远程教育考试试卷流转监控系统设计
中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）20?0044?04
Design of monitoring system for distance education test paper flow
ZHANG Yi?meng， WANG Kan?wei
（1. Shaanxi Radio & TV University， Xi’an 710068， China； 2. Northwestern Poly technical University， Xian 710072， China）
Abstract： A remote education test paper flow monitoring system was designed to solve the safety problem troubled in test paper flow of the distance education examination. It is based on the three?layer system structure of Internet of Things， and composed of wireless sensor monitoring network， data transmission network and remote monitoring center. In combination with GPS， GPRS and Web GIS technologies， the system realized the dynamic tracking and visual monitoring in the process of the test paper flow， including abnormal behavior alarm， fast tracking and positioning functions in the process of test paper transfer.
Keywords： Internet of things； RFID； GPS； distance education； test paper flow； monitoring system
0 引 言
随着科学技术的迅猛发展，形形色色的高科技产品被一些不法分子用于试卷盗取、考试作弊等非法用途，手段层出不穷，令人防不胜防[1]，考试安全形式不容乐观，特别是试卷流转过程中的安全管理更是一个亟待解决的首要问题。在试卷流转过程中，牵扯到人、试卷、运输工具和运输路径等众多因素，同时试卷流转过程需要经历从试卷审核、工厂印刷到试卷运输、对接、入库再到考试使用、试卷评阅、试卷归档等众多环节，各个环节缺一不可，相互支撑，互相制约。如何保障整个流转过程安全、快捷地实施。现有手工管理试卷的模式已经越来越显示出它的不足，必须引入一套智能的考试试卷流转监控系统来保证对各个环节的严格把控。单就中央电大统设课考试为例：考试涉及44个省级电大，试卷数量达到上千万份之多，数量巨大，试卷的安全流转问题不可小觑。目前还没有有效的监控体系，试卷如何安全抵达各个分校，这是需要认真思考的问题。本文针对试卷的安全流转，利用物联网技术实现试卷流转过程中的动态跟踪与可视化监控。在确保整个考试过程顺利进行的同时极大的促进了教育考试考试公平。
1 物联网的概念及特点
物联网（Internet of Things，IoT）是“实物互联网”的简称。实物互联网可进一步解释为利用互联网基础设施构架物联网体系，实现对入网物品的感知、传输与应用。物联网技术已被广泛应用于工业监控、仓储物流、智能家居、交通运输控制管理、食品溯源、高校考试管理、后勤资产管理、智能图书馆管理等众多领域。从物联网应用来看，三个层次值得关注：
第一，传感层。它是用来感知信息数据，主要通过射频识别（RFID）技术、全球定位系统（GPS、北斗）技术，二维码等相对来说较为成熟的技术来实现对“物”的识别。传感层由众多具有感知和识别功能的设备组成，可以部署于全球任何位置环境之中，被感知和识别的对象也不受任何限制。
射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID），它可通过无线电信号识别特定目标并读/写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。它是由电子标签、读写器和RFID信息采集系统组成[2]。GPS技术，它是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称。利用GPS定位卫星，在全球范围内实时进行定位、导航的系统。GPS信号接收机接收卫星信号，根据这些信号数据，接收机中的微处理器就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。
第二，网络传输层。它是被普遍认为最成熟的部分，它包括数据传输服务器和各种现有的通信网络（互联网、电信网、移动通信网、卫星网、广电网）形成的融合网络，用来实现数据的传输与计算。
