多網互通智能化校園安防管理系統的設計

孫勝利, 姜尊然, 呂志成, 魏 哲, 段穎鍇, 黃鏡陶

(天津科技大學 應用文理學院,天津 300222)

多網互通智能化校園安防管理系統的設計

孫勝利, 姜尊然, 呂志成, 魏 哲, 段穎鍇, 黃鏡陶

(天津科技大學 應用文理學院,天津 300222)

研究了一種針對校園的安防管理系統，具有可接入局域網、互聯網、電話通信網的網絡聯通功能。同時具有基于B/S功能的監控畫面，無需在監控端安裝其他軟件就可實現攝像頭控制、畫面監測、門鎖控制及報警等功能。該系統硬件部分主要組成包含IP Camera、tiny6410、NFC以及門禁系統等四部分。該安防系統的軟件由基于B/S框架、嵌入式LINUX系統、CGI軟件、視頻流控制軟件等部分搭建。此外系統還包括監測傳感器模塊、報警模塊、無線射頻識別和短信電話報警功能等。實現了多網互通，人機結合和及時監控等創新點，解決了校園安防系統的不完善。利用網頁和嵌入式技術實現了無線監控網絡的系統整合，提高了監控網絡的功能和便捷。經過實驗驗證，設計的安防監控系統可實時保障對校園設備和人員的有序管理。

安防管理系統； 校園； 嵌入式系統

0 引 言

在社會信息化進程日益發展的今天，治安管理問題的預防和解決，都有賴于打造一個現代化的監控安防技術防范系統。而現有的安防系統普遍是單純地依靠設備監控或者人力安防。不僅單一而且耗費資源。有些復雜的情況并不能單純的依靠人力或者設備解決。尤其是校園環境中的安防系統，在教室，實驗室，辦公室等環境中，可能存放著貴重物品。然而如今校園中還很少有一個緊密完善的安防系統，僅是監控，保安管理。存在著監控應用效率低；安防報警不及時；人防的結合不夠緊密等不足。

為了解決這些問題，系統應用了多種網絡聯系，多網互通的創新點將安防系統的及時性得到提升。還利用了IP攝像頭監控和智能APP等日益流行的軟件，運用了各種芯片處理的方式讓安防管理者第一時間了解情況。采用人機結合的方法將一些設備難以判斷的情況得到更好解決。嵌入式具有很強的針對性，減少了應用在安防系統上的人力與設備資源。目的是打造一個全方位的智能化校園安防管理系統。

1 硬 件

硬件包括3個部分，室外環境負責圖像采集，紅外報警[1]、讀取卡號信息。室內環境負責信息處理、局域網與互聯網的連接、傳感器的判斷。鎖的部分則是讀卡開門與發送短信的功能。

1.1 室外環境

1.1.1 IP Camera

IP Camera是一種網絡攝像機，只要插上以太網線和電源就能通過網絡發布和瀏覽視頻信息。因為IP Camera有自己的微處理器和內存，一般用linux操作系統，內置Web服務器，支持多種網絡協議，擁有IP地址和DDNS動態域名，可以通過IE瀏覽器輸入IP地址進行視頻收看。正是利用了這個原理將它與CGI結合并設計界面。并且，近兩年，IP Camera迅速發展，幾乎保持每年2、3倍的速度增長，需求量約為115萬臺。本系統使用此設備充分考慮了市場需求[2]。

IP Camera的突出優勢在于，實現用戶可通過手機設置IP Camera的WiFi，無需通過WPS或者連接進設備中即可設置好IP Camera，另外就是節省連接線材等硬件成本。安裝在門外，用來進行視頻監控[3]。

1.1.2 NFC

NFC的全稱是近距離無線通信，它是在飛利浦公司提議下發起的，并由索尼、諾基亞等國際著名廠商聯合推出的一項近距離無線通信技術。通過在NFC芯片上集成感應式卡片、感應式讀卡器和點對點通信的功能,能夠在較短距離內與相關設備通信,達到識別和數據交換的目的。Android手機通過集成NFC芯片就可以讀取相關NFC標簽或者設備的信息，該技術由非接觸式射頻識別，也就是RFID演變而來，近場通信是一種短距高頻的無線電技術，在13.56 MHz頻率運行于20 cm距離內。其傳輸速度有 106 Kbit/s、212 Kbit/s或者424 Kbit/s 3種。近場通信已通過成為ISO/IEC IS 18092國際標準、EMCA-340標準與ETSI TS 102 190標準。NFC采用主動和被動兩種讀取模式。

