基于ZigBee 技術的智慧校園安全系統設計

江蘇聯合職業技術學院徐州經貿分院 張學芹

傳統的校園安全管理方式需要大量人力、物力，智慧校園安全系統可以實現對校園設備、設施的智能監控和遠程控制，優化設備和資源的利用，提高校園管理的效率和智能化程度。ZigBee 技術是一種無線網絡通信技術，可以實現低速、低功耗、低成本的無線連接，具有廣泛的應用前景?；赯igBee 技術的智慧校園安全系統利用無線網絡技術，通過多種傳感器設備、控制終端和互聯網平臺等構建一個安全可靠、高效智能的校園安全系統。本文基于ZigBee 技術對校園安全系統進行重新設計，力圖打造全新的智慧校園安全體系。

隨著科技的不斷發展，人們對于校園安全的要求越來越高。傳統的校園安全監控設備存在諸多缺陷，如安裝位置受限、監控范圍有限等問題。ZigBee 技術是一種無線通信技術，其優勢在于低功耗、低速率、低成本和自組織等特點，適用于小范圍、低速率的無線數據傳輸。智慧校園安全系統采用ZigBee 技術，可以實現校園內各種安全設備之間的互聯互通，如門禁系統、監控系統、火災報警系統等。當發生安全事件時，各個設備之間可以實現聯動，快速響應并報警，提高了安全保障的效率和準確性。本文基于ZigBee 技術對校園安全系統進行重新設計，力圖打造全新的智慧校園安全體系。

1 關鍵技術概括

1.1 ZigBee 技術的概念特點

（1）低功耗。ZigBee 技術采用了基于IEEE 802.15.4標準的低功耗通信協議，該協議允許設備在待機模式下消耗非常少的電量[1]。這意味著ZigBee 設備可以在長時間內使用同樣的電池，從而減少更換電池的頻率和成本。同時ZigBee 技術的通信速率較低，一般為250kbps，與其他高速數據傳輸技術相比，它所需的功率更少[2]。ZigBee 設備的數據傳輸量通常較小，因此可以使用更小容量的電池。

（2）多點連接。多點連接是指一個ZigBee 節點可以與多個其他節點進行通信。在ZigBee 網絡中，所有節點都可以互相通信，這種多點連接的特性使得ZigBee 網絡非常適合用于物聯網中的傳感器和控制設備。ZigBee 網絡采用星型和網狀型拓撲結構，這種結構使得ZigBee 網絡可以支持多種不同類型的連接。在星型拓撲結構中，一個集中的協調器負責協調所有的節點，節點只能與協調器進行通信，不能與其他節點直接通信。在網狀型拓撲結構中，每個節點都可以與其他節點直接通信[3]，這種結構使得ZigBee 網絡更加靈活，能夠適應各種不同的應用場景。

（3）安全性高。ZigBee 技術支持高級加密標準（AES）算法。AES 是一種廣泛使用的對稱加密算法，具有高強度的加密和解密能力。ZigBee 技術支持AES 算法，并通過密鑰交換和管理等措施，保證了數據的機密性和完整性。另外，ZigBee 技術采用了認證和授權機制。在ZigBee 網絡中，設備之間的通信必須經過認證和授權，防止非法設備加入網絡或者攻擊者偽裝成合法設備獲取數據[4]。

（4）易于擴展。ZigBee 技術具有易于擴展的特性，可以通過添加新的設備來擴展現有網絡。這是因為ZigBee技術采用了分層網絡結構，它將網絡劃分為應用層、網絡層和物理層。每個層次都有自己的功能和特性，可以通過在應用層添加新的設備來擴展網絡。在ZigBee 網絡中，每個設備都有一個唯一的16 位短地址和64 位擴展地址，這使得添加新設備變得非常容易。

1.2 ZigBee 技術的體系結構

ZigBee 技術的體系結構主要由應用層、網絡層和物理層部分組成。應用層包含了所有的應用程序，它為各種不同類型的應用提供了標準接口，比如，本次研究的校園安全系統。網絡層主要負責網絡管理、數據傳輸和路由選擇等任務，它定義了協議棧中的網絡拓撲結構和通信協議。物理層是將數字數據轉化為無線電信號，完成數據的傳輸和接收[5]?；赯igBee 技術的智慧校園安全系統可以通過接口與各種類型的傳感器和執行器進行通信，例如，溫度傳感器、濕度傳感器、燈光控制器等。網絡層負責數據傳輸和路由選擇，它支持星形、樹形和網狀等多種網絡拓撲結構，并提供了多種路由選擇算法，以實現高效、可靠的數據傳輸。物理層則負責將數字數據轉化為無線電信號，完成數據的傳輸和接收[6]。

