ZigBee在學生公寓安全監控系統中應用

摘要：本文針對當前學生公寓安全問題，提出了一種利用ZigBee技術，結合傳感器技術、信息處理技術以及嵌入式技術對學生公寓安全進行實時監控的設計。主要功能包括監測宿舍是否違規用電、是否有非法人員入侵以及檢測宿舍火災，旨在減少宿舍盜竊、火災等事件的發生。通過對系統進行實地測試，實驗結果表明，數據能夠準確可靠傳輸，對異常情況系統能夠及時報警，提高學生公寓安全性。本文網絡版地址：http：//www.eepw. com.cn/article/266051.htm

關鍵詞：學生公寓安全；ZigBee；盜竊；火災

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.11.008

引言

由于高校學生公寓管理日趨復雜化，學生公寓成為各高校安全事故的多發地段。每年發生在學生宿舍里的火災達數千起之多，燒毀學生的財物，甚至燒傷燒死學生的事例屢見不鮮。2008年11月4日，上海商學院徐匯小區女生宿舍違規使用熱得快導致火災發生，由于逃生方式不對，造成4名女生從六樓陽臺墜亡[1]。2001年至2007年，學生宿舍每年盜竊案件造成學生財產損失高達30余萬元[2]。當前學生公寓安防系統功能比較單一、造價高，在部分學校得到實施。例如北京科技大學2001年投入近260萬元完善學生公寓安全防范系統[2]。實踐表明系統仍存在一些缺陷，如報警系統由于某線路故障而不能及時報警。針對以上問題，本文設計了一種基于ZigBee技術，低成本、易安裝、安全性高的學生公寓安全監控系統。設計免去了大量的布線復雜、降低了成本，信息傳輸準確可靠，重點對宿舍違規用電以及宿舍防盜進行了詳細設計，并通過在本人所在院校學生公寓的實際環境下，對系統功能進行實驗測試，證明系統有效可行，發生異常能及時報警。

1 系統總體結構設計

為了可以方便地對每個房間進行監測管理，提高傳感器網絡數據傳輸的可靠性，減少能量損耗和數據丟包，監測系統采用樹簇型結構作為網絡拓撲結構[3]。由于樓內墻壁等障礙物較多，對信號有較強的衰減、吸收、反射等影響，系統采用了三級樹簇型結構。把每個樓層作為一個簇，在每層的樓梯口或障礙物少的地方放置路由器節點（作為簇頭負責管理本樓層）；在樓層中的每個房間安置路由器節點（負責管理本房間）以及若干個終端節點（負責現場數據采集）；所有樓層的簇頭節點組成一個簇，從中選取一個簇頭直接和協調器進行通信，協調器通過串口或網絡與管理中心計算機通信，傳輸數據和命令。這種結構設計層次分明、管理方便、易于維護，大大降低了信號干擾的影響，有利于數據準確、快速地傳輸。本系統的總體框架如圖1所示。

在每個房間內采用星型網絡結構， 其中路由器負責收集房間內的環境信息，然后轉發給上一級路由器，同時發送管理中心命令到各個終端節點。房間內終端節點如圖2所示。

2 硬件單元設計

2.1 終端節點設計

終端節點的主要功能是數據采集。由于終端節點需要長時間運行，因此采用低功耗的MCU，硬件電路結構應盡量簡單，降低系統功耗，終端節點硬件結構如圖3所示。

CC2430是Chipcon公司（編者注：已被TI公司收購）推出的用來實現嵌入式ZigBee應用的片上系統，它集成了CC2420RF收發器、增強工業標準的8051MCU、32/64/128KB閃存、8KB SRAM等高性能模塊，具有超低能耗。

天線部分使用外接的單極天線，電源采用CR14250型號鋰電池，它具有電壓高、重量輕、體積小等優點，可以滿足監控子節點小型化、長期運行、低功耗的要求。為防止電源電壓不穩定，使用相關的穩壓芯片并在電源輸入端加入電容，濾除電源噪聲。