因為這項技術已經成熟，所以這需采用主動讀取卡號信息，系統所做的創新只是把NFC與手機、門禁結合，將重心放到安防上,使用RDM8800型號的NFC無線識別系統，它是繼RDM6300后ITEAD STUDIO推出的又一款RFID模塊。它不僅僅是一個讀卡器模塊，還可以將它視為一個ARDUINO+PN532的NFC開放平臺。通過Arduino上的PN532支持庫，就可以實現系統中開鎖的功能。

1.2 室內環境

1.2.1 TINY6410

Tiny6410是一款以ARM11芯片(三星S3C6410)作為主處理器的嵌入式核心板，該CPU基于ARM1176JZF-S核設計，內部集成了強大的多媒體處理單元，支持Mpeg 4, H.264/H.263等格式的視頻文件硬件編解碼，可同時輸出至LCD和TV顯示。它可以縮短產品研發周期，使開發人員快速完成原理樣機的研究；還并帶有3D圖形硬件加速器，以實現OpenGL ES 1.1 & 2.0加速渲染，另外它還支持2D圖形圖像的平滑縮放、翻轉等操作[4-6]。

正是利用了TINY6410多媒體模塊較多，全屏幕觸屏的優點，相對與普通內外網轉換媒介，電腦而言，TINY6410體積更小，針對性更強，減少了不必要的能源消耗[7,8]。

1.2.2 花生棒

花生棒是一款實現了動態域名解析技術(NAT-DDNS)的硬件。它主要功能是進行動態域名解析服務，實現支持公網的功能。在本安防系統中，利用花生棒來實現內外網的轉換，有效地解決了外網無法訪問內網來實現監控的問題。在市場上常見的系統中，用戶只能在和IPCAMERA相同的網絡環境中來實現監控功能，引進了花生棒以后，系統為用戶開辟了一個新的通道，即用戶可以在遠程通過電腦或手機來實現監控管理。

1.3 鎖

1.3.1 短信模塊

該部分利用到了RDM8800與SIM900的結合，還運用到了室內的紅外報警器，考慮到一些硬性盜竊手段或者是破窗而入。因為SIM900具有多功能的特性，可以與紅外報警器結合并經ARDUINO IDE編寫程序達到室內沒有檢測到卡號而紅外報警的效果。體現了及時監控的效果，組成框圖如圖1所示。

1.3.2 開鎖模塊

開鎖部分依舊運用到了RDM8800與ARDUINO NANO，通過ARDUINO NANO控制舵機，刷卡時，RDM8800識別正確卡號，舵機轉動，開鎖[8]。關門時啟動磁感應器，舵機回位，鎖門。組成框圖如圖2所示。

圖1 短信模塊原理圖

圖2 鎖模塊原理圖

2 軟 件

如果說硬件是實體的話，軟件則是這個系統的骨架。軟件的編寫決定著該系統的靈活性與效率。由于涉及到一些手機和電腦的交互界面，故軟件中包括網頁CGI語言、與嵌入式結合的BOA語言、編寫手機APP的安卓與JAVA語言。關于硬件控制方面，采用的是ARDUINO IDE的編寫，因為ARDUINO是一款開源電子原型的平臺，適用于電腦程序開發[9-10]。

圖3 整體程序流程圖

2.1 CGI中有關BOA的語言

該部分與嵌入式TINY6410中的LINUX程序相關，CGI(Common Gateway Interface)是外部應用擴展應用程序與WWW服務器交互的一個標準接口。按照CGI標準編寫的外部擴展應用程序可以處理客戶端瀏覽器輸入的數據，從而完成客戶端與服務器的交互操作。而CGI規范就定義了Web服務器如何向擴展應用程序發送消息，在收到擴展應用程序的信息后又如何進行處理等內容。通過CGI可以提供許多靜態的HTM網頁無法實現的功能，比如搜索引擎、基于Web的數據庫訪問等。CGI是外部應用程序(CGI程序)與Web服務器之間的接口標準，是在CGI程序和Web服務器之間傳遞信息的規程。BOA服務器是一個小巧高效的Web服務器，是一個運行于UNIX或Linux下的，支持CGI的、適合于嵌入式系統的單任務的Http服務器，源代碼開放、性能高。所以，TINY6410相當于一個串聯BOA與CGI的媒介。

