物联网在安全技术防范课程教学实践中的应用探析

《物联网技术》杂志
2021-10-14 23:48
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引言

2009年11月,国务院批复同意《关于支持无锡建设国家传感网创新示范区(国家传感信息中心)情况的报告》,物联网(InternetofThings,IOT)被确定为国家战略性新兴产业之一。2010年2月,教育部办公厅下发了《教育部办公厅关于战略性新兴产业相关专业申报和审批工作的通知》,物联网技术成为加速高校教学改革、培养创新型人才重点支持的专业方向之一。

应用是物联网发展的动力,公安院校更注重实战应用能力的培养。安全技术防范课程在公安院校设置的目的就是培养符合公安实战需求的人才。将物联网应用在安全技术防范课程的教学实践中,不仅适应当前我国大力推进物联网走进高校教学实践的趋势,也符合公安教育面向实战、突出实训教学的要求,同时也是在我国全面建设小康社会关键时期,打击各种智能化、科技化违法犯罪行为,保卫经济文化建设成果,培养公安应用型实战科技人才的强烈需求。

1安全技术防范课程体系研究

当前,公安院校安全技术防范课程所使用的参考教材[4-7]主要内容包括入侵报警、火灾报警、视频监控以及出入口控制等四种安防系统。从安防体系组成及功能的角度,将安全技术防范课程体系的学习分为数据采集、数据传输和数据应用三个部分,其系统组成及功能如表1所列。

通过学习安全技术防范课程,学生可以明确了解安防系统的信号处理流程。事实上,组成安防系统的数据采集部分主要是通过各种传感器将防区内的物理化学信号,以有线或无线的方式通过数据传输部分送至数据应用部分的报警控制器,经报警控制器的分析、判断来确定是否报警、反应和制止。从体系结构上看,物联网的三层体系结构与安防系统有诸多相似之处。

2物联网体系研究

物联网内涵丰富,涉及计算机网络、微电子、通信、控制等诸多领域,是当代信息技术发展的产物,物联网应用更是深入到了社会生活的各个方面。概括来讲,物联网就是一个通过信息技术将各种物体与网络进行连接,以帮助人们获取与物体相关信息的巨大网络。虽然,至今在学术界对物联网的概念没有统一的说法,但对物联网体系结构的理解和认识上,基本是一致的,物联网体系结构从下到上可分为三层:感知层、网络层和应用层。其功能如表2所列。

比较表2与表1可知,物联网体系结构中的感知层,可以实现对防区内危险信号的采集,网络层主要是将这些危险信号通过通信网络以有线或无线方式进行传输或处理,而应用层则可与安防行业相结合,实现入侵报警、火灾报警、视频报警以及出入口报警等功能。

3物联网在安全技术防范教学实践中的应用

物联网在安全技术防范课程教学实践中的应用可以体现在理论教学和实践教学两个方面,但所涉及的内容应注重与安防工程、公安实战相结合。安全技术防范课程教学应将传统的安防系统与现代的物联网相结合,在理论中建立学生对物联网安防的感性认识,在实践中提高学生对物联网安防的运用能力,为其以后从事相关专业的警务工作打下良好基础。

3.1基本概念

着重向学生介绍物联网的基本概念,让学生认识物联网;介绍物联网在国内外发展现状,让学生了解物联网最新发展动向;介绍物联网与安全技术防范在体系结构方面的相似关系,让学生明确物联网与安全技术防范之间的关系;介绍物联网安防在公安工作中的相关应用,让学生清楚学习该课程在公安实战工作中的现实意义。

对于基本概念方面的教学实践,可以通过视频演示物联网在安防工程和公安工作中的应用案例,或者以任务书的形式对物联网在安防行业中的应用展开调查,以认知方式促进学生对物联网系统的理解。另外,还可以通过物联网学习网站、物联网知识竞赛,甚至开展物联网文艺展演来激发学生学习物联网的兴趣和自主学习的积极性。

3.2数据感知

在数据感知方面,可以着重向学生介绍与安防系统相关的各种传感技术,例如开关、振动、声波(超声波、可闻声波和次声波)、红外、微波、光电、光纤、视频、指纹等在安防行业中应用的传统传感器的工作原理和使用安装方法,另外还应包括例如传感网、一维和二维条码、射频识别(RFID,RadioFrequencyIdentification)等物联网关键技术,突出物联网的信息感知和物体识别这两个方面的作用。

该部分的教学实践应根据安防行业的相关应用,例如在入侵报警系统中的移动人体红外信号采集与误报警识别,在火灾报警系统中,火灾发生后的光、热、烟以及气味等信息的采集与火识别,视频监控系统中的图像、声音以及报警联动信息的采集与人像识别,出入口控制系统中的人像、指纹、车牌以及卡片信息的采集与人像、危险物品、车辆识别等。在模拟的实验实训环境下,让学生掌握各种传感器的使用范围和应用场合,引导学生学会多种数据的综合采集与识别,并依靠软件系统集成在同一界面,以软硬件结合方式巩固学生对物联网安防数据感知的理解。