2.2 協調器節點設計

協調器是整個ZigBee網絡的核心，具有網絡的發起、建立、參數的設定、網絡管理和維護等功能。協調器節點的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強，采用三星公司S3C2410作為協調器的主控模塊，內嵌Linux操作系統，通過SPI與CC2430模塊連接。S3C2410最高工作頻率達203MHz，體積小、功耗低，擁有豐富片的外資源。協調器節點硬件結構如圖4所示，它主要包括電源模塊、無線收發模塊以及JTAG調試接口等。節點提供JTAG調試接口，只需外接調試器即可進行系統在線調試，方便系統程序的二次開發。無線收發模塊采用CC2430外加低功耗、高性能射頻前端CC2591芯片，通信距離可達1000m左右，增加網絡覆蓋的范圍，增強節點的無線收發能力。節點通過串口或網口與監控中心的計算機通信。

2.3 檢測電路設計

主要功能包括：

（1）檢測火災發生并報警，在宿舍及樓道內部署煙霧傳感器和溫度傳感器，采樣點數符合覆蓋面積互補原則，避免出現監測盲區，全面監測火災發生。

（2）監測惡性負載（如電熱爐、熱水器等大功率違規設備的使用，一旦發現立刻斷電，記錄宿舍號等信息。

（3）當宿舍發生非法人員入侵時，立刻報警，并記錄現場狀況信息。

2.3.1 惡性負載檢測電路

惡性負載（如電熱爐、熱水器等）是線性負載，這類負載一般僅由電阻組成，不包含電容等元件，所以其輸入電壓波形與輸入電流波形在形狀上是一致的。而計算機、電視機之類的非線性負載，在負載電路中一般有電容存在，這使得電源只有在高于電容電壓時做功，導致輸入電流發生畸變，所以對于這類設備，雖然輸入的交流電壓是正弦波形，但其輸入交流電流的波形卻嚴重畸變，呈脈沖狀。利用這一特點，通過對電流波進行周期性采樣，求出電流波形在正半周內的面積，利用不同負載對應電流波形正半周面積不同這一原理來識別負載[4]。具體硬件單元電路如圖5所示。

R0將負載上的電流波轉換為電壓波后，經過放大整形電路送入多路選擇器，CC2430內部的8051 MCU通過輸出周期性的選通信號控制多路選擇器的使能端來實現數據的周期性采樣。采樣信號送入A/D轉換器，轉換完成之后送入CC2430暫存起來，發送到管理中心計算機，利用軟件分析來識別惡性負載，根據分析結果發出切斷負載供電指令。

2.3.2 宿舍防盜報警電路

電路主要包括單片機、數字鍵盤、光電式傳感器以及報警器等，整個電路的工作過程主要包括兩部分。

（1）人員進入宿舍。首先在宿舍門框上方安裝光電式傳感器，位置如圖6所示。利用光電式傳感器的遮光式原理，門關閉時光電式傳感器的收發元件正好相對，門打開時，由于收發元件之間光束被阻斷，導致接收元件信號急劇下降，經過放大、轉換傳輸至單片機觸發報警器。然后在宿舍門外安裝數字鍵盤，通過有線的方式與單片機相連。預先設定密碼，當有人進入宿舍時，需先輸入密碼取消報警，否則打開門時將觸發報警。為防止人員進入時忘記輸入密碼，可設置語音提示。輸入正確密碼后，單片機檢測到接收元件信號急劇下降（開門），一段時間后接收信號正常（關門）時，自動重啟報警。

（2）人員離開宿舍。為了防止人員外出開門時觸發報警，在開門裝置附近安裝光電式傳感器。利用光電式傳感器的反射式原理，開門時人的手會遮擋住光源發出的光線，單片機檢測接收元件接收到信號時立刻取消報警。人外出關門后，單片機自動重啟報警。同時防止外出時忘記關門或鎖門，設置語音提示。

系統采取宿舍內和管理中心雙重報警，防止宿舍無人時非法人員進入。同樣可以把本電路安裝到窗戶等其他地方，防止非法人員從這些地方進入盜竊。本設計結構簡單、硬件成本低、易安裝，但軟件編寫相對復雜些，對系統實時性要求較高。防盜報警電路結構如圖6所示。

