基于物聯(lián)網(wǎng)的校園安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

摘? 要：校園安全是學(xué)校教育工作的基礎(chǔ)。為提高校園安防系統(tǒng)的智能化和信息化水平，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)校園安防系統(tǒng)，依托無(wú)線通信技術(shù)、RFID技術(shù)、ZigBee技術(shù)和傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)防火報(bào)警模塊、視頻監(jiān)控模塊和門禁模塊，并通過(guò)模擬測(cè)試驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可用性和丟包率。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能較好地滿足校園安全防護(hù)的要求，且具有穩(wěn)定性和魯棒性。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);校園安防;無(wú)線通信;RFID技術(shù);ZigBee技術(shù)

中圖分類號(hào)：TN929.5? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）22-0148-03

Abstract： Campus safety is the basis of school education. In order to improve the intelligence and information level of campus security system， the campus security system is designed by using Internet of things technology. Relying on wireless communication technology， RFID technology， ZigBee technology and sensor technology， fire alarm module， video monitoring module and access control module are designed; the availability and packet loss rate of the system are verified by simulation test. The results show that the system can better meet the requirements of campus security protection， and has stability and robustness.

Keywords： Internet of things; campus security; wireless communication; RFID technology; ZigBee technology

0? 引? 言

伴隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)深入到人們工作和生活的方方面面。物聯(lián)網(wǎng)是指通信設(shè)備按照約定的通信協(xié)議與其他物體或網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接并進(jìn)行信息傳輸和交換的網(wǎng)絡(luò)[1]。物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)寬泛的概念，各類通信技術(shù)、傳感技術(shù)和人工智能技術(shù)等都是構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的核心要素[2]。目前，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)在公共安全、智能家居、工業(yè)檢測(cè)和智能交通等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

校園安全是我國(guó)教育工作的重要內(nèi)容。目前，大部分學(xué)校也均建立了安防系統(tǒng)，對(duì)保障校園安全發(fā)揮了重要的作用。近年來(lái)，隨著智能化設(shè)備的增加和5G通信技術(shù)的普及，大量的設(shè)備接入和海量數(shù)據(jù)的匯集對(duì)原有的校園安防系統(tǒng)的性能造成了一定的挑戰(zhàn)[3]。因此，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建設(shè)校園安防系統(tǒng)，充分吸取5G通信、ZigBee組網(wǎng)等技術(shù)，能有效提高校園安防系統(tǒng)的性能。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)積極吸取5G通信技術(shù)、RFID技術(shù)、ZigBee技術(shù)、傳感器技術(shù)，以89C52單片機(jī)為核心，建設(shè)校園安防系統(tǒng)，校園安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)為四層，分別是連接層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和用戶層，如圖1所示。

1.1? 連接層

連接層主要負(fù)責(zé)信息的采集，主要由傳感器、攝像頭和RFID等構(gòu)成。其中傳感器主要負(fù)責(zé)采集校園內(nèi)重點(diǎn)消防區(qū)域的溫度、濕度等信息，攝像頭主要采集校園進(jìn)出口的人流和車流、校園內(nèi)重點(diǎn)場(chǎng)所的圖片和視頻信息，RFID技術(shù)是利用射頻識(shí)別來(lái)實(shí)現(xiàn)非接觸式自動(dòng)識(shí)別的目標(biāo)，校園大門及校內(nèi)重要場(chǎng)所的門禁系統(tǒng)均可采用RFID技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別。

1.2? 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)將連接層采集到的信息傳送到應(yīng)用層，采用的通信協(xié)議主要有ZigBee、Internet和4G/5G構(gòu)成。ZigBee是一種適用于距離較短的無(wú)線通信技術(shù)，具有低成本、低功耗、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，主要工作在2.4 GHz頻段，一般采用樹型、星型和網(wǎng)型的組網(wǎng)方式。Internet是基于TCP/IP協(xié)議族的公共計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。4G/5G分別指第四代移動(dòng)通信技術(shù)和第五代移動(dòng)通信技術(shù)，目前我國(guó)已經(jīng)正式商用了4G和5G。

1.3? 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)層傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并形成結(jié)論傳送到用戶層。根據(jù)校園安防系統(tǒng)的構(gòu)成主要分為防火報(bào)警模塊、視頻監(jiān)控模塊和門禁模塊。防火報(bào)警模塊主要負(fù)責(zé)校園內(nèi)的消防信息的分析、處理和判斷，并將結(jié)論傳送至用戶層。視頻監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)校園內(nèi)視頻監(jiān)控信息的分析、處理和判斷，并將結(jié)論傳送至用戶層。門禁模塊負(fù)責(zé)校園內(nèi)門禁信息的分析、處理和判斷，并將結(jié)論傳送至用戶層。

