基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的防控電子封條系統(tǒng)設(shè)計

韓笑，孔文樂

（1.廣東理工學院；2.廣東理工學院信息技術(shù)學院，廣東 肇慶 526100）

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，依托信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，通過實現(xiàn)物與物的連接和通信，已滲透到生活各個方面，成為現(xiàn)代社會信息化的推動力。在此背景下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使電子封條這種防篡改設(shè)備能實時遠程監(jiān)控，提高了安全性和效率，并可與其他系統(tǒng)聯(lián)動，增強防控能力，引發(fā)了廣泛的關(guān)注。傳統(tǒng)人工檢查的方式因誤差大、效率低、易被破壞等問題，逐漸被這種基于物聯(lián)網(wǎng)的電子封條防控系統(tǒng)取代。

1 數(shù)字技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

1.1 數(shù)字信號處理在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

數(shù)字信號處理可以包括信號采樣、量化、編碼、濾波、變換、解碼等各種處理方法。其中，信號采樣是將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)字信號，量化和編碼則是將模擬信號的幅度轉(zhuǎn)化為數(shù)字，濾波是根據(jù)信號的特性去除噪聲，改善信號質(zhì)量，變換則是將信號從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，如時域轉(zhuǎn)換為頻域，以便于分析和處理，解碼則是將數(shù)字信號恢復為模擬信號。數(shù)字信號處理的一個重要優(yōu)點是可以利用計算機的高速運算和大數(shù)據(jù)分析能力，對信號進行深度分析和處理，實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)的準確判斷、故障的預測和診斷、控制策略的優(yōu)化等。例如，在智能交通中，可以通過對車輛的位置信號、速度信號、方向信號等進行數(shù)字信號處理，實現(xiàn)對車輛運行狀態(tài)的實時監(jiān)控和安全預警。

1.2 數(shù)字化安全技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)字化安全技術(shù)以其多層次、全方位的保護方式確保信息、設(shè)備和服務(wù)的安全。其中，信息安全的關(guān)鍵在于加密、簽名、完整性保護和隱私保護等技術(shù)的應(yīng)用，通過這些手段，信息在傳輸和存儲過程中免于非法竊取、篡改和偽造，有效保障了信息的真實性、可信性和私密性。設(shè)備安全則重視設(shè)備的身份認證、訪問控制和攻擊防護等技術(shù)，這些技術(shù)保護設(shè)備免于非法訪問和攻擊，保證設(shè)備能夠正常運行和提供服務(wù)。服務(wù)安全則側(cè)重于服務(wù)的可用性保護和服務(wù)質(zhì)量保證，通過這些手段，可以確保物聯(lián)網(wǎng)能提供持續(xù)穩(wěn)定、高效、高質(zhì)量的服務(wù)。

1.3 云計算和大數(shù)據(jù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)中的云計算和大數(shù)據(jù)應(yīng)用正逐漸成為處理海量數(shù)據(jù)和提供彈性服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)。云計算提供了一種強大且靈活的數(shù)據(jù)處理平臺，讓物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備專注于數(shù)據(jù)采集和服務(wù)提供，同時也可以靈活調(diào)整服務(wù)資源，提高效率與經(jīng)濟性。大數(shù)據(jù)技術(shù)通過深度挖掘和分析物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，為設(shè)備狀態(tài)、用戶行為和業(yè)務(wù)趨勢提供深入理解與預測。我們可以在設(shè)備出現(xiàn)異常狀態(tài)或故障模式時提前預警和維護，提高設(shè)備的運行效率和可靠性；同時，通過分析用戶行為數(shù)據(jù)，可以提供更個性化和優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，增加用戶滿意度；最后，通過分析業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，能夠精準地為決策提供支持，從而提高業(yè)務(wù)競爭力。

2 電子封條系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 電子封條系統(tǒng)的總體設(shè)計

電子封條系統(tǒng)的總體設(shè)計應(yīng)從系統(tǒng)架構(gòu)、功能需求和技術(shù)指標3個方面出發(fā)（如圖1所示）。系統(tǒng)架構(gòu)包括電子封條硬件、服務(wù)器端和客戶端三部分。電子封條硬件包括傳感器、通信模塊和控制器等關(guān)鍵部件，用于感知和控制封條的狀態(tài)，通過通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器端。服務(wù)器端包括數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和業(yè)務(wù)邏輯處理等功能，用于接收和處理電子封條的數(shù)據(jù)，根據(jù)業(yè)務(wù)規(guī)則判斷封條的狀態(tài)，生成報警和報表等信息，提供給客戶端?？蛻舳税ㄓ脩艚缑婧蛻?yīng)用邏輯，用于展示電子封條的狀態(tài)和報警信息，接收用戶的指令，控制電子封條的操作。功能需求包括實時監(jiān)控、遠程控制、報警預警和數(shù)據(jù)報表等，用于滿足用戶對電子封條狀態(tài)的監(jiān)控和控制需求，及時發(fā)現(xiàn)和處理異常情況，提供數(shù)據(jù)支持。技術(shù)指標包括數(shù)據(jù)精度、通信范圍、電池壽命和安全性等，用于滿足用戶的應(yīng)用需求。