2 基于ZigBee 技術的智慧校園安全系統設計

2.1 硬件系統

基于ZigBee 技術的智慧校園安全系統硬件系統組成主要包括傳感器、控制器、網關以及可視化終端。

（1）傳感器。傳感器的作用是采集各種信息，例如，火災、煤氣泄漏、水浸等預警信息。這些傳感器可以部署在各個關鍵位置，例如，宿舍、教學樓、實驗室等地方，以實現對整個校園環境的全面監測。在智慧校園安全系統中，常用的傳感器有溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器、氣體傳感器、光纖傳感器等。其中，溫度傳感器可以用于監測室內溫度，保證室內溫度在適宜范圍內，通常可以測量溫度范圍為-40℃～+85℃，本次設計應用的型號有DHT11、DHT22；濕度傳感器可用于監測室內濕度，防止出現過于潮濕或過于干燥的情況，濕度范圍為0%～100%，同樣應用DHT11、DHT22 型號傳感器；煙霧傳感器可以監測煙霧，及時報警避免火災事故，本次設計應用的型號有MQ-2、MQ-5；氣體傳感器可以檢測室內氣體濃度，例如，二氧化碳濃度、甲醛濃度等，保證室內空氣質量，本次設計應用的型號有MQ-2、MQ-5；光纖傳感器則可以自動調節室內照明亮度，節約能源。

（2）控制器。控制器負責接收傳感器采集到的信息，對數據進行處理分析，進而進行決策?？刂破骺梢圆捎没趩纹瑱C或嵌入式系統的設計，其功能包括數據采集、數據處理、控制指令生成等。由于ZigBee 技術采用了短數據包和低功率消耗的方式，其控制器可以使用較小的電池容量實現長時間的運行，這大大降低了系統運行的成本。另外，基于ZigBee 技術的智慧校園安全系統控制器具有可擴展性強的特點。ZigBee 技術允許不同的設備之間進行互聯互通，同時也可以通過添加新的設備來擴展系統的功能。這使得控制器可以根據需要逐步擴展，以適應不同規模的學校?；谏鲜鲆?，本次研究中基于ZigBee 技術的智慧校園安全系統控制器是L-SPC。該控制器采用了自主研發的高性能芯片，可以實現多種安全設備的無線接入，同時支持遠程控制和智能化管理。此外，L-SPC 還具有安裝簡單、操作方便、故障率低等優點，是智慧校園安全系統的理想選擇。

（3）網關。網關是連接控制器和可視化終端的重要組成部分。網關的主要作用是收集控制器處理的數據，并將數據傳輸給可視化終端。網關通常具備多種通信接口，例如，有線通信接口（如以太網、串口等）和無線通信接口（如ZigBee、藍牙等）。智慧校園安全系統的網關設計是基于ZigBee 技術實現的，其主要功能是將ZigBee 傳感器節點采集的數據傳輸至云端。智慧校園安全系統的網關設計可以實現對學校內部環境的實時監測，如溫度、濕度、煙霧、CO2等數據，同時可以進行報警處理，確保學校內部環境的安全性和穩定性。此外，網關設計還能將學生出入校門的信息進行采集和傳輸，實現對學生出入校門的實時監測和管理。通過網關設計的實現，學?？梢詫W生的行為進行有效的監測和管理，避免學生在校內出現安全問題。在實際的應用中，智慧校園安全系統的網關設計還需要考慮到數據的傳輸安全性和穩定性。為了確保數據傳輸的安全性，網關設計需要采用加密算法對傳輸的數據進行加密處理。同時，為了保證數據傳輸的穩定性，網關設計需要采用雙備份機制，即在數據傳輸過程中，備份一份數據，確保數據傳輸不會因為任何一方的失誤而出現中斷。

（4）可視化終端?？梢暬K端是用戶與智慧校園安全系統進行交互的重要途徑，可以是PC 端、手機App等。用戶可以通過可視化終端實時監測校園的安全狀況、查看警報信息、進行遠程控制等操作。當前校園安全問題日益突出，普通的人工巡邏方式已經不能滿足管理需求。傳統的校園安全管理方式受到空間和人力資源的限制，導致安全隱患難以得到及時有效地發現和處理。而基于ZigBee 技術的智慧校園安全系統可以采用無線傳感器網絡、視頻監控、智能門禁等技術，實現對校園各區域的實時監測、數據采集和分析處理，提高校園安全管理水平和應急處理能力。在智慧校園安全系統中，可視化終端是用戶與系統之間的重要交互界面，主要負責實時監控校園安全情況、預警信息展示和緊急處理等功能。因此，本文以可視化終端設計為研究對象，探究基于ZigBee 技術的智慧校園安全系統可視化終端的設計與實現方法。通過對校園安全數據的采集和分析，設計出符合用戶需求的可視化界面，實現對校園安全情況的實時監控和管理。