1.4? 用戶層

用戶層主要負(fù)責(zé)將應(yīng)用層提供的信息以人機(jī)交互的形式提供終端由技術(shù)人員進(jìn)行處理，用戶層主要包括計(jì)算機(jī)和智能終端。計(jì)算機(jī)主要配置在主控室內(nèi)，安裝與監(jiān)控系統(tǒng)匹配的軟件后進(jìn)行校園安防工作。智能終端主要有智能手機(jī)和平板電腦，經(jīng)安裝匹配的APP后進(jìn)行校園安防工作。

2? 校園安防系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由主控器模塊、無(wú)線通信模塊、防火報(bào)警模塊、視頻監(jiān)控模塊和終端模塊。主控器模塊由89C52單片機(jī)為核心，有其他相關(guān)功能模塊支撐，與計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序和智能手機(jī)APP進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)校園內(nèi)教學(xué)區(qū)、圖書館、進(jìn)出大門等場(chǎng)所進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.1? 防火報(bào)警模塊

防火報(bào)警模塊主要將煙霧傳感器MQ-2、溫濕度傳感器SHT30所采集到的各節(jié)點(diǎn)信息，經(jīng)匯總后傳送至ZigBee節(jié)點(diǎn)，并實(shí)時(shí)傳送至控制中心，判斷是否存在消防安全隱患，并啟動(dòng)報(bào)警及噴淋器，如圖2所示。

2.2? 視頻監(jiān)控模塊

在校園大門、教學(xué)樓、食堂、宿舍和體育場(chǎng)所等重點(diǎn)區(qū)域，合理配置攝像頭布局，構(gòu)建全面的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，將視頻信息實(shí)時(shí)傳送至計(jì)算機(jī)，由視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)視頻中的關(guān)鍵信息進(jìn)行提取并分析，完成實(shí)時(shí)監(jiān)控任務(wù)。以智能視頻分析技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)為基礎(chǔ)，將采集到的視頻流建立樣本數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)樣本庫(kù)中的信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)甄別，有效識(shí)別各類安全隱患并實(shí)時(shí)預(yù)警，實(shí)現(xiàn)校園安防的事前預(yù)警、全天候、全自動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

視頻監(jiān)控對(duì)校園的安防保障起著至關(guān)重要的作用。隨著5G時(shí)代的到來(lái)，極大地提升了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力，超高速傳輸?shù)乃俾士梢灾庇^提升視頻監(jiān)控設(shè)備的性能，這將推動(dòng)視頻監(jiān)控產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。只有像素越來(lái)越清晰的視頻圖像，才能提供更加精準(zhǔn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)給人工智能技術(shù)?；?G通信的視頻監(jiān)控，前端設(shè)備無(wú)須再通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行視頻回傳，具備5G通信模塊的無(wú)線聯(lián)網(wǎng)攝像機(jī)可實(shí)現(xiàn)即裝即用，這種免拉線的部署方式大大縮短了安裝周期，同時(shí)降低了部署成本[4]。比如臨時(shí)布控的需求，在重點(diǎn)卡口、重大活動(dòng)地區(qū)、制高點(diǎn)等位置進(jìn)行臨時(shí)布控，采用5G移動(dòng)布控球進(jìn)行視頻回傳和圖像采集，識(shí)別嫌犯，掌握整體校園安防態(tài)勢(shì)。移動(dòng)布控球設(shè)備可隨時(shí)隨地移動(dòng)部署，并快速完成架設(shè)，且本地可配置長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航的電池，也可外接電源系統(tǒng)，確保安防系統(tǒng)可以長(zhǎng)時(shí)間工作，保障監(jiān)控工作的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3? 門禁模塊

門禁模塊主要配置在校園大門、教室、實(shí)驗(yàn)室、辦公室和寢室等場(chǎng)所，主要由RFID身份識(shí)別、天線、警報(bào)裝置和控制中心等。首先要先為用戶配置RFID身份信息，當(dāng)用戶需要在裝有門禁模塊的場(chǎng)所出入時(shí)，以RFID身份識(shí)別完成身份識(shí)別，經(jīng)識(shí)別確認(rèn)后可打開門禁。若無(wú)法識(shí)別則門禁會(huì)保持關(guān)閉，若訪客強(qiáng)行闖入則會(huì)啟動(dòng)警報(bào)。這一過(guò)程經(jīng)控制器來(lái)完成控制。如圖4所示。

3? 校園安防系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1? 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

校園安防系統(tǒng)采用微軟公司的Visual Studio2010進(jìn)行軟件開發(fā)，開發(fā)語(yǔ)言使用c#。軟件系統(tǒng)功能主要包括系統(tǒng)狀態(tài)和系統(tǒng)設(shè)置。在系統(tǒng)狀態(tài)模塊，技術(shù)人員可以通過(guò)軟件訪問(wèn)防火報(bào)警模塊、視頻監(jiān)控模塊和門禁系統(tǒng)的每一處節(jié)點(diǎn)，了解每一個(gè)傳感器、攝像頭和RFID卡的工作狀態(tài)。當(dāng)有傳感器、攝像頭或RFID卡發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)能及時(shí)采集到信息，并提示技術(shù)人員進(jìn)行維修或更換。此外，軟件系統(tǒng)實(shí)施接受防火報(bào)警模塊、視頻監(jiān)控模塊和門禁系統(tǒng)傳送來(lái)的信息，實(shí)施掌握校園內(nèi)安防信息，為系統(tǒng)預(yù)警和處理提供服務(wù)支撐。

