基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的校園安防系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

摘 要： 針對目前校園安全事件增多和傳統(tǒng)安防系統(tǒng)不能滿足當(dāng)前安全需求的問題，通過對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特征的分析，以校園為依托，提出了將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的RFID技術(shù)、ZigBee技術(shù)、傳感器等技術(shù)應(yīng)用于校園安防系統(tǒng)之中。設(shè)計(jì)了包含基于RFID的校園門禁系統(tǒng)、基于ZigBee技術(shù)的校園防火報(bào)警系統(tǒng)和智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)的整體化校園安防系統(tǒng)，全面提高了校園安防系統(tǒng)的安全防護(hù)能力。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)； 安防系統(tǒng)； RFID； 傳感器； 監(jiān)控

中圖分類號： TN919?34； TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）24?0043?04

Research and design of campus security system based on IOT technology

ZENG Dang?quan

（Minnan College of Science and Technology， Fujian Normal University， Quanzhou 362332， China）

Abstract： Because the security incidents on campus increase and traditional security system can’t meet the current safety requirements， the application base on the campus network of RFID， ZigBee， sensor and other technologies in the campus security system is proposed by analyzing the technical features of IOT technology. An integrative campus security and protection system including the access control system based on RFID， fire alarm system based on ZigBee， intelligent video monitoring system and other subsystems was designed. It improved the security and protection capability of campus security system comprehensively.

Keywords： IOT； security and protection system； RFID； sensor； monitoring

0 引 言

自本世紀(jì)初高校擴(kuò)招以來，各高校的校園規(guī)模都在不斷的擴(kuò)大，在校師生員工人數(shù)越來越多、成分也越來越雜，校園內(nèi)各種斗毆、偷盜、火災(zāi)等安全事件也越來越多；同時(shí)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和收入的提高，政府、社會和家庭對教育重視程度的增加，學(xué)校和學(xué)生所擁有的財(cái)產(chǎn)數(shù)額與種類也越來越多，學(xué)校經(jīng)常性地采購貴重教學(xué)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)設(shè)備，幾乎所有的學(xué)生都有了電腦和手機(jī)之類的貴重物品，并且，像電腦和手機(jī)之類的物品也越來越小型化，從臺式電腦到筆記本電腦再到平板電腦，越來越輕巧，攜帶也越來越方便，就也就使之越來越容易被盜竊，這些安全問題都給校園的安全防范管理工作帶來了越來越大的挑戰(zhàn)；再有，電子產(chǎn)品的應(yīng)用越來越廣泛，這些也就給由電器引起的火災(zāi)埋下了越來越多的隱患。所有的這些問題，使得高校的安全防范工作面臨著更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的校園安防系統(tǒng)都只做到“安”，卻沒能很好的做到“防”，安而不防是普遍現(xiàn)象，原因有二，其一，因?yàn)槟壳案咝５陌卜老到y(tǒng)都是以視頻監(jiān)控為主，而視頻監(jiān)控在大部分情況下只作為事后調(diào)看的工具使用，事前缺乏預(yù)警，事中無法及時(shí)處理，這使得即使高校里布滿了監(jiān)控探頭，到頭來也沒能很好地對師生起到保護(hù)作用，有效的視頻監(jiān)控不再是純粹的事后調(diào)看查證，而是要在配合了前端智能分析以及音頻技術(shù)的基礎(chǔ)上，做到事前能預(yù)警，事中能快速處理，事后能高效調(diào)看，三者合一，這樣師生的安全才有保障，這樣才是真正的安防。其二，傳統(tǒng)的安防系統(tǒng)雖然有著各式各樣的安防子系統(tǒng)，但各自為政，信息不能融合到一起，因此，就難以發(fā)揮這些子系統(tǒng)的綜合防范水平，也造成了人力資源的過多投入而造成不必要的浪費(fèi)[1?2]。于是就越來越迫切地需要一種新型的、智能型的校園安防系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，正好為這些問題提供了極好的解決方案。近些年來，各高校的校園網(wǎng)建設(shè)已日趨完善，各種數(shù)字化校園系統(tǒng)也逐步在建設(shè)完善，有些已經(jīng)建成并正在使用，這些都為物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)施提供了良好的基礎(chǔ)。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的校園安防系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的校園安防系統(tǒng)的核心技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)是通過傳感器、射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[3]。