圖1 電子封條系統(tǒng)總體設(shè)計

2.2 電子封條硬件設(shè)計

（1）傳感器選擇和設(shè)計。在電子封條系統(tǒng)中，我們需要選擇能夠精確感測封條開啟或關(guān)閉狀態(tài)的傳感器，例如，霍爾傳感器或微動開關(guān)。此外，為防止非法篡改，也可以選擇溫度傳感器、光照傳感器等來監(jiān)測封條的使用環(huán)境。在傳感器設(shè)計方面，需考慮靈敏度、準確度、響應(yīng)速度、電源需求以及耐用性等因素。由于電子封條的體積限制和長時間無人值守的特性，傳感器還需具備小型化和低功耗的特性。為了確保傳感器能夠在各種環(huán)境條件下穩(wěn)定工作，還需考慮傳感器的防護等級，例如，防塵、防水和抗干擾能力等。

（2）通信模塊設(shè)計。通信模塊負責電子封條與服務(wù)器之間的信息交流。在設(shè)計過程中，需要考慮傳輸距離、數(shù)據(jù)傳輸速率、功耗、通信協(xié)議等因素?？紤]到電子封條可能用于各種環(huán)境，包括長距離運輸，可能會選擇基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)（如4G/5G）的通信模塊，或者基于低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（如LoRa或NB-IoT）的通信模塊，以保證在大范圍內(nèi)的連續(xù)性連接。數(shù)據(jù)傳輸速率決定了電子封條系統(tǒng)的實時性。盡管電子封條系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量通常不大，但為了保證在突發(fā)事件（如封條被打開）發(fā)生時能快速傳輸警報信息，需要選擇具有足夠數(shù)據(jù)傳輸速率的通信模塊。功耗是電子封條系統(tǒng)另一個重要的設(shè)計因素，因為電子封條往往需要長時間無人值守運行。因此，選擇低功耗的通信模塊，可以延長電子封條的使用壽命。至于通信協(xié)議，必須選擇支持安全性強，易于集成，且符合國際標準的協(xié)議。對于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，常用的有MQTT、CoAP等協(xié)議。

（3）控制器設(shè)計。電子封條系統(tǒng)的控制器設(shè)計關(guān)乎整個系統(tǒng)的運行效率與穩(wěn)定性?？刂破髟陔娮臃鈼l系統(tǒng)中起著中樞作用，負責處理傳感器采集的數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)控制命令，以及與服務(wù)器進行數(shù)據(jù)通信（如圖2所示）。為了滿足數(shù)據(jù)處理和通信需求，控制器應(yīng)具有足夠的處理能力。在考慮到電子封條系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量相對較小的情況下，我們一般選擇如ARM Cortex系列或Atmel AVR系列等嵌入式微處理器或微控制器。此外，控制器應(yīng)具有充足的接口來連接傳感器和通信模塊，包括模擬/數(shù)字輸入輸出接口和串行通信接口如UART、I2C或SPI等。

圖2 電子封條原理圖

2.3 電子封條軟件設(shè)計

（1）嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計。電子封條系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計是實現(xiàn)其功能的重要環(huán)節(jié)。它需要考慮如何從傳感器采集數(shù)據(jù)，如何處理這些數(shù)據(jù)，以及如何實現(xiàn)與服務(wù)器的通信（如圖3所示）。數(shù)據(jù)采集部分需要設(shè)計驅(qū)動程序，配置傳感器的工作模式并在特定條件下從傳感器中讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理部分負責對采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波等處理以提高準確性，并實現(xiàn)封條狀態(tài)的檢測，如通過閾值對比判斷封條是否被打開。通信部分則需要定義數(shù)據(jù)通信的格式和協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收以及為了保證安全性的數(shù)據(jù)加密和解密。為了提高系統(tǒng)可維護性，嵌入式系統(tǒng)軟件還需設(shè)計故障診斷和錯誤處理機制，以便在系統(tǒng)故障時進行診斷和恢復。