系統通過LINUX和BOA嵌入式服務器構成一個瀏覽器/服務器(B/S)的監控系統，嵌入式作為安防系統的一個節點和服務器，通過CGI頁面顯示NFC模塊讀取的卡號信息，通過 無線局域網絡進行傳輸，發送信息給PC上的監控頁面。PC則同時收集IP Camera和嵌入式門禁這兩個模塊信息，并通過BOA服務器建立登錄界面、信息顯示界面，從而可以在瀏覽器上顯示監控畫面。

將Boa移植到運行uClinux操作系統的ARM處理器上,建立嵌入式Web服務器, 為用戶提供基于Http協議的網絡接入方式,這樣的設計方案可以很好地運用到網絡監控系統中。軟件從網上下載，通過交叉編譯鏈接生成最后的可執行文件，對BOA的配置文件boa.conf進行修改，包括存放主頁的主目錄和首頁名稱等，然后把boa和boa.conf這兩個文件拷貝到開發板操作系統中，再執行BOA主程序，嵌入式服務器就生成好了。NFC則基于ARDUINO開發環境開發,當讀卡器識別考卡號后，經過嵌入式系統進行對照處理，判斷該卡號是否允許通過，同時卡號被傳送到PC當中，實時顯示到瀏覽器中，并通過SIM900模塊把卡號發送到指定手機的短信當中。根據需要去創建CGI程序，實現視頻和卡號識別等監控信息的整合[11-14]。

部分CGI程序：

html,body{ width:100%; height:100%;}

body {

margin-left: 0px;

margin-top: 0px;

margin-right: 0px;

margin-bottom: 0px;

}

</p><p>

2.2 ARDUINO IDE的程序編寫

ARDUINO IDE，開發環境的要求較為寬松，只要在IDE中編寫程序代碼，將程序上傳到ARDUINO電路板后，程序便會告訴ARDUINO電路板要做些什么了。IDE編寫的對象則是各式各樣的ARDUINO模塊，ARDUINO是一個基于開放原始碼的軟硬件平臺，構建于開放原始碼simple I/O介面版，并且具有使用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發環境。它能通過各種各樣的傳感器來感知環境，有一些擁有特殊功能的面板，通過控制燈光、馬達和其他的裝置來反饋、影響環境。板子上的微控制器可以通過ARDUINO的編程語言來編寫程序，編譯成二進制文件，燒錄進微控制器。系統中利用了它跨平臺、簡單清晰、開放性強等特點。利用RDM800與SIM900的信息傳輸功能實現發送卡號短信，利用RDM6300與ADRUINO NANO處理器通過程序定義舵機的PWM引腳完成刷卡開鎖的過程[14]。

短信部分中定義目標手機號的部分：

#include

#include

#define delaytime 2000

#define timeout1 5000

#define timeout2 7000

char number[20] = "13XXXXXXX49"; //改成接收短信的手機號碼

byte comm_buf[20];

const int LED = 3;

#define PN532_CS 10

PN532 nfc(PN532_CS);

//#define NFC_DEMO_DEBUG 1

unsigned int frame_format;

開鎖部分中調節舵機脈寬與識別卡號的部分：

void pulse( int serpin,int angle)

{

int width;//舵機輸出脈寬

width=(angle*11)+500;//將角度轉化為500-2480的脈寬值

digitalWrite(serpin,HIGH);//將舵機接口電平至高

delayMicroseconds(width);//延時脈寬值的微秒數

digitalWrite(serpin,LOW);//將舵機接口電平至低

delay(20-width/1000);