第三，应用服务层。该层通过分析和处理采集到的物体信息，针对具体应用提出新的服务模式，实现决策和控制智能。它是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，包括各种智能系统，如：GIS（地理信息系统）、MIS（管理信息系统）等，通过各种智能运算技术与信息管理技术，对海量信息进行全面分析并实时反馈给用户，协助用户进行正确决策。 2 基于物联网的试卷流转监控系统设计
通常试卷在生成后会经历考前的试卷审核、工厂印刷、试卷运输、考点交接、考场使用。考后的保密室保存、试卷运输、省考试中心阅卷、试卷存档等一系列过程。目前在试卷的流转过程中缺乏先进的试卷状态检测手段，所以应用物联网技术将印刷工厂、运卷车、试卷交接点、各级试卷保密室、各个下属考点与考场、中央及各省级的远程监控中心有机结合起来，构建一个试卷流转监控系统（如图1所示），实现对试卷在各个流转环节的透明感知与实时追踪。
图1试卷流转监控系统模型
基于物联网的试卷流转监控系统由无线传感器监控网络、数据传输网络、远程监控中心三个部分组成[3]。
无线传感器监控网络是整个试卷流转监控系统的核心。它主要是通过多种传感器如RFID、条码、GPS等数据采集技术，负责试卷状态数据信息的采集，异常行为的初步判定等功能。它由多个检测节点和一个网关构成[4]。
RFID检测节点部署在每个卷袋表面，RFID标签粘帖在卷袋右上角。其内存储有事先约定好格式的数据信息（包括卷袋信息、考场信息等）。在试卷印刷厂、各个考点、试卷保密室、省考试中心等指定检测点安装自动射频扫描终端，当试卷车通过射频扫描终端时将被自动监测并记录所有试卷通过时的当前时间，同时审核是否为该考点试卷、试卷数量是否正确。采集结果由扫描终端实时传输到RFID信息采集系统，当运卷车到达时间、考点信息、试卷份数与设定数据不一致时，信息采集系统发出错误报警信号，同时将数据传输给远程监控中心。基于RFID信息采集系统的试卷监控流程如图2所示，由此流程来完成试卷监控点的信息采集。
图2 基于RFID信息采集系统的试卷监控流程
门磁传感器节点部署在试卷箱内部紧贴卷箱开启的位置，主要用于实时监控试卷箱是否被异常开关。它的硬件结构由存储模块，处理器模块，能量供应模块，门磁传感器模块和无线通信模块组成[3]。当试卷封装到卷袋内，按卷号顺序入箱并封装之后，卷箱顶内侧的门磁传感器模块与永磁体会紧挨在一起，当卷箱被异常打开和关闭时，门磁传感器模块就会感知异常行为状态并通过无线通信模块向网关传输数据信息。
GPS节点是部署在运卷车的顶部，主要用于在试卷运输途中，通过GPS和无线通信网络，实时获取车辆的位置信息，并传输到远程监控中心进行动态展示。GPS节点的硬件结构由存储模块、处理器模块、能量供给模块和GPS接收模块构成。GPS接收模块定时接收卫星信号，能够全面地采集正在移动的运卷车目前所在的位置。GPS天线需要引出安装在运卷车外，以便正常接收卫星信号。基于IEEE 802.15标准的低功耗、短距离的ZigBee无线通信技术将向运卷车内的无线传感监测网络提供运卷车的实时位置信息和时间信息。
网关也叫汇聚节点，它部署在运卷车的车箱顶部，硬件结构由存储模块、处理器模块、报警模块、无线通信模块和GPRS模块构成[5]。无线通信模块用来接收各个监测节点传送过来的检测数据，报警模块向试卷押运人员实时发送试卷行为异常信号，GPRS模块会将异常行为下的报警信息及时传送给远程监控终端以供进一步分析。
数据传输网络，试卷流转监控系统的数据传输网络是由GSM网络构成，采用GPRS无线通信方式，GPRS是GSM的延续，它有很好的信号覆盖，几乎所有的地区只要手机开机就可以自动加载GPRS网络，并同时与数据中心建立通信连接。它只需要极短的时间就可以访问到相关请求，可以在任何时间、任何地点实现方便且快速的网络诉求，同时GPRS的计费按通信的数据量为主要依据，体现了“传输多少、支付多少”的原则，连接时间可能长达数小时，但是却支付了相对低廉的连接费用。因此，基于以上特点采用GPRS的通信方式可以保证运卷途中监测数据传输的实时性、安全性、稳定性和经济性[6]。
远程监控中心由远程监控人员、数据库服务器、Web服务器、GIS服务器和多台电脑组成，通过对各个监测终端与监测节点传来的数据进行精确的分析，实现试卷在整个运输过程中的实时监控与预警处理。同时，依据试卷在整个运输过程中所有行为的存储数据，可以重构试卷在运输过程中的所有行为，在安全事故发生后，可以对事物原因进行有效追溯与异常行为责任鉴定。
3 系统关键技术实现
3.1 基于门磁传感器的货物完整性监测技术
当门磁传感器模块与永磁体紧贴在一起处于闭合状态时采样数据为0，如果两者分离，采样数据变为其他数值。当门磁传感器检测到卷箱开启状态，监测节点不会立即发送报警信号，而是快速进行下一次检测验证，以减少系统误判。其算法如下：
Input：门磁采样数据M，概率数据P，采样周期T；output：货物完整性检测结果。
If M>0 then
i→random； /*取0～1之间的随机数*/
if i>p then
R→1；
else
T→Tmin； /*采样周期设为最小值*/
Return-1.
end if
else
R→0；
end if
T→Tmin； /*采用周期设置为最大值*/
Return R.
