基于Zigbee技術(shù)的智慧校園安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

俞慧慧

(安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息與智能工程系，安徽 蚌埠 233000)

校園安全問(wèn)題是社會(huì)各界普遍關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。近年來(lái)，來(lái)自消防、人身安全等方面的校園安全事件層出不窮，因此推進(jìn)校園安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建設(shè)平安校園顯得尤為重要。目前，大多數(shù)高校已經(jīng)建立起基于有線通信的安全防護(hù)系統(tǒng)。但由于此類安防系統(tǒng)具有前期成本高、維修難度大及靈活性能差等缺點(diǎn)，校園安全防護(hù)系統(tǒng)仍存在諸多隱患。隨著信息通信技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)及無(wú)線傳感技術(shù)日臻成熟，在原有安防網(wǎng)絡(luò)技術(shù)框架基礎(chǔ)上，架設(shè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，在教學(xué)樓、辦公樓、學(xué)生宿舍及體育場(chǎng)館內(nèi)搭建無(wú)線全覆蓋的安防系統(tǒng)，可以最大程度推進(jìn)“數(shù)字化校園”建設(shè)。

智慧校園安全系統(tǒng)集合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算及智能化設(shè)備等，能夠更加合理地為校園安全提供管理和服務(wù)[1]。Zigbee技術(shù)具有傳輸距離遠(yuǎn)、復(fù)雜程度低、功耗小和傳輸精度高的優(yōu)點(diǎn)，可以保證人與物、物與物之間的高質(zhì)量無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，并可以很好地解決物聯(lián)網(wǎng)中無(wú)線傳感器各節(jié)點(diǎn)間的網(wǎng)絡(luò)連