基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能校園安防管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王悅， 盧娜

(西安航空學(xué)院 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院， 陜西 西安 710077)

0 引言

校園是培養(yǎng)下一代的場(chǎng)所，校園的安全和諧影響著廣大師生的身心健康。近年來我國(guó)高校學(xué)生數(shù)量連年遞增，高校領(lǐng)導(dǎo)和一線教師極其關(guān)注校園安全問題。隨著突發(fā)的校園安全事件的增多，校園安全引起了全社會(huì)的關(guān)注。維護(hù)校園安全穩(wěn)定也成為構(gòu)建和諧社會(huì)的重要保證。目前，校園安全防范應(yīng)急工作較薄弱，迫切需要采用技術(shù)手段來加強(qiáng)校園安全[1]。十九大以來，“互聯(lián)網(wǎng)+”、人工智能和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展成為我國(guó)重大戰(zhàn)略、規(guī)劃和舉措。新技術(shù)的發(fā)展為校園安全管理帶來了挑戰(zhàn)和機(jī)遇。高校具有利用信息化技術(shù)改革的先決條件與優(yōu)勢(shì)，不僅可以研發(fā)信息化技術(shù)，而且要成為信息化技術(shù)應(yīng)用的典范[2]。物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)，即萬物互連，是通過射頻、紅外感應(yīng)等設(shè)備將物品與互聯(lián)網(wǎng)相連實(shí)現(xiàn)信息交互，是世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮[3]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的使用已經(jīng)遍及智能交通、公共安全、平安家居、工業(yè)監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與校園安防系統(tǒng)結(jié)合，促進(jìn)了“平安校園”的建設(shè)工作。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在“平安校園”方面做了大量的研究，學(xué)者劉潛[4]研究了事故發(fā)生、預(yù)防、控制的一般規(guī)律；皮祖訓(xùn)等[5]深度分析了影響校園安全的因素；Hu P等[6]提出了校園智能安全解決校園安全問題的方案；Li X等[7]提出了基于GIS的校園安全框架模型。傳統(tǒng)校園安防監(jiān)控大多采用人工巡邏，實(shí)時(shí)預(yù)警較差，不具備聯(lián)動(dòng)報(bào)警機(jī)制，可靠性較低。本文以提高校園安防監(jiān)控的可靠性為目的，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，嵌入式技術(shù)，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能校園安防管理系統(tǒng)，利用多網(wǎng)互通提高了預(yù)警的及時(shí)性，還利用智能App應(yīng)用軟件讓管理人員第一時(shí)間了解校園安全情況。“互聯(lián)網(wǎng)+校園安全”是互聯(lián)網(wǎng)與校園安全的深度融合，是校園安全體系在 互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)得到有效構(gòu)建[8]。

1 高校校園安全影響因素及安防系統(tǒng)需求特點(diǎn)

1.1 安全隱患發(fā)現(xiàn)及時(shí)性差

安全事故發(fā)生都會(huì)有量變到質(zhì)變的發(fā)展過程。現(xiàn)行安全管理模式是在安全事件沒有發(fā)生之前，進(jìn)行專項(xiàng)檢查與日常檢查，沒有對(duì)安全隱患干涉做明確具體要求和規(guī)定，致使很多的安全隱患沒有被管理人員察覺。所以傳統(tǒng)安全管理模式下的細(xì)微安全隱患難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，難以提高安全管理人員的重視度。

1.2 管理人員存在僥幸心理

大多數(shù)安全隱患在短時(shí)間內(nèi)，不會(huì)造成重大損失，不會(huì)形成強(qiáng)烈的社會(huì)輿情，這極易造成管理人員的僥幸心理，只要安全事件不發(fā)生在管理人員的職責(zé)期限內(nèi)，就無需對(duì)事件負(fù)責(zé)，只要拖過他的工作時(shí)間期限，一切就事不關(guān)己了。

1.3 安全制度不健全

高校的人才培養(yǎng)、文化傳承創(chuàng)新的實(shí)現(xiàn)需要一個(gè)良好的安全環(huán)境，各地方院校的建設(shè)指標(biāo)體系中很少提及安全方面。這就造成了高校安全要求僅掛于墻上，停留在文件里，形成了形式主義的安全考核。安全制度是校園安全的基本保障。但一些制度僅停留在形式上, 其可行性不高。這種管理模式與安全隱患的消除存在一定的相背之處，更多的是起到治標(biāo)的作用，難以在源頭上消除安全隱患[9]。