3 系統軟件設計

系統軟件設計包括節點（協調器節點和終端節點）和管理中心主機的軟件設計。終端節點采取混合式WSN（無線傳感器網絡）工作模式[5]對環境進行實時監測 。一方面節點以一定的周期不斷地采集環境變量，并將監測數據發送到管理中心；另一方面將傳感器節點采集的數據進行處理，提取監測環境狀態的特征信息，判斷是否有異常發生，并將異常信息及時發送到管理中心。為了降低功耗，節點完成之后進入休眠狀態，同時設置為可被一些異常情況產生的中斷喚醒。管理中心可以通過3G無線網絡傳輸給遠程監控中心計算機，供遠程監控中心調閱，實現異地遠程監控。節點（協調器節點和終端節點）工作流程如圖7所示。

使用Visual C++ 設計監控中心的管理軟件，并配備計算機、操作系統和應用軟件，負責對系統中的所有節點進行可視化管理，包括數據處理、分析、顯示、存儲，狀態異常報警、節點信息管理、系統用戶管理以及系統參數的設置等功能。

4 實驗結果

選取成都理工大學的4個宿舍（不同的樓層）作為實驗對象，對系統部分功能進行實地測試。在每個宿舍布置2個煙霧傳感器和1個溫度傳感器，對應樓層樓梯口處放置路由器節點，協調器安裝在公寓樓門口位置，通過串口與管理中心計算機通信。利用可控的制冷加熱裝置對溫度傳感器進行測試，設定溫度報警值為60℃。隨機選取顯示器上任意兩個宿舍的8個溫度測量值，實驗數據如表1和表2所示。

從表中可以看出：溫度測量誤差最大是0.5℃，誤差范圍比較小。在宿舍1內采用人工生煙的方法，對環境情況進行改變，采用煙霧傳感器檢測環境的煙霧濃度。設定煙霧濃度報警值為1000ppm，選擇測試時間為10：00-10：19，煙霧濃度測試結果如表3所示。實驗結果表明當煙霧濃度超過設定值時將發生報警。

利用惡性負載檢測電路分別檢測熱水器（線性負載）和電視機（非線性負載），通過示波器觀察它們電壓電流輸入波形，截取一部分如圖8所示（左邊為熱水器，右邊為電視機）。把檢測數據發送到管理中心，經計算機軟件分析處理。結果表明，當負載為熱水器時，將發生報警。

5 結論

本文介紹了系統的總體結構、硬件設計和軟件設計，對一些重要電路和關鍵技術進行了詳細分析和設計。雖然ZigBee技術的傳輸功率低，調制方式比較簡單，在2.4GHz ISM頻段具有很好的抗干擾性，只要采取必要措施，ZigBee可以和其他同頻段系統共存的。盡管與其他無線通信相比ZigBee有很多優點，但它在信號抗干擾、抗屏蔽等方面仍然存在一些不足，另外公寓樓內障礙物較多和電子設備的干擾，這些都會影響系統通信的質量和距離。通過對一些硬件設備采取接地、濾波等處理，降低外界信號干擾。增加采集數據的頻率，采取濾掉最大值和最小值求平均值的方法，確保數據傳輸的正確性，降低誤碼率的發生。本設計具有很強的擴展性，當需要監測公寓樓內其他環境變量時，只需增加相應的終端節點。當管理中心無人看守時，可以在主機上增加無線通信模塊，通過GPRS方式把重要信息傳輸到管理者手機等通訊設備上，實現遠程監控和管理。

參考文獻：

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[3]陳彪，吳成東，鄭君剛.智能門禁中人臉識別的數據傳輸[J].電子產品世界.2012（10）

[4]張維.北京科技大學： 建設學生公寓安全防范系統[EB/OL].（2009-4-2）.http：//www.aqsc.cn/1018 7/101922/119384.html[5]常超，鮮曉東，胡穎.基于WSN的精準農業遠程環境監測系統設計[J].傳感技術學報，2011，24（6）：879–883

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