基于物聯網技術的校園安防系統的研究與設計

摘 要： 針對目前校園安全事件增多和傳統安防系統不能滿足當前安全需求的問題，通過對物聯網技術特征的分析，以校園為依托，提出了將物聯網技術中的RFID技術、ZigBee技術、傳感器等技術應用于校園安防系統之中。設計了包含基于RFID的校園門禁系統、基于ZigBee技術的校園防火報警系統和智能視頻監控系統等多個子系統的整體化校園安防系統，全面提高了校園安防系統的安全防護能力。

關鍵詞： 物聯網； 安防系統； RFID； 傳感器； 監控

中圖分類號： TN919?34； TP393 文獻標識碼： 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

自本世紀初高校擴招以來，各高校的校園規模都在不斷的擴大，在校師生員工人數越來越多、成分也越來越雜，校園內各種斗毆、偷盜、火災等安全事件也越來越多；同時，隨著經濟的發展和收入的提高，政府、社會和家庭對教育重視程度的增加，學校和學生所擁有的財產數額與種類也越來越多，學校經常性地采購貴重教學設備與實驗設備，幾乎所有的學生都有了電腦和手機之類的貴重物品，并且，像電腦和手機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；再有，電子產品的應用越來越廣泛，這些也就給由電器引起的火災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峻的挑戰。

傳統的校園安防系統都只做到“安”，卻沒能很好的做到“防”，安而不防是普遍現象，原因有二，其一，因為目前高校的安防系統都是以視頻監控為主，而視頻監控在大部分情況下只作為事后調看的工具使用，事前缺乏預警，事中無法及時處理，這使得即使高校里布滿了監控探頭，到頭來也沒能很好地對師生起到保護作用，有效的視頻監控不再是純粹的事后調看查證，而是要在配合了前端智能分析以及音頻技術的基礎上，做到事前能預警，事中能快速處理，事后能高效調看，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，傳統的安防系統雖然有著各式各樣的安防子系統，但各自為政，信息不能融合到一起，因此，就難以發揮這些子系統的綜合防范水平，也造成了人力資源的過多投入而造成不必要的浪費[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，物聯網的出現，正好為這些問題提供了極好的解決方案。近些年來，各高校的校園網建設已日趨完善，各種數字化校園系統也逐步在建設完善，有些已經建成并正在使用，這些都為物聯網的實施提供了良好的基礎。

1 基于物聯網技術的校園安防系統的體系結構

基于物聯網的校園安防系統的核心技術是物聯網技術。物聯網是通過傳感器、射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，將任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、追蹤、監控和管理的一種網絡[3]。

基于物聯網的校園安防系統是在傳統安防系統的基礎上，以校園網為依托，引入物聯網技術，整合傳統安防系統數據，為校園各方面的安全防護提供綜合的統一的管理平臺，及時發現安全隱患，保護校園人身與財產安全，全面提升校園綜合安全防范水平。根據物聯網的特征，將校園安防系統劃分為3個層次：感知層、網絡層、及應用服務層， 應用服務層又分為用戶層和應用層兩個子層（如圖1所示）。

圖1 校園安防系統的體系結構

感知層是整個物聯網的基礎，是獲取原始信息的重要感知設備，主要包括RFID電子標簽、RFID 讀寫器、傳感器以及GPS等設備，完成物聯網所需的基礎數據采集任務。

網絡層的功能是將感知層獲取的信息進行處理和傳遞，利用現有校園網（包括有線網和無線網），并擴展建設專用網———ZigBee網，將前端感知信息傳輸至應用層。應用層數據可以通過校園網或是Internet與用戶進行信息的交互。

應用層由各種應用服務器組成，包含數據鏈和數據庫，主要功能是對采集數據進行多源信息融合、轉換、分析，以及用戶層呈現的適配和事件的觸發等[4]，同時在需要對終端設備實施控制時，應用層將完成用戶發出的控制指令的生成和下發功能，經用戶層處理后的數據能夠通過因特網為全球用戶服務。