3.3数据传输

很显然,这部分涉及到通信方面的知识。首先,需要向学生阐明物联网与互联网的关系:物联网是互联网接入方式与终端系统的延伸,也是互联网服务功能的扩展[9];其次,应介绍互联网与物联网的特点与作用,传统互联网方面包括公共交换电话网络(PublicSwitchedTelephoneNetwork,PSTN)、非对称数字用户环路(AsymmetricDigitalSubscriberLine,ADSL)、综合业务数字网(IntegratedServicesDigitalNetwork,ISDN)等有线通信知识,以及无线广域网(WirelessWideAreaNetwork,WWAN)、无线局域网(WirelessLocalAreaNetwork,WLAN),物联网方面包括无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN);最后,介绍物联网与互联网的互联互通接口方面的知识,是学习物联网扩展应用互联网的关键一环。

该部分的实践教学,应主要突出物联网与互联网的交会对接以及传感器节点的组网通信,例如无线保真(Wi-Fi,WirelessFidelity),ZigBee,实现对采集信息的融合和初步处理,为下一步物联网安防系统的决策提供信息传输通道。大量传感器节点组网通信方式多种多样,学生可以深入理解物联网安防系统中信息传输的方式和创新路由协议,摆脱传统程式化实验实训方式,突出实践和创新,帮助学生提高专业素质,增强应变能力,对适应日趋复杂的社会治安形势具有现实意义。3.4数据处理

数据经过感知、传输,最终的目的是为了应用。安全技术防范课程的主要目的是培养学生解决实际问题的能力。因此,该部分应着重向学生介绍传统的数据处理技术、物联网数据融合技术、云计算技术、物联网信息安全以及物联网操作系统(例如TinyOS、MAINTISOS、MagnetOS)等技术。

安防系统中数据处理的最终目的就是要实现对报警联动装置的控制,这就使得这部分的实践教学具有一定的独立性,同时在此基础上,又具有综合性。例如,进一步将各种数据和报警信息进行融合和挖掘,可以以此为依据制定应急预案、突发事件现场处置、案件决策指挥,有利于培养学生分析问题、思考问题、解决问题的能力,强化公安机关的指导监督作用,明确该课程在警察职业中的角色意识。

4教学实践中所面临的主要问题

4.1思想认识问题

目前,物联网安防的应用还处于起步阶段,尽管已经有部分院校[10-12]在物联网教学方面初见成效,但是在公安实战中的应用还处在研究阶段。当前公安院校在这个方面还没有积累足够的教学实践经验,而且在安全技术防范课程中的应用更是没有启动,没有成形的教学实践模板,这就使得公安院校相关主管部门的决策者对于物联网在安全技术防范课程教学实践中的应用尝试会有所顾忌,举棋不定。

4.2课程体系设置问题

不管是物联网,还是安全技术防范这门课,其内容中都涵盖了大量的物理、电子、通信、计算机处理甚至高等数学等方面的知识,综合性非常强,这对于公安专业的学生,学习起来还是比较困难的,没有必要的前导课程做铺垫,势必无法达到应有的教学效果。

即使课程体系经过完善之后,随之而来的将是教材问题。教材决定着课程教学实践的成败,市面上适用于安全技术防范课程的教材本来就比较少,而适用于公安院校且以物联网为应用背景的安防教材几乎是空白,因此,是自编讲义还是出版教材,这都将是试图在物联网应用方面有所突破所必须跨越的鸿沟。

另外,教师问题将伴随着教材问题同时出现。安全技术防范课程的任课教师需要有深厚的安防工程经验和丰富的案件处置经历,而且物联网是一门新兴的技术,这就要求任课教师要不断地充实和完善自己的知识结构,结合最新的安防成果和与安防工程相关的科技犯罪案例,将复杂的问题简单化,让学生更容易接受并理解。这无疑又对任课教师提出了更高的要求。

4.3资金投入问题

物联网在安全技术防范课程的推广应用需要大量的硬件和软件。安全技术防范作为工程实践性比较强的课程,单一的课堂讲解无法达到教学目标,也不符合公安教育的要求。因此,需要配备配套的实验实训软硬件设施,主要包括实验实训场地的建设、配套设施的装修,大量传感器、数据通信和处理设备以及配套软件的购置及更新,这些都需要大量的资金投入。

软件投入则包括教师安防行业调研与物联网技术培训,还需要定期参与安防工程的方案论证、项目验收等公安一线的挂职;另外,邀请或选聘那些在公安一线有着扎实的理论功底和丰富的安防工程经验的专家以及物联网方面的专家学者来校做讲座或成为专职教师,这些都将是不小的开支。因此,资金的投入使得物联网在安全技术防范课程中的应用可能会受到一定的限制。

5结语

物联网“十二五”发展规划显示,物联网在安防领域已经初步取得了一定效果。物联网已经被确定为国家性战略新兴产业,党的十八大报告中再次强调了“推动战略性新兴产业的发展”。在良好的政策环境下,物联网为公安院校安全技术防范

课程的教学实践带来了崭新的思路。通过物联网在教学实践中 的应用,能激发学生学习兴趣和主动性,优化课程体系,完善 教师的知识结构,更有利于学生的实践能力和创新能力的培 养和提高,为其以后灵活应对复杂多变的治安环境提供良好 的实战平台。但是,我们也不能不看到,物联网在安全技术防 范课程中的应用还处在起步和探索阶段,还有许多问题需要 解决。

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