1.4 安全教育松懈

高校校園安全工作的兩個(gè)重要內(nèi)容是安全管理和安全教育，它們有著相輔相成的關(guān)系。通過管理手段來規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)是很多高校采用的方式,然而不重視教育和引導(dǎo)師生避免危險(xiǎn)。許多高校僅依賴公益宣傳方式的安全教育, 缺少系統(tǒng)性和深入性，未把安全教育融入教育教學(xué)的體系之中[10]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)，即萬物互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)。是按約定的協(xié)議，通過傳感設(shè)備(紅外感應(yīng)、射頻識(shí)別等)，實(shí)現(xiàn)物到物、人到物、人到人之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，是信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)基本組成

其主要特征是通過傳感設(shè)備獲取各種信息，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息交互，通過智能計(jì)算技術(shù)分析處理這些信息，實(shí)現(xiàn)智能化控制。感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)的三個(gè)組成部分。其中，感知層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)層是承載網(wǎng)支撐系統(tǒng)；應(yīng)用層包括物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)子系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用子系統(tǒng)。隨著NB-IoT、5G等設(shè)施的完善，萬物互聯(lián)不再是紙上談兵，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了“跨界融合、集成創(chuàng)新”階段。本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用于校園安防系統(tǒng)中，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

ZigBee是一種短距離無線通信技術(shù)。主要特點(diǎn)為低功耗、低成本、短距離傳輸、傳輸速率低、短延時(shí)、高可靠性。ZigBee技術(shù)有三種頻段:2.4 GHz為全球通用頻段；915 MHz為美國(guó)的ISM頻段；868 MHz為歐洲的ISM頻段。ZigBee組網(wǎng)方式有星型、樹型、網(wǎng)型三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該技術(shù)可應(yīng)用于工業(yè)控制、健康醫(yī)療、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。

RFID(射頻識(shí)別)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，可工作于各種惡劣環(huán)境，同時(shí)可識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，可識(shí)別靜止或高速運(yùn)動(dòng)的物體。RFID標(biāo)簽具有防水防磁、耐高溫高壓、可加密性強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于商業(yè)零售配送、智能門禁系統(tǒng)、交通物流運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域[11]。

2.2 智能校園安防系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，促進(jìn)了校園安防系統(tǒng)在技術(shù)上的飛躍。本系統(tǒng)以STM32單片機(jī)作為中央處理器，結(jié)合門禁系統(tǒng)、無線通信模塊、防火預(yù)警模塊、視頻監(jiān)控模塊等組成了校園安防系統(tǒng)。校園安防系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 校園安防系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該校園安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)集成、綜合的保護(hù)校園師生安全的作用，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到保留原有校園安防設(shè)施；在系統(tǒng)構(gòu)建中應(yīng)考慮系統(tǒng)可靠性問題；同時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)具有高安全性和易操作等特點(diǎn)。該系統(tǒng)的基層為感知層，包含了傳感器、RFID、攝像頭等，實(shí)現(xiàn)信息采集;網(wǎng)絡(luò)層由Internet、ZigBee網(wǎng)、4G5G組成，主要接收數(shù)據(jù)信息并傳送到應(yīng)用層； 應(yīng)用層主要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整理、判斷，并傳送到用戶層；用戶層就是PC機(jī)、手機(jī)App等客戶端。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由門禁系統(tǒng)、主控制器模塊、無線通信模塊、防火報(bào)警模塊、視頻監(jiān)控模塊和終端模塊六部分組成。主控制器模塊選用STM8S207單片機(jī)，它內(nèi)部集成的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)單元以及30萬次的擦寫周期可以滿足本設(shè)計(jì)的需求。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的App可與嵌入式Web服務(wù)器長(zhǎng)時(shí)間連接，通過App對(duì)嵌入式Web服務(wù)器的數(shù)據(jù)操作，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制[12]。該系統(tǒng)通過門禁系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)教學(xué)區(qū)、實(shí)訓(xùn)區(qū)、生活區(qū)等場(chǎng)所。

3.2 門禁系統(tǒng)

門禁系統(tǒng)主要包括校園門口、教室、實(shí)驗(yàn)室、宿舍等門禁系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)包括了底層的身份識(shí)別和報(bào)警等裝置；中間層控制器用來采集人員信息，并進(jìn)行校驗(yàn)后做出處理；終端層計(jì)算機(jī)通過總線獲取控制器處理來的數(shù)據(jù)。門禁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 門禁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其功能可概括為權(quán)限管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控、記錄查詢、異常報(bào)警等。