在系統(tǒng)功能設(shè)置模塊可以對(duì)整個(gè)安防系統(tǒng)進(jìn)行配置。技術(shù)人員可以根據(jù)校園安防數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，適當(dāng)增加或減少傳感器、攝像頭和RFID卡。例如，在學(xué)校舉辦運(yùn)動(dòng)會(huì)時(shí)，可以在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所增加攝像頭，以更好的保障運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所的安全。同時(shí)，系統(tǒng)保持良好的開放性，技術(shù)人員可以對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行進(jìn)一步拓展。

APP采用安卓平臺(tái)開發(fā)，具有與軟件系統(tǒng)相同的功能，主要安裝在安防人員的智能終端上，以供隨時(shí)掌握的校園內(nèi)的門禁、消防和監(jiān)控系統(tǒng)信息，并通過(guò)4G/5G通信與監(jiān)控中心實(shí)時(shí)聯(lián)系。APP界面如圖5所示，圖示中共有通知公告、校園監(jiān)控、門禁系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、安防檢查、安防報(bào)修、安防知識(shí)和更多功能共8個(gè)模塊，便于安防技術(shù)人員隨時(shí)訪問(wèn)，實(shí)時(shí)掌握校園安防系統(tǒng)的準(zhǔn)確信息。

3.2? 校園安防系統(tǒng)的通信設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)主要采用4G/5G通信、ZigBee技術(shù)、Internet等技術(shù)。4G/5G通信在通信模塊上接入移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商，利用運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)配置實(shí)現(xiàn)通信目標(biāo)。ZigBee采用樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)易于維護(hù)和拓展。以自組織網(wǎng)的方式組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)與傳感器、路由器相連，實(shí)現(xiàn)校園內(nèi)溫濕度等信息的傳輸[5]。系統(tǒng)軟件安裝在計(jì)算機(jī)上，相關(guān)信息在主控計(jì)算機(jī)上經(jīng)Internet實(shí)現(xiàn)校園安防信息的傳輸和共享。

4? 性能測(cè)試

本設(shè)計(jì)的基于互聯(lián)網(wǎng)的校園安防系統(tǒng)的性能在我校采用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)。主要測(cè)試校園安防系統(tǒng)的終端的可用度和通信丟包率。

4.1? 終端可用度測(cè)試

主要檢測(cè)指標(biāo)為RFID身份識(shí)別終端T1、視頻攝像頭終端T2、圖像顯示終端T3、報(bào)警設(shè)備終端T4和門禁控制終端T5的可用度。在我校內(nèi)的大門外、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)和圖書館大門前三處對(duì)上述終端的可用度進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果如表1所示。

測(cè)試結(jié)果顯示，系統(tǒng)內(nèi)各終端具有良好的可用度，能夠在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下保持良好的工作狀態(tài)。

4.2? 系統(tǒng)丟包率測(cè)試

對(duì)校園安防系統(tǒng)的通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，主要測(cè)試安防系統(tǒng)中ZigBee組網(wǎng)的丟包率。在校園內(nèi)根據(jù)距離遠(yuǎn)近分別選取6個(gè)位置進(jìn)行測(cè)試，距離分別為5 m、10 m、20 m、60 m、100 m、200 m處發(fā)送10 000個(gè)數(shù)據(jù)包，統(tǒng)計(jì)接收端的丟包量和丟包率，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)的丟包率呈現(xiàn)隨著距離增加而上升的態(tài)勢(shì)，但整體丟包率較低，不影響系統(tǒng)的通信性能。

5? 結(jié)? 論

校園安全將是智慧校園的重要組成部分，校園安防系統(tǒng)將對(duì)校園內(nèi)部的人、車、設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與檢查，解決傳統(tǒng)模式下校園安全管理的痛點(diǎn)和難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)校內(nèi)人、車、設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控和智能分析，為學(xué)校提供更精細(xì)化的管理手段。設(shè)備采集的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee技術(shù)、5G通信技術(shù)傳輸，結(jié)合視覺識(shí)別及分析技術(shù)，利用云端大腦進(jìn)行圖像識(shí)別，實(shí)現(xiàn)進(jìn)出校園人員、車輛的身份識(shí)別，教師課堂點(diǎn)名，校內(nèi)人員實(shí)時(shí)定位，體溫測(cè)量等功能，主動(dòng)預(yù)防校園安全事件發(fā)生，快速處理校園安全事件，提前發(fā)現(xiàn)人員異常聚集，大幅提高了校園安全的保障水平。

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作者簡(jiǎn)介：孫迪（1988—），男，漢族，江蘇鹽城人，助教，學(xué)士，主要研究方向：安全防范技術(shù)。