3.2 基于GPS/DR的组合定位追踪滤波技术
运卷车厢内部的GPS节点负责实时接收车辆位置信息，接收结束后会广播发送一个信标消息（n、pn、t），其中n是GPS节点编码，pn是GPS接收器所接收到的运卷车位置的经纬度信息数据，t是时间。当检测节点m从GPS节点n接收到信标信息（n，pn，t）时，检测节点m同时会更新自己的地理位置参数并将（m，n，pn，t）记录在自己的FLASH中，这种“GPS信息日志”成为日后安全事故发生时，事故起因的有效追溯与异常行为责任鉴定的有效依据[7]。 GPS卫星定位技术能够较好的提供定位追踪信息，但较容易受到外界环境的影响，比如当运卷车通过高楼林立的街道或者是隧道与立交桥时，卫星信号信号会变得很弱、中断甚至无法定位。这时引入DR技术，它是一种常用的自助式车辆导航技术，能够在短时间内保持较高的精度，数据有效性不受外界影响，但是DR只能确定车辆的相对位置，方向传感器的误差较大且随时间积累，所以DR技术不能单独或长时间使用。基于以上特性，将GPS技术与DR技术相结合，优势互补并取长补短，实现运卷车实时精确定位。这里称这种技术为GPS/DR组合定位追踪滤波技术，其原理如图3所示。
图3 GPS/DR组合定位追踪原理框图
由图可知GPS系统与DR系统分别独立工作，当GPS信号稳定有效时，GPS系统所输出的位置数据与DR系统输出的位置数据的差值作为测量值进行最优卡尔曼滤波处理，其处理结果对DR系统数据进行校正，以获得精确的位置参数。当运卷车进入卫星信号盲区时，卫星定位无效，此时直接输出DR系统数据结果。
卡尔曼滤波器状态方程如下[8]：
[xk+1=xk+kτk+1τvtcosθtdt ≈xk+T?vk?cos θk+1yk+1=yk+kτk+1τvtsin θtdt ≈yk+T?vk?sinθk+1] 为了进一步说明卡尔曼滤波器的状态方程，图4给出了运卷车运动的坐标关系[9]。
图4 车辆运动的坐标关系
3.3 基于谷歌地图 API的Web GIS技术
GPS 和GIS 的结合， 使GPS 的应用更加方便灵活。但要对运卷车进行实时监控并有效操控前端设备，这就要求GIS运行必须安全可靠并且能够提供丰富的地图操作功能。传统的GIS技术已经不能满足需要，基于谷歌地图 API的Web GIS技术很好地适应了这种发展。API通过开放的Internet传输协议，以标准方式定义并且提供了可被其他应用程序调用的服务内容，它允许开发人员在不必建立自己的地图服务器的情况下，将谷歌地图数据嵌入到网站之中，建立自己的地图应用程序。本系统使用微软公司的Visual Studio 作为Web GIS的开发平台，只需使用JavaScript等脚本命令来调用谷歌地图，它为开发者提供地图API接口，使其能够使用GIS工具库与组件库开发并拓展已有的Web Service应用程序，使开发者自己的信息数据与地图融合呈现。在本系统中Web GIS 可使用电子地图定位、监控、追踪试卷袋（箱）运输的动态路径与当前状态。监控人员同时在地图上可创建自己的标记、折线、多边形电子围栏等，实现了试卷运输路径与预设路径不符时的动态报警。如图5所示[10]。
4 结 语
本系统通过RFID信息采集系统能够高效的实现各个试卷检测点的信息采集并快速核对试卷归属与试卷数量。通过GPS技术可实现运卷途中全面动态采集运卷车当前位置，实现位置信息的智能感知，并通过GPRS等无线网络技术，将位置坐标实施传输到远程监控中心。应用GIS（地理信息系统）技术，将印刷厂、运卷车当前位置、考点位置、保密室等相关信息有效结合，通过利用地理信息系统所独有的空间分析功能和可视化表单技术准确、图文并茂地将地理位置信息呈现在远程监控中心的监控人员面前，实现真正的可视化感知监控。通过RFID，GPS，GPRS，Web GIS这四种技术相融合，构建了一个基于物联网的、实时的、高效的、规范的试卷流转监控系统，真正实现了试卷流转过程中可视化感知的动态监控。
图5 试卷流转系统用户端界面