用戶層為用戶提供了物聯網的多種應用接口，包括用戶設備，客戶端和各種服務界面等。

2 基于物聯網技術的校園安防系統的設計

基于物聯網的校園安防系統，可將要保護的對象延伸和擴展到校園內的任何角落和重點物品，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理?；谖锫摼W技術的校園安防系統有機的整合了門禁管理系統、防火報警系統和貴重物品監控等系統，并整合了移動通信網絡，實現了除聲光報警之外還能進行短信報警，從而提升校園綜合安全防范水平。

2.1 基于ZigBee技術的防火報警系統

目前的防火報警系統主要還是由有線的方式所構建的火災傳感器網絡，這種網絡構建繁雜，要施工布線，從而浪費大量的人力物力和財力。并且線路大多都是采用暗埋的方式布線，一旦出現故障，維護起來就很困難。ZigBee技術可以很好地解決有線方式所帶來的諸多問題?；赯igBee技術的校園防火報警系統由無線傳感器節點、ZigBee路由器、ZigBee協調器和報警設備等構成。ZigBee網絡的未端由許多傳感器節點構成，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時監測，來判斷是否有火災隱患，傳感器節點的數據經路由節點匯總到協調器節點，再通過校園網傳到防火報警系統。防火報警系統是整個系統的控制和管理中心，負責對整個系統的控制、傳感器數據的處理以及決策等。在收到傳感器節點的預報警數據時，根據預設的相關規則，采取相應的措施。并在確認火災發生時啟動相應的聯動機制。 防火報警系統結構如圖2所示。

圖2 防火報警系統結構圖

基于ZigBee技術的防火報警系統，實現了火災傳感器網絡的無線化，并且具有ZigBee技術的自組網絡功能和自愈功能。自組網絡功能在不需要人工干預的情況下，網絡中的傳感器節點能夠自動感知其他節點的存在，并相互之間建立無線連接，組成一個結構化網絡；自愈功能在增加或者刪除一個節點、節點位置發生變動或是節點發生故障的情況下，網絡都能夠自我修復，并對網絡拓撲結構進行相應地調整，也無需人工干預，保證整個系統仍然能正常工作[5?6]。ZigBee技術的這兩個功能對防火報警系統來說是非常重要的，也是有線網無法比擬的，因為在火災發生時，有線網絡極有可能在火災發生時就被火災破壞，從而不能正確地進行災情的報告。而ZigBee網絡是無線網絡并具有自組網絡和自愈功能，火災破壞不了線路，即使破壞了部分的傳感器節點，但剩下的節點還能自己重新組網，從而大大提高了網絡的生存率，也就是大提高了防火報警系統的生存率，這對救火工作和保護人身財產起到了至關重要的作用。

2.2 基于RFID的校園門禁管理系統

在校園安防系統中，門禁系統是最常用的安防系統之一。基于RFID的校園門禁管理系統分為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生的身份識別，每一位在校的正式成員都發放一張包含個人信息及權限的RFID卡，來賓則使用只具有基本權限的臨時卡。RFID卡具有讀寫和通信的功能，是觸發門禁控制系統工作的鑰匙，也是門禁管理系統進行授權的憑證。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。門禁控制系統把從讀寫器接收到的用戶信息發送至門禁管理系統，等待門禁管理系統的判定結果。門禁管理系統接收到控制系統傳送過來的用戶信息之后，把收到的用戶信息與數據庫中的信息進行驗證，并判定其權限，把比較和判定結果反饋到門禁控制系統，控制系統根據反饋過來的結果來控制門鎖開關，如果該用戶是合法用戶并具有權限，那么門禁控制系統就進行開鎖操作把門打開，同時生成刷卡和開鎖記錄發送到門禁管理系統進行保存，以便今后的記錄查詢。除此之外，門禁管理系統還對整個的RFID卡中用戶信息的管理和授權、刷卡記錄的保存和查詢等進行統一的管理。整個門禁管理系統的結構如圖3所示。