基于物聯(lián)網(wǎng)的校園安防系統(tǒng)是在傳統(tǒng)安防系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以校園網(wǎng)為依托，引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，整合傳統(tǒng)安防系統(tǒng)數(shù)據(jù)，為校園各方面的安全防護(hù)提供綜合的統(tǒng)一的管理平臺，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，保護(hù)校園人身與財(cái)產(chǎn)安全，全面提升校園綜合安全防范水平。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的特征，將校園安防系統(tǒng)劃分為3個(gè)層次：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、及應(yīng)用服務(wù)層， 應(yīng)用服務(wù)層又分為用戶層和應(yīng)用層兩個(gè)子層（如圖1所示）。

圖1 校園安防系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

感知層是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，是獲取原始信息的重要感知設(shè)備，主要包括RFID電子標(biāo)簽、RFID 讀寫器、傳感器以及GPS等設(shè)備，完成物聯(lián)網(wǎng)所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)層的功能是將感知層獲取的信息進(jìn)行處理和傳遞，利用現(xiàn)有校園網(wǎng)（包括有線網(wǎng)和無線網(wǎng)），并擴(kuò)展建設(shè)專用網(wǎng)———ZigBee網(wǎng)，將前端感知信息傳輸至應(yīng)用層。應(yīng)用層數(shù)據(jù)可以通過校園網(wǎng)或是Internet與用戶進(jìn)行信息的交互。

應(yīng)用層由各種應(yīng)用服務(wù)器組成，包含數(shù)據(jù)鏈和數(shù)據(jù)庫，主要功能是對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行多源信息融合、轉(zhuǎn)換、分析，以及用戶層呈現(xiàn)的適配和事件的觸發(fā)等[4]，同時(shí)在需要對終端設(shè)備實(shí)施控制時(shí)，應(yīng)用層將完成用戶發(fā)出的控制指令的生成和下發(fā)功能，經(jīng)用戶層處理后的數(shù)據(jù)能夠通過因特網(wǎng)為全球用戶服務(wù)。

用戶層為用戶提供了物聯(lián)網(wǎng)的多種應(yīng)用接口，包括用戶設(shè)備，客戶端和各種服務(wù)界面等。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的校園安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的校園安防系統(tǒng)，可將要保護(hù)的對象延伸和擴(kuò)展到校園內(nèi)的任何角落和重點(diǎn)物品，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的校園安防系統(tǒng)有機(jī)的整合了門禁管理系統(tǒng)、防火報(bào)警系統(tǒng)和貴重物品監(jiān)控等系統(tǒng)，并整合了移動通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了除聲光報(bào)警之外還能進(jìn)行短信報(bào)警，從而提升校園綜合安全防范水平。

2.1 基于ZigBee技術(shù)的防火報(bào)警系統(tǒng)

目前的防火報(bào)警系統(tǒng)主要還是由有線的方式所構(gòu)建的火災(zāi)傳感器網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建繁雜，要施工布線，從而浪費(fèi)大量的人力物力和財(cái)力。并且線路大多都是采用暗埋的方式布線，一旦出現(xiàn)故障，維護(hù)起來就很困難。ZigBee技術(shù)可以很好地解決有線方式所帶來的諸多問題。基于ZigBee技術(shù)的校園防火報(bào)警系統(tǒng)由無線傳感器節(jié)點(diǎn)、ZigBee路由器、ZigBee協(xié)調(diào)器和報(bào)警設(shè)備等構(gòu)成。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的未端由許多傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，這些傳感器要能探測到煙霧和溫度的異常，所以要采用溫度和煙霧傳感器，通過對傳感器信號的實(shí)時(shí)監(jiān)測，來判斷是否有火災(zāi)隱患，傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)經(jīng)路由節(jié)點(diǎn)匯總到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，再通過校園網(wǎng)傳到防火報(bào)警系統(tǒng)。防火報(bào)警系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的控制和管理中心，負(fù)責(zé)對整個(gè)系統(tǒng)的控制、傳感器數(shù)據(jù)的處理以及決策等。在收到傳感器節(jié)點(diǎn)的預(yù)報(bào)警數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)預(yù)設(shè)的相關(guān)規(guī)則，采取相應(yīng)的措施。并在確認(rèn)火災(zāi)發(fā)生時(shí)啟動相應(yīng)的聯(lián)動機(jī)制。 防火報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 防火報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

