基于Zigbee技術的智慧校園安全系統的設計

俞慧慧

(安徽電子信息職業技術學院 信息與智能工程系，安徽 蚌埠 233000)

校園安全問題是社會各界普遍關注的重點問題。近年來，來自消防、人身安全等方面的校園安全事件層出不窮，因此推進校園安全系統設計、建設平安校園顯得尤為重要。目前，大多數高校已經建立起基于有線通信的安全防護系統。但由于此類安防系統具有前期成本高、維修難度大及靈活性能差等缺點，校園安全防護系統仍存在諸多隱患。隨著信息通信技術的快速發展，物聯網及無線傳感技術日臻成熟，在原有安防網絡技術框架基礎上，架設無線傳感器網絡和移動通信網絡，在教學樓、辦公樓、學生宿舍及體育場館內搭建無線全覆蓋的安防系統，可以最大程度推進“數字化校園”建設。

智慧校園安全系統集合了物聯網技術、云計算及智能化設備等，能夠更加合理地為校園安全提供管理和服務[1]。Zigbee技術具有傳輸距離遠、復雜程度低、功耗小和傳輸精度高的優點，可以保證人與物、物與物之間的高質量無線數據傳輸，并可以很好地解決物聯網中無線傳感器各節點間的網絡連接。因此，Zigbee技術作為核心技術，在建設智慧校園安全系統中發揮著越來越重要的作用。

1 基于Zigbee技術的智慧校園安全系統的相關技術分析

1.1 無線傳感網絡的技術分析

無線傳輸技術集合了分布式數據處理技術、微型電子技術、無線通信技術及嵌入式技術，它與傳統有線通信技術相比，具有更強大的信息采集能力。這項技術擺脫了傳輸線的束縛，可以在布置傳感器時更加方便靈活。傳感器通過無線技術將采集到的信息實時傳輸給上位機，監控人員通過對實時數據的分析，可以清晰地掌握現場的安全狀況。無線傳輸網絡適用于監控面積大或地理條件更加復雜的環境，其監控效果與節點部署情況有直接關系。無線傳感器節點數目越多，獲取數據信息就越準確。各傳感器節點間并不是獨立個體，其間會預先設定無線路由協議，保證各節點之間實現數據的傳輸與轉發。由于區域內各節點的位置不同，運行中有它的不確定性，這就要求無線通信網絡具有組織能力，實現更加科學的配置管理[2]。無線網絡中兩個節點間的信息傳輸時，由于各節點的信息發射能力有限，在無線傳輸網絡內設置中繼節點來實現信息的轉發，傳輸過程中各節點在不斷地加入和退出，無線網絡實時處在動態變化過程之中。無線傳感網絡通過各節點的廣泛部署，實現在一定區域內對必要信息的獲取，避免在獲取數據時逐一對各節點進行查閱，以數據作為無線傳輸網絡的工作重心，最大程度上保證了網絡的實用性[3]。

1.2 Zigbee及相關技術分析

Zigbee技術由其技術聯盟制定網絡層標準，用戶可以根據實際工作需要在應用層進行自主開發，在最大程度上為用戶提供靈活的組網方式。Zigbee技術具有3個跨度很大的頻段，3個頻段的信道數目、信息傳輸速度及調制方式存在差異。其中2.4GHz頻段為免費頻段，此段共有16個信道，可以實現最多達250Kbps的數據傳輸。Zigbee技術可以通過星型網、樹型網及網狀網實現優異的組網性能。采用多載波的信道接入方式，最大程度避免了載波之間的沖突。Zigbee模塊具有較強的網絡自適應能力，有較低的信號發射功率，可根據網絡質量的不同要求，主動增加或降低發射功率。在非工作狀態下可以自動進入休眠狀態，從而保證了Zigbee技術的低功耗特征。Zigbee模塊的價格便宜，適宜大規模采購。Zigbee技術協議設計簡單，實現功能時只需要少量的程序代碼，節省了許多專利費用。喚醒休眠狀態下的Zigbee模塊只需要15ms，查找網內節點數據只需要15ms時延，可以滿足時延要求高的領域。基于Zigbee技術搭建的無線通信區域可以實現多網絡的協同工作，網絡內的各節點具有較強的管理能力，可以滿足對254個子節點的操縱。Zigbee技術在設計過程中充分考慮到電磁波干擾、障礙物阻擋及水汽吸收電磁波等問題，制定了具有針對性的防止碰撞策略，有效提升無線數據傳輸的可靠性。在傳輸過程中設計了應答方式，確保數據可以達到既定目的地地址。Zigbee技術的協議棧可以實現對數據包的檢查功能，具備加密算法認證和鑒權，最大程度上保證了數據傳輸過程中的安全性[4]。Zigbee技術協議棧的源碼和授權對使用者是開放的，在應用開發過程中具有較高的開放性。