門禁系統設置在校園內的一些主要場所，如：宿舍、教學樓、辦公樓、實驗室、校大門等地點，在這些地點的入口或出口處安裝RFID讀寫器，教職工和學生都必須刷卡才能進出這些場所。特別是當學生刷卡進出校門時，系統就發送一條短信給學生家長，以便家長及時掌握學生當前的在校情況。各類地點對涉及到的用戶類型不一樣，所以管理系統必須對用戶的使用權限進行嚴格的控制。

圖3 門禁管理系統結構圖

2.3 貴重物品監控系統

隨著經濟的發展和收入的提高，政府、社會和家庭對教育重視程度的增加，學生所擁有的財產數額與種類也越來越多，幾乎所有的學生都有了電腦和手機之類的貴重物品，并且，像電腦和手機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，學校采購的一些設備也越來越貴重。像這些貴重的物品都需要對其進行監控以保證它們的安全性。監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驗室的貴重器材設備、敏感崗位的服務器和電腦以及學生的手機電腦等貴重物品。貴重物品監控系統對這些資產進行實時監控，一旦發現異常情況就發出警告。系統主要有貴重物品監控系統、RFID標簽、RFID讀寫器和網絡系統組成[7?8]。系統結構如圖4所示。

圖4 貴重物品監控系統結構圖

每個貴重物品上都貼上一個RFID標簽，在宿舍大門、各關鍵路口及各貴重物品門口都安裝RFID讀寫器，時刻監控貴重物品的位置和移動路線。一旦發現物品離開固定位置就進行報警或是短信的方式進行預警。

2.4 智能視頻監控系統

智能視頻監控系統是采用圖像處理、模式識別和計算機視覺技術，通過在監控系統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鍵的有用信息，快速準確地定位事故現場，判斷監控畫面中的異常情況，并以最快和最佳的方式發出警報或觸發其他動作，從而有效進行事前預警，事中處理，事后及時取證的全自動、全天候、實時監控的智能系統[9]。智能視頻監控解決了傳統的校園安防系統都只做到“安”，卻沒能做到“防”的問題，不僅能作為事后調看的工具使用，還可以通過判斷監控畫面中的異常情況進行事前預警，大大提高視頻監控系統“防”的能力。校園智能視頻系統如圖5所示。

圖5 校園智能監控系統結構圖

視頻前端部分由攝像頭和音頻采集裝置構成，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系統的核心，主要功能是將模擬的視頻圖像和音頻信號轉換成數字信號，通過校園網把數據傳輸到監控系統中心，同時實時分析處理視頻圖像及音頻，對各種異常情況進行報警。音頻還要設置敏感詞庫，如果捕獲到像“救命”、“抓賊啊”之類的詞，視頻監控系統要能馬上把當前視頻切換到視頻墻，并啟動相應的報警機制。

智能視頻監控系統主要協調各裝置部件的數據通信及操作請求，通過網絡接收視頻音頻數據和操作請求，觸發各種操作，如：切換視頻、報警等，同時，儲存從網絡接收的視頻音頻數據，為用戶提供事后的瀏覽、檢索等取證服務以及提供系統參數配置管理和維護功能。

視頻墻顯示系統觸發或用戶指定的要求所切換的視頻圖像和報警信號，方便實時監控[10?12]。

3 結 語

物聯網技術的出現，大大拓展了安防系統的安全防護能力，給校園安防系統的建設帶來了革命性的變化。基于物聯網的校園安防系統把物聯網中的RFID、傳感器等幾個核心技術運用到校園的門禁系統、防火報警系統、貴重物品監控等系統中，解決了傳統安防系統中許多“安”而不“防”的問題，使校園安防系統有了質的飛躍。目前，物聯網技術還處于一個起步階段，各種技術和標準還不是很成熟，在進行設計時可能還存在一些缺陷，但是，隨著物聯網技術的發展越來越成熟，校園安防系統也必將越來越完善，全方位的為校園的安全防范工作保駕護航。

參考文獻

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