}

Serial.println(Num);

if((Num==Password1)||(Num==Password2))//識別卡號

{

digitalWrite(13,HIGH);

delay(5);

for(int i=0;i<=50;i++)//給予舵機足夠的時間讓它轉到指定角度

{

pulse(serpin,20);//引用脈沖函數

}

2.3 手機安卓APP的編寫

目前市場上已經有很多IP Camera的版本，像IP Camera Viewer、P2PIP Camra這些軟件在市場上已經很普遍了，而系統中的手機APP是基于校園安防系統和IP Camera結合的一款APP，它在界面上與市場上P2P IP Camera這款軟件的區別是我們結合了門鎖的部分。首先進入手機APP界面會顯示監控畫面，畫面旁邊有個人信息欄和報警按鈕。這可以使主人在監控的同時可以看到通過刷卡進入屋內人的個人信息，如果非系統內人員進入屋內，手機APP界面會顯示報錯，這時房屋主人可根據監控畫面來判斷是否報警。

在APP實現外網觀看視頻監控的過程中，系統采用了花生棒這一硬件來解決內外網無法互通的問題。花生棒是一款實現了內網穿透動態域名解析技術(NAT-DDNS)的硬件，它可以產生一個可供外網使用域名，手機用戶就可以在IP Camera的局域網以外或者使用數據流量隨時隨地的觀看監控視頻，不再受局域的限制。手機APP的制作是基于Java語言主要在Eclipse中編寫程序，以市場上P2P IP Camera這一款手機APP為參考，研發出一款集門禁監控和IP Camera于一體的手機軟件[14-15]。

3 系統整體運行效果

整個過程是:首先NFC判斷卡號是否正確，如果卡號正確的話，ARDUINO NANO控制開鎖，SIM900會發送開鎖記錄；若是錯誤的卡號，SIM900會首先發送錯誤的開鎖記錄，用戶可以使用APP訪問互聯網中的TINY6410，此時嵌入式已經通過花生棒建立起固定的IP地址，這就體現了系統多網互通的性質。用戶就可以通過IP攝像頭所拍攝的畫面來判斷情況的緩急，來選擇電話報警，或者僅僅是啟動報警器起到威懾作用。這就體現了系統人防和設備防護的優點。當遇到一些硬性的盜竊方案，比如破門而入或破窗而入，這時就可以通過SIM900與屋內的紅外傳感器結合，當ARDUINO NANO沒有運行時，紅外傳感器工作，檢測到信號時會使SIM900給用戶的手機打電話，讓用戶及時了解情況，實現全方位的實時監控[16]。

整個監控系統不需要電纜，也不需要裝額外的軟件，只要裝有瀏覽器，就可以通過花生棒從外部的局域網鍵入已由路由器分配好的內網地址，就可以進行實時觀察，而且在瀏覽器與手機APP界面中可以同時控制攝像頭的運動，以及報警信息，因為硬件部分的芯片都是低耗能，利用電池供電，克服了停電時的失控狀況，全方位、全天候地實現監控無線化和智能化。

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Design of Intelligent Network Security Management System

SUNShengli,JIANGZunran,LüZhicheng,WEIZhe,DUANYingkai,HUANGJingtao

(College of Applied Arts and Scicences, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300222, China)

Today， the development of campus security system has been completed, but is still lack of systemic and flexibility, the management is difficult. This paper introduces a new campus security system which can operate network monitoring, and connect with LAN, the Internet, and telephone communications network. This system’s hardware mainly uses IP CAMERA, tiny6410, NFC and entrance guard system. The software mainly includes B/S framework, embedded LINUX operation system, CGI software and VIDEO stream controller software. In addition the system includes monitoring sensor module, network transmission module, alarm module, radio frequency identification and SMS phone alarm, etc. Not only does it use the multi-network communication but contains innovation such as network communication, man-machine combination and timely monitoring. In order to solve the shortcoming of campus security, the use of web pages and embedded technology has implemented in integration of the wireless monitoring network system, to enhance the functionality and convenience of the monitoring system. Through experimental verification, the system reached the purpose of real-timely protecting campus equipment and personal safety.

security management system; campus; embedded system

2016-05-05

國家級大學生創新創業項目(201510057188)

孫勝利(1966-)，男，天津人，學士，副教授，研究方向為測控技術與儀器。

Tel.:15122799166;E-mail:15122799166@126.com

TP 277

A

1006-7167(2017)02-0131-05