1.3 節點故障檢測技術分析

與有線網絡存在的數據傳輸包丟失的情況相同，無線傳輸網絡也存在傳輸信息不到位或得不到傳輸反饋的問題。為提高無線信息傳輸的準確性，須采用節點故障檢測技術對丟包故障進行檢測。該技術可以檢測出網絡中斷、數據延遲及能源限制等故障。在無線傳輸網絡中常用的節點故障檢測技術主要包括：集中式故障檢測法、分布式故障檢測法和心跳故障檢測機制。其中，集中式故障檢測法主要用于檢查問題節點的成因，它主要采用輪詢方式周期性的向周圍節點發送狀態信息，實現對周圍節點故障信息的實時采集。工作結構見圖1所示。

圖1 集中式故障檢測機制結構圖

分布式故障檢測法作為另一種常用的節點故障檢測技術，將故障管理工作分散到各網絡節點中，使各節點都具有獨立的判斷與處理故障的權限。這樣處理，不僅可以降低中心節點的工作壓力，還能在一定程度上提高節點故障檢測的可靠性。分布式故障檢測法已經成為未來故障檢測的一種發展趨勢，滿足區域內多種類的節點故障檢測需求。心跳故障檢測機制是分布式節點故障檢測的延伸。該故障檢測模式會向外定期傳輸數據包，并進行周期性的數據收發。在傳輸過程中判斷套接字的狀態是連接或斷開，就可以知道無線傳輸網絡的工作是否正常。系統傳輸的心跳包屬于一種自定義的結構體，其中包含了少量的狀態信息，有些狀態下僅包含特定的標識碼或反饋碼來表明心跳碼的身份。

2 基于Zigbee技術的智慧校園安全系統的具體設計

2.1 智慧校園安全系統傳感器的選擇

在進行智慧校園安全系統設計過程中，選用TO-92式封裝的溫度傳感器LM35DZ測量監測點的溫升變化情況。該測溫模塊構造簡單、成本低，直接將電壓值和溫度信息通過模擬信號傳出去。電壓值與攝氏度之間呈線性關系，安裝時直接將杜邦線與主板相連，安裝靈活簡便。該傳感器的測溫范圍是0℃～100℃，當所測區域溫度超過60℃時，可以判斷此處有發生火災的危險，需要消防人員前來處理。煙霧傳感器MQ-2是另一種常用的檢測模塊，主要用于檢查化學實驗室的易燃、易爆及有毒氣體。除此之外，MQ-2還可以檢測出氦氣和液化氣，工作電壓范圍處于0～24V之間，該傳感器在使用前需要用5V電壓對其加熱。煙霧傳感器MQ-2在空氣中的電導率較低，有較強的耐腐蝕性，使用壽命長，檢測氣體的化學反應具有可逆性，便于煙霧傳感器循環使用。其機械性能良好，結構簡單，當檢測區域內出現煙霧或有害氣體時，SnO2材料商的晶粒電導率會發生變化，實時檢測一定區域內是否有火情出現，煙霧濃度與電導率成正比，且可以判斷出火情的程度。為了防止危險人員潛入校園造成安全隱患，還應設置人體紅外熱釋電傳感器，以探測人體發出的輻射，進一步判斷區域內是否有人進入。該傳感器對于10μm的紅外輻射有較強的敏感性，當有人進入區域內時會使傳感器的電荷失去平衡，向外釋放電荷，并將報警信號傳遞到監控中心。