基于ZigBee技術(shù)的防火報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線化，并且具有ZigBee技術(shù)的自組網(wǎng)絡(luò)功能和自愈功能。自組網(wǎng)絡(luò)功能在不需要人工干預(yù)的情況下，網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)能夠自動感知其他節(jié)點(diǎn)的存在，并相互之間建立無線連接，組成一個(gè)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)；自愈功能在增加或者刪除一個(gè)節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變動或是節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障的情況下，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，也無需人工干預(yù)，保證整個(gè)系統(tǒng)仍然能正常工作[5?6]。ZigBee技術(shù)的這兩個(gè)功能對防火報(bào)警系統(tǒng)來說是非常重要的，也是有線網(wǎng)無法比擬的，因?yàn)樵诨馂?zāi)發(fā)生時(shí)，有線網(wǎng)絡(luò)極有可能在火災(zāi)發(fā)生時(shí)就被火災(zāi)破壞，從而不能正確地進(jìn)行災(zāi)情的報(bào)告。而ZigBee網(wǎng)絡(luò)是無線網(wǎng)絡(luò)并具有自組網(wǎng)絡(luò)和自愈功能，火災(zāi)破壞不了線路，即使破壞了部分的傳感器節(jié)點(diǎn)，但剩下的節(jié)點(diǎn)還能自己重新組網(wǎng)，從而大大提高了網(wǎng)絡(luò)的生存率，也就是大提高了防火報(bào)警系統(tǒng)的生存率，這對救火工作和保護(hù)人身財(cái)產(chǎn)起到了至關(guān)重要的作用。

2.2 基于RFID的校園門禁管理系統(tǒng)

在校園安防系統(tǒng)中，門禁系統(tǒng)是最常用的安防系統(tǒng)之一。基于RFID的校園門禁管理系統(tǒng)分為RFID卡、RFID讀寫器、門禁控制和門禁管理4部分。RFID卡主要用于教職員工和學(xué)生的身份識別，每一位在校的正式成員都發(fā)放一張包含個(gè)人信息及權(quán)限的RFID卡，來賓則使用只具有基本權(quán)限的臨時(shí)卡。RFID卡具有讀寫和通信的功能，是觸發(fā)門禁控制系統(tǒng)工作的鑰匙，也是門禁管理系統(tǒng)進(jìn)行授權(quán)的憑證。讀寫器與RFID卡通信，讀取RFID卡中的用戶信息，把讀取到的用戶信息傳送至門禁控制系統(tǒng)。門禁控制系統(tǒng)把從讀寫器接收到的用戶信息發(fā)送至門禁管理系統(tǒng)，等待門禁管理系統(tǒng)的判定結(jié)果。門禁管理系統(tǒng)接收到控制系統(tǒng)傳送過來的用戶信息之后，把收到的用戶信息與數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行驗(yàn)證，并判定其權(quán)限，把比較和判定結(jié)果反饋到門禁控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)反饋過來的結(jié)果來控制門鎖開關(guān)，如果該用戶是合法用戶并具有權(quán)限，那么門禁控制系統(tǒng)就進(jìn)行開鎖操作把門打開，同時(shí)生成刷卡和開鎖記錄發(fā)送到門禁管理系統(tǒng)進(jìn)行保存，以便今后的記錄查詢。除此之外，門禁管理系統(tǒng)還對整個(gè)的RFID卡中用戶信息的管理和授權(quán)、刷卡記錄的保存和查詢等進(jìn)行統(tǒng)一的管理。整個(gè)門禁管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

門禁系統(tǒng)設(shè)置在校園內(nèi)的一些主要場所，如：宿舍、教學(xué)樓、辦公樓、實(shí)驗(yàn)室、校大門等地點(diǎn)，在這些地點(diǎn)的入口或出口處安裝RFID讀寫器，教職工和學(xué)生都必須刷卡才能進(jìn)出這些場所。特別是當(dāng)學(xué)生刷卡進(jìn)出校門時(shí)，系統(tǒng)就發(fā)送一條短信給學(xué)生家長，以便家長及時(shí)掌握學(xué)生當(dāng)前的在校情況。各類地點(diǎn)對涉及到的用戶類型不一樣，所以管理系統(tǒng)必須對用戶的使用權(quán)限進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

