對具體應用提出新的服務模式，實現決策和控制智慧。它是物聯網和使用者（包括人、組織和其他系統）的介面，包括各種智慧系統，如：GIS（地理資訊系統）、MIS（管理資訊系統）等，透過各種智慧運算技術與資訊管理技術，對海量資訊進行全面分析並實時反饋給使用者，協助使用者進行正確決策。
2 基於物聯網的試卷流轉監控系統設計
通常試卷在生成後會經歷考前的試卷稽核、工廠印刷、試卷運輸、考點交接、考場使用。考後的保密室儲存、試卷運輸、省考試中心閱卷、試卷存檔等一系列過程。目前在試卷的流轉過程中缺乏先進的試卷狀態檢測手段，所以應用物聯網技術將印刷工廠、運卷車、試卷交接點、各級試卷保密室、各個下屬考點與考場、中央及各省級的遠端監控中心有機結合起來，構建一個試卷流轉監控系統（如圖1所示），實現對試卷在各個流轉環節的透明感知與實時追蹤。
基於物聯網的試卷流轉監控系統由無線感測器監控網路、資料傳輸網路、遠端監控中心三個部分組成。
無線感測器監控網路是整個試卷流轉監控系統的核心。它主要是透過多種感測器如RFID、條碼、GPS等資料採集技術，負責試卷狀態資料資訊的採集，異常行為的初步判定等功能。它由多個檢測節點和一個閘道器構成。
RFID檢測節點部署在每個卷袋錶面，RFID標籤粘帖在卷袋右上角。其記憶體儲有事先約定好格式的資料資訊（包括卷袋資訊、考場資訊等）。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，當試卷車透過射頻掃描終端時將被自動監測並記錄所有試卷透過時的當前時間，同時稽核是否為該考點試卷、試卷數量是否正確。採集結果由掃描終端實時傳輸到RFID資訊採集系統，當運卷車到達時間、考點資訊、試卷份數與設定資料不一致時，資訊採集系統發出錯誤報警訊號，同時將資料傳輸給遠端監控中心。基於RFID資訊採集系統的.試卷監控流程如圖2所示，由此流程來完成試卷監控點的資訊採集。
門磁感測器節點部署在試卷箱內部緊貼卷箱開啟的位置，主要用於實時監控試卷箱是否被異常開關。它的硬體結構由儲存模組，處理器模組，能量供應模組，門磁感測器模組和無線通訊模組組成。當試卷封裝到卷袋內，按卷號順序入箱並封裝之後，卷箱頂內側的門磁感測器模組與永磁體會緊挨在一起，當卷箱被異常開啟和關閉時，門磁感測器模組就會感知異常行為狀態並透過無線通訊模組向閘道器傳輸資料資訊。
GPS節點是部署在運卷車的頂部，主要用於在試卷運輸途中，透過GPS和無線通訊網路，實時獲取車輛的位置資訊，並傳輸到遠端監控中心進行動態展示。GPS節點的硬體結構由儲存模組、處理器模組、能量供給模組和GPS接收模組構成。GPS接收模組定時接收衛星訊號，能夠全面地採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，以便正常接收衛星訊號。基於IEEE 802.15標準的低功耗、短距離的ZigBee無線通訊技術將向運卷車內的無線感測監測網路提供運卷車的實時位置資訊和時間資訊。
閘道器也叫匯聚節點，它部署在運卷車的車箱頂部，硬體結構由儲存模組、處理器模組、報警模組、無線通訊模組和GPRS模組構成。無線通訊模組用來接收各個監測節點傳送過來的檢測資料，報警模組向試卷押運人員實時傳送試卷行為異常訊號， GPRS模組會將異常行為下的報警資訊及時傳送給遠端監控終端以供進一步分析。
資料傳輸網路，試卷流轉監控系統的資料傳輸網路是由GSM網路構成，採用GPRS無線通訊方式，GPRS是GSM的延續，它有很好的訊號覆蓋，幾乎所有的地區只要手機開機就可以自動載入GPRS網路，並同時與資料中心建立通訊連線。它只需要極短的時間就可以訪問到相關請求，可以在任何時間、任何地點實現方便且快速的網路訴求，同時GPRS的計費按通訊的資料量為主要依據，體現了“傳輸多少、支付多少”的原則，連線時間可能長達數小時，但是卻支付了相對低廉的連線費用。因此，基於以上特點採用GPRS的通訊方式可以保證運卷途中監測資料傳輸的實時性、安全性、穩定性和經濟性。
遠端監控中心由遠端監控人員、資料庫伺服器、Web伺服器、GIS伺服器和多臺電腦組成，透過對各個監測終端與監測節點傳來的資料進行精確的分析，實現試卷在整個運輸過程中的實時監控與預警處理。同時，依據試卷在整個運輸過程中所有行為的儲存資料，可以重構試卷在運輸過程中的所有行為，在安全事故發生後，可以對事物原因進行有效追溯與異常行為責任鑑定。
3 系統關鍵技術實現
3.1 基於門磁感測器的貨物完整性監測技術
當門磁感測器模組與永磁體緊貼在一起處於閉合狀態時取樣資料為0，如果兩者分離，取樣資料變為其他數值。當門磁感測器檢測到卷箱開啟狀態，監測節點不會立即傳送報警訊號，而是快速進行下一次檢測驗證，以減少系統誤判。其演算法如下：
Input：門磁取樣資料M，機率資料P，取樣週期T；output：貨物完整性檢測結果。
If M>0 then
i→random； /*取0～1之間的隨機數*/
if i>p then
R→1；
else
T→Tmin； /*取樣週期設為最小值*/
Return-1.
end if
else
R→0；
end if
T→Tmin； /*採用週期設定為最大值*/
Return R.