2.2 智慧校園安全系統硬件的設計分析

智慧校園安全系統通過Zigbee模塊搜集監控區域內的監測信息，將存在潛在危險的現場狀態實時傳遞給監控中心。在整個過程中，利用無線傳感技術實時采集數據，并通過上位機的計算，對現場狀態進行分析和判斷。根據智慧校園安全系統的實際需求和Zigbee模塊的應用特點，需要綜合溫度、濃度、煙霧采集、紅外數據及數據傳輸等因素考慮組網特點，利用溫度傳感器LM35DZ、煙霧傳感器MQ-2及人體紅外熱釋電傳感器來獲取現場信息，構建組網將數據傳送至服務器。為豐富其功能，在算法程序中增加測距模塊和人員定位模塊，實現對潛入人員的實時定位。智慧校園安全系統設計結構見圖2所示。

圖2 智慧校園安全系統設計結構圖

在Zigbee網絡結構中，底層節點負責獲取、發送數據；路由節點負責數據的轉發與管理，可以有效擴大網絡監測范圍；頂層節點可實現對已知節點的信息消化。Zigbee模塊上傳輸的數據在設置好的頻率下周期性傳給協調器，協調器再將獲取的信息統一打包后上傳至PC端。當出現危險報警時，終端節點就會及時將報警信息傳達給警務系統并發出警報。以Zigbee的快速組網優勢和RSSI測距功能，可以準確給警務人員提供危險報警的具體位置。在進行智慧校園安全系統硬件電路設計過程中，選擇CC2530搭建智慧校園安全系統的硬件平臺。該芯片具有體積小、功耗低、組網方便及易于擴展的特點。Zigbee網絡中的協調器要完成對網絡的建設以及節點的管理。在本系統中，需要將接收的數據通過串口傳遞給服務器；需要架設射頻天線來實現數據的收發；設計LED燈來顯示數據收發狀態；設計按鍵用于復位模塊狀態。在設計電源模塊時，采用5V電源供電，而模塊的工作電壓為3.3V，需要采用LM1117實現5V到3.3V電壓的轉換。通信模塊采用RS-232串行通信接口，可以任選CC2530模塊的一組串行接口實現通信。接口轉換器選擇PL2303，內置USB收發、振蕩器及UART通用異步收發傳輸器，只需配置電容，即可實現USB信號與RS-232信號的轉換。PL2303具有高兼容驅動器，可以滿足大多數上位機系統的傳統COM需求。CC2530的時鐘模塊包括工作模式和休眠模式兩種工作狀態，分別由32MHz晶振和32.768KHz晶振提供計數。

2.3 智慧校園安全系統的軟件設計分析

智慧校園安全系統軟件部分需要完成對PC端操作界面、數據庫、數據分析處理模塊、嵌入式部分協調器、路由設備及終端節點的設計。信息采集、檢測算法及節點定位處算法的設計，本系統采用B/S模式來保證運行的實時性。采用Myeclipse實現操作管理，以C/S模式實現程序編寫。數據采集管理流程是在服務器啟動后對各部門進行初始化，在完成信息的采集、傳輸及分析處理后，將各節點處的數據傳輸至協調器，通過串口設備實現對數據的打包。在系統數據庫設計過程中，為滿足控制的靈活性安排一個區域內分設多個協調器，保證任何一個協調器管理多個子節點，不同節點分別完成不同任務。協調器和路由器都由FDD構成，分別負責管理網絡以及數據傳遞工作。在Zigbee網絡中，要求協調器和路由器均具有組網能力，在使用時，需要先啟用協調器，再使用路由設備，兩者都可以實現數據的雙向傳輸。智慧校園安全系統算法設計中，主要涉及數據采集部分的心跳發送算法和節點定位算法。在進行心跳算法設計時，要滿足數據采集的需求，信息采集包括內容、節點編號及采集時間。由于無線傳感器網絡中節點數目過多，中心節點處理能力有限，采取分布式故障檢測算法比較適宜。考慮到心跳信息在傳遞時也會加大網絡壓力，對網絡信號的傳輸造成不利影響，設計了PULL心跳檢查機制，使檢測方法具有更好的主動性能，保證了檢測算法的靈活性。

3 結束語

基于Zigbee技術的智慧校園安全系統，可以保證在學校內部建立一個規范的故障預警保護機制。安保人員可從多個途徑獲取故障預警信息，實現標準化的安全運行報告統計系統，方便運行和維護人員及時了解系統運行狀態，為學校安全保障工作適時提供科學合理的信息。智慧校園安全系統建立起一體化的運營維護監控服務系統，打破了不同監控區域之間的壁壘，有利于高度集約化服務網絡的建立，使校園有了更加安全的保障。