圖3 門禁管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 貴重物品監(jiān)控系統(tǒng)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和收入的提高，政府、社會和家庭對教育重視程度的增加，學(xué)生所擁有的財(cái)產(chǎn)數(shù)額與種類也越來越多，幾乎所有的學(xué)生都有了電腦和手機(jī)之類的貴重物品，并且，像電腦和手機(jī)之類的物品也越來越小型化，從臺式電腦到筆記本電腦再到平板電腦，越來越輕巧，攜帶也越來越方便，也越來越容易被盜竊；同時(shí)，學(xué)校采購的一些設(shè)備也越來越貴重。像這些貴重的物品都需要對其進(jìn)行監(jiān)控以保證它們的安全性。監(jiān)控這些貴重物品是否在指定的位置，以防止這些物品的非法挪動而造成丟失或失控。這些貴重物品主要包括實(shí)驗(yàn)室的貴重器材設(shè)備、敏感崗位的服務(wù)器和電腦以及學(xué)生的手機(jī)電腦等貴重物品。貴重物品監(jiān)控系統(tǒng)對這些資產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況就發(fā)出警告。系統(tǒng)主要有貴重物品監(jiān)控系統(tǒng)、RFID標(biāo)簽、RFID讀寫器和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成[7?8]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 貴重物品監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

每個(gè)貴重物品上都貼上一個(gè)RFID標(biāo)簽，在宿舍大門、各關(guān)鍵路口及各貴重物品門口都安裝RFID讀寫器，時(shí)刻監(jiān)控貴重物品的位置和移動路線。一旦發(fā)現(xiàn)物品離開固定位置就進(jìn)行報(bào)警或是短信的方式進(jìn)行預(yù)警。

2.4 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)

智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)是采用圖像處理、模式識別和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，通過在監(jiān)控系統(tǒng)中增加智能視頻和視頻分析模塊，過濾視頻畫面中無用的或干擾信息、自動識別不同物體，分析抽取視頻源和音頻源中關(guān)鍵的有用信息，快速準(zhǔn)確地定位事故現(xiàn)場，判斷監(jiān)控畫面中的異常情況，并以最快和最佳的方式發(fā)出警報(bào)或觸發(fā)其他動作，從而有效進(jìn)行事前預(yù)警，事中處理，事后及時(shí)取證的全自動、全天候、實(shí)時(shí)監(jiān)控的智能系統(tǒng)[9]。智能視頻監(jiān)控解決了傳統(tǒng)的校園安防系統(tǒng)都只做到“安”，卻沒能做到“防”的問題，不僅能作為事后調(diào)看的工具使用，還可以通過判斷監(jiān)控畫面中的異常情況進(jìn)行事前預(yù)警，大大提高視頻監(jiān)控系統(tǒng)“防”的能力。校園智能視頻系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 校園智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

視頻前端部分由攝像頭和音頻采集裝置構(gòu)成，主要完成視頻圖像和音頻信號的采集。

智能視頻音頻處理裝置是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要功能是將模擬的視頻圖像和音頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過校園網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)中心，同時(shí)實(shí)時(shí)分析處理視頻圖像及音頻，對各種異常情況進(jìn)行報(bào)警。音頻還要設(shè)置敏感詞庫，如果捕獲到像“救命”、“抓賊啊”之類的詞，視頻監(jiān)控系統(tǒng)要能馬上把當(dāng)前視頻切換到視頻墻，并啟動相應(yīng)的報(bào)警機(jī)制。

智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要協(xié)調(diào)各裝置部件的數(shù)據(jù)通信及操作請求，通過網(wǎng)絡(luò)接收視頻音頻數(shù)據(jù)和操作請求，觸發(fā)各種操作，如：切換視頻、報(bào)警等，同時(shí)，儲存從網(wǎng)絡(luò)接收的視頻音頻數(shù)據(jù)，為用戶提供事后的瀏覽、檢索等取證服務(wù)以及提供系統(tǒng)參數(shù)配置管理和維護(hù)功能。

視頻墻顯示系統(tǒng)觸發(fā)或用戶指定的要求所切換的視頻圖像和報(bào)警信號，方便實(shí)時(shí)監(jiān)控[10?12]。

3 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，大大拓展了安防系統(tǒng)的安全防護(hù)能力，給校園安防系統(tǒng)的建設(shè)帶來了革命性的變化。基于物聯(lián)網(wǎng)的校園安防系統(tǒng)把物聯(lián)網(wǎng)中的RFID、傳感器等幾個(gè)核心技術(shù)運(yùn)用到校園的門禁系統(tǒng)、防火報(bào)警系統(tǒng)、貴重物品監(jiān)控等系統(tǒng)中，解決了傳統(tǒng)安防系統(tǒng)中許多“安”而不“防”的問題，使校園安防系統(tǒng)有了質(zhì)的飛躍。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還處于一個(gè)起步階段，各種技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)還不是很成熟，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)可能還存在一些缺陷，但是，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展越來越成熟，校園安防系統(tǒng)也必將越來越完善，全方位的為校園的安全防范工作保駕護(hù)航。

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