2.2 軟件系統

（1）系統架構。本系統采用客戶端/服務器（C/S）架構，包括服務器和多個客戶端。服務器用于管理、控制和處理各個子系統之間的信息和通信，客戶端用于實時監測和管理各個子系統的狀態。服務器采用MySQL 數據庫進行數據存儲和管理，同時實現了Web 服務，方便客戶端通過瀏覽器進行訪問和管理。

（2）ZigBee 節點管理模塊。負責對ZigBee 節點進行管理，包括節點的注冊、刪除、維護等。該模塊通過與底層硬件交互，獲取節點信息，并將其存儲到數據庫中，以便后續的節點查詢與控制。

（3）數據庫管理模塊。負責對智慧校園安全系統的各類數據進行管理，包括節點信息、安全預警信息、事件日志等。該模塊通過與數據庫進行交互，實現數據的存儲、查詢、更新等操作。

（4）安全監測模塊。負責對校園內的安全狀況進行實時監測，包括火災、水浸、燃氣泄漏等安全事件的監測。該模塊通過與ZigBee 節點進行通信，獲取節點采集到的環境數據，然后通過數據分析算法對數據進行處理，并在發現安全事件時及時發出預警信息。

（5）預警處理模塊。負責對安全事件進行處理，包括事件的分級、處理流程的定義等。該模塊通過與數據庫進行交互，獲取歷史事件信息，根據安全事件的類型和級別進行預警處理，并將處理結果反饋給用戶。

（6）安全控制模塊。負責對校園內的安全設備進行控制，包括警報器、噴淋系統、防火門等。該模塊通過與ZigBee 節點進行通信，實現對設備的遠程控制。

（7）用戶界面模塊。負責系統的用戶界面設計，包括數據展示、操作控制等功能。該模塊通過與其他模塊進行交互，實現用戶對系統的操作與管理。

2.3 具體實驗過程及結果

該系統主要由傳感器節點、協調器節點和智能控制中心組成，傳感器節點主要用于檢測學校內部區域的溫度、濕度、光照、人員進出等信息，協調器節點負責將傳感器節點的數據傳輸到智能控制中心，智能控制中心根據數據進行分析和處理，實現對學校內部區域的實時監控和安全管理。

（1）硬件搭建:首先搭建實驗平臺，包括傳感器節點、協調器節點和智能控制中心。傳感器節點采用溫濕度傳感器、光照傳感器、紅外傳感器等，協調器節點和智能控制中心采用ZigBee 無線通信模塊。

（2）軟件編程:利用嵌入式系統開發板進行軟件編程，包括傳感器節點、協調器節點和智能控制中心的程序設計。通過程序設計實現傳感器節點數據的采集和傳輸、協調器節點數據的接收和傳輸、智能控制中心數據的處理和管理。

（3）實驗操作:將傳感器節點安裝在學校內部關鍵區域，采集溫度、濕度、光照、人員進出等數據，并通過協調器節點將數據傳輸到智能控制中心。智能控制中心根據數據進行分析和處理，實現對學校內部區域的實時監控和安全管理。

（4）實驗結果:通過該實驗，成功實現了基于ZigBee技術的智慧校園安全系統的建立和應用。該系統可以實現對學校內部區域的實時監控和安全管理，具有較高的實用價值和推廣應用前景。

3 總結

基于ZigBee 技術的智慧校園安全系統是一種新型的校園安全管理模式，它利用無線網絡技術，通過多種傳感器設備、控制終端和互聯網平臺等構建一個安全可靠、高效智能的校園安全系統。傳統的校園安全管理方式主要是以人工巡邏、物理隔離等方式為主，存在人工疏忽、漏洞等問題。而基于ZigBee 技術的智慧校園安全系統可以實現對校園的實時監控、預警和快速響應等功能，提升了校園安全管理的精準性、實時性和有效性。綜上所述，基于ZigBee 技術的智慧校園安全系統具有提升校園安全管理水平、保障師生身體安全、提高校園管理效率和加強與家長的溝通等重要價值。這種新型的校園安全管理模式將會成為未來校園安全管理的發展方向和趨勢。