圖3 手持產(chǎn)品內(nèi)部原型圖

（2）服務(wù)器端及客戶端軟件設(shè)計。服務(wù)器端軟件通常采用多層架構(gòu)，包括數(shù)據(jù)層、邏輯層和表現(xiàn)層。數(shù)據(jù)層負責數(shù)據(jù)的存儲和管理，可以使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫如MySQL或非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫如MongoDB等，根據(jù)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和訪問特性進行選擇。邏輯層負責處理電子封條設(shè)備的數(shù)據(jù)，例如，對傳感器數(shù)據(jù)進行分析、檢測封條狀態(tài)、生成警報等。表現(xiàn)層提供用戶接口，可以是網(wǎng)頁界面，也可以是移動應(yīng)用，用戶可以通過接口查看封條狀態(tài)，接收警報通知等。為確保服務(wù)穩(wěn)定，服務(wù)器端軟件需實現(xiàn)負載均衡和容錯機制，通過增加服務(wù)器資源或采用分布式架構(gòu)應(yīng)對設(shè)備數(shù)量和數(shù)據(jù)量增大的情況，并需有備份和恢復機制防止數(shù)據(jù)丟失。此外，服務(wù)器軟件設(shè)計還需重視安全性，包括實現(xiàn)數(shù)據(jù)加密存儲和傳輸，防止數(shù)據(jù)被盜或篡改，以及實現(xiàn)訪問控制和身份驗證，防止未授權(quán)的訪問和操作?？蛻舳塑浖枰峁﹄娮臃鈼l狀態(tài)的實時展示，以圖形化或者列表的方式呈現(xiàn)，使用戶能夠快速理解封條的當前狀態(tài)。客戶端軟件的重要功能包括警報通知和電子封條的管理。在檢測到異常事件如封條被非法打開時，應(yīng)立即向用戶推送警報，以便用戶及時了解并處理異常。同時，軟件需提供添加、刪除封條及修改設(shè)置等管理功能，并設(shè)計易操作的用戶界面。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的電子封條防控系統(tǒng)

3.1 防控系統(tǒng)設(shè)計思路

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為電子封條防控系統(tǒng)帶來了創(chuàng)新。這種設(shè)計將電子封條視為物聯(lián)網(wǎng)的終端設(shè)備，通過無線通信將封條狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，并通過客戶端軟件進行數(shù)據(jù)顯示和警報。電子封條設(shè)備需要能夠采集和發(fā)送封條狀態(tài)數(shù)據(jù)，如開閉狀態(tài)和環(huán)境數(shù)據(jù)，并具備初步處理數(shù)據(jù)的能力，如數(shù)據(jù)過濾和異常檢測。服務(wù)器端負責接收、存儲和處理數(shù)據(jù)，包括分析封條狀態(tài)，檢測封條是否被打開或是否存在異常環(huán)境變化，發(fā)現(xiàn)異常則向客戶端發(fā)送警報?？蛻舳塑浖鑼崟r展示封條狀態(tài)，發(fā)送警報，并管理設(shè)備。為保障穩(wěn)定可靠服務(wù)，防控系統(tǒng)需實現(xiàn)容錯和恢復機制，例如，在設(shè)備通信中斷或服務(wù)器故障時，能進行自動重試或使用備份服務(wù)器接管服務(wù)。

3.2 防控系統(tǒng)的具體實施

防控系統(tǒng)的具體實施首先涉及硬件設(shè)備的制作和調(diào)試，包括傳感器的選擇與安裝、無線通信模塊的配置以及電子封條設(shè)備的整體裝配和測試。此階段的目標是確保電子封條設(shè)備能夠穩(wěn)定地工作，準確地采集數(shù)據(jù)，以及通過無線通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。其次，服務(wù)器端和客戶端軟件的開發(fā)和部署涉及選擇合適的硬件和軟件框架，進行編碼，包括實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、存儲、處理，警報模塊和設(shè)備管理等功能。一方面，軟件開發(fā)后，需進行部署和測試以確保穩(wěn)定性和兼容性。另一方面，客戶端軟件的開發(fā)同樣需要選擇合適的工具和框架，實現(xiàn)封條狀態(tài)展示，警報通知和設(shè)備管理等功能，并在各客戶端平臺上進行測試和調(diào)試。最后，需要進行系統(tǒng)的整體測試和優(yōu)化。這包括硬件設(shè)備，服務(wù)器端軟件，以及客戶端軟件的協(xié)同工作測試和對各種可能的異常情況的處理測試。測試中發(fā)現(xiàn)的問題需要進行修復和優(yōu)化，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié)語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，電子封條防控系統(tǒng)在防止貨物運輸過程中被非法開啟，保障貨物安全等方面起到了重要作用。通過將數(shù)字技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，不僅能夠提高電子封條的防控能力，還能提高物流行業(yè)的整體運營效率，減少貨物在運輸過程中的損失。希望這項研究能為電子封條防控系統(tǒng)的進一步研究和發(fā)展提供參考和啟示，推動物流行業(yè)的數(shù)字化和智能化進程。