3.3 視頻監(jiān)控模塊

通過計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，分析海量視頻數(shù)據(jù)，抽取視頻源中關(guān)鍵信息，使計(jì)算機(jī)完成實(shí)時(shí)監(jiān)視任務(wù)。校園通過攝像頭監(jiān)控教室、宿舍、食堂、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所等學(xué)生密集處實(shí)施智能監(jiān)控。

以大數(shù)據(jù)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過攝像頭采集建立一個(gè)樣本數(shù)據(jù)庫，并及時(shí)更新樣本數(shù)據(jù)庫的信息，實(shí)現(xiàn)有效識(shí)別目標(biāo)的目的。該模塊可實(shí)現(xiàn)事前預(yù)警、全自動(dòng)、全天候、實(shí)時(shí)監(jiān)控處理的功能，有效解決了傳統(tǒng)校園安防系統(tǒng)較為落后的弊端。視頻監(jiān)控結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 視頻監(jiān)控結(jié)構(gòu)圖

3.4 防火報(bào)警模塊

防火報(bào)警模塊把傳感器(煙霧傳感器MQ-2、溫度傳感器DS18B20、火焰?zhèn)鞲衅鞯?檢測(cè)的各節(jié)點(diǎn)信息，匯總到ZigBee協(xié)調(diào)器中，并通過校園網(wǎng)進(jìn)行信息交互，判斷是否有火情，是否需要啟動(dòng)報(bào)警器，是否需要開啟噴淋器。通過Zigbee無線通信技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)火災(zāi)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和顯示以及歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

3.5 無線組網(wǎng)

ZigBee節(jié)點(diǎn)通過交換路由信息維護(hù)自身的路由表，通過優(yōu)化分析來自其他節(jié)點(diǎn)的路由更新信息，選擇最優(yōu)路徑。以自組網(wǎng)形式組成無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸。無線組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的核心是協(xié)調(diào)器，主要負(fù)責(zé)連接傳感器或路由器，用于控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)；路由器用于連接傳感器，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸；終端節(jié)點(diǎn)就是各種傳感器。本系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)需要選擇易于施工、擴(kuò)展和維護(hù)的樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3.6 云技術(shù)

云技術(shù)是一種新的計(jì)算平臺(tái)，融合了網(wǎng)格計(jì)算、虛擬化、彈性計(jì)算等技術(shù)。該物聯(lián)網(wǎng)校園安防系統(tǒng)云架構(gòu)的設(shè)計(jì)上，采用公有云模式。該校園安防系統(tǒng)能夠關(guān)聯(lián)各個(gè)孤立的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化整合資源和信息共享的目的。該功能是采用公共云技術(shù)有效實(shí)現(xiàn)的，即在全校范圍內(nèi)建立一個(gè)公共云平臺(tái)，將各個(gè)監(jiān)控區(qū)域中有關(guān)的安全數(shù)據(jù)上傳到該云平臺(tái)匯聚處理，以便為校園安防監(jiān)控中心對(duì)安全事件預(yù)測(cè)與應(yīng)急處理提供決策依據(jù)[13]。該系統(tǒng)采用云技術(shù)將大幅提高了安全性，解決了以往一些終端設(shè)備無法被有效監(jiān)管的問題。

4 實(shí)驗(yàn)分析

本文設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)校園安防系統(tǒng)通過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性。主要測(cè)試指標(biāo)為門禁識(shí)別執(zhí)行終端A1、視頻攝像機(jī)A2、圖像顯示終端A3、報(bào)警設(shè)備A4、無線傳輸丟包率A5、門禁控制A6等。設(shè)定實(shí)驗(yàn)環(huán)境為：某高校內(nèi)任意三個(gè)地點(diǎn)，對(duì)以上指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)

由表1結(jié)果可知,該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，通信效果良好，能夠滿足校園安防的需要。

對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行模擬通信測(cè)試——ZigBee組網(wǎng)測(cè)試，驗(yàn)證通信的可靠性及穩(wěn)定性。通過對(duì)ZigBee模塊的傳輸數(shù)據(jù)的丟包率進(jìn)行測(cè)試。選取校園任意5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，且測(cè)試距離不同。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 丟包率測(cè)試

5 總結(jié)

本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云技術(shù)、傳感器技術(shù)，構(gòu)建了一款校園安防管理系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊組成，通過模擬測(cè)試，對(duì)數(shù)據(jù)丟包率進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明：通信穩(wěn)定且可靠性高。又通過對(duì)門禁識(shí)別執(zhí)行終端、視頻攝像機(jī)、圖像顯示終端、報(bào)警設(shè)備等設(shè)備可靠性進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。