3.2 基於GPS/DR的組合定位追蹤濾波技術
運卷車廂內部的GPS節點負責實時接收車輛位置資訊，接收結束後會廣播發送一個信標訊息（n、pn、t），其中n是GPS節點編碼，pn是GPS接收器所接收到的運卷車位置的經緯度資訊資料，t是時間。當檢測節點m從GPS節點n接收到信標資訊（n，pn，t）時，檢測節點m同時會更新自己的地理位置引數並將（m，n，pn，t）記錄在自己的FLASH中，這種“GPS資訊日誌”成為日後安全事故發生時，事故起因的有效追溯與異常行為責任鑑定的有效依據。
GPS衛星定位技術能夠較好的提供定位追蹤資訊，但較容易受到外界環境的影響，比如當運卷車透過高樓林立的街道或者是隧道與立交橋時，衛星訊號訊號會變得很弱、中斷甚至無法定位。這時引入DR技術，它是一種常用的自助式車輛導航技術，能夠在短時間內保持較高的精度，資料有效性不受外界影響，但是DR只能確定車輛的相對位置，方向感測器的誤差較大且隨時間積累，所以DR技術不能單獨或長時間使用。基於以上特性，將GPS技術與DR技術相結合，優勢互補並取長補短，實現運卷車實時精確定位。這裡稱這種技術為GPS/DR組合定位追蹤濾波技術，其原理如圖3所示。
由圖可知GPS系統與DR系統分別獨立工作，當GPS訊號穩定有效時，GPS系統所輸出的位置資料與DR系統輸出的位置資料的差值作為測量值進行最優卡爾曼濾波處理，其處理結果對DR系統資料進行校正，以獲得精確的位置引數。當運卷車進入衛星訊號盲區時，衛星定位無效，此時直接輸出DR系統資料結果。
卡爾曼濾波器狀態方程如下：
為了進一步說明卡爾曼濾波器的狀態方程，圖4給出了運卷車運動的座標關係。
3.3 基於谷歌地圖 API的Web GIS技術
GPS 和GIS 的結合， 使GPS 的應用更加方便靈活。但要對運卷車進行實時監控並有效操控前端裝置，這就要求GIS執行必須安全可靠並且能夠提供豐富的地圖操作功能。傳統的GIS技術已經不能滿足需要，基於谷歌地圖 API的Web GIS技術很好地適應了這種發展。API透過開放的Internet傳輸協議，以標準方式定義並且提供了可被其他應用程式呼叫的服務內容，它允許開發人員在不必建立自己的地圖伺服器的情況下，將谷歌地圖資料嵌入到網站之中，建立自己的地圖應用程式。本系統使用微軟公司的Visual Studio 作為Web GIS的開發平臺，只需使用JavaScript等指令碼命令來呼叫谷歌地圖，它為開發者提供地圖API介面，使其能夠使用GIS工具庫與元件庫開發並拓展已有的Web Service應用程式，使開發者自己的資訊資料與地圖融合呈現。在本系統中Web GIS 可使用電子地圖定位、監控、追蹤試卷袋（箱）運輸的動態路徑與當前狀態。監控人員同時在地圖上可建立自己的標記、折線、多邊形電子圍欄等，實現了試卷運輸路徑與預設路徑不符時的動態報警。如圖5所示。
4 結 語
本系統透過RFID資訊採集系統能夠高效的實現各個試卷檢測點的資訊採集並快速核對試卷歸屬與試卷數量。透過GPS技術可實現運卷途中全面動態採集運卷車當前位置，實現位置資訊的智慧感知，並透過GPRS等無線網路技術，將位置座標實施傳輸到遠端監控中心。應用GIS（地理資訊系統）技術，將印刷廠、運卷車當前位置、考點位置、保密室等相關資訊有效結合，透過利用地理資訊系統所獨有的空間分析功能和視覺化表單技術準確、圖文並茂地將地理位置資訊呈現在遠端監控中心的監控人員面前，實現真正的視覺化感知監控。透過RFID，GPS，GPRS，Web GIS這四種技術相融合，構建了一個基於物聯網的、實時的、高效的、規範的試卷流轉監控系統，真正實現了試卷流轉過程中視覺化感知的動態監控。
參考文獻
程志群，張河國，郭健.基於物聯網的教育考試試卷流轉安全研究.中國考試，2011（11）：43?47.
孫玉硯，楊紅，劉卓華，等.基於無線感測器網路的智慧物流跟蹤系統.計算機研究與發展，2011（z1）：343?349.
孫利民，李建中.無線感測器網路.北京：清華大學出版社，2005.
趙鋒，王豔瑋，範建華，等.基於GPRS通訊的嵌入式應用系統資訊保安機制研究.計算機應用研究，2004（10）：93?95.
吳曉彬，杜東高.基於GPRS的車輛監控系統技術研究.現代電子技術，2011，34（24）：107?109.
衛振林，王喜富.基於全球定位系統（GPS）的電動車輛實時監控系統設計.中國安全科學學報，2006（4）：136?139.
林雪原，劉建業.北斗雙星定位系統改進及其演算法研究.空間科學學報，2003，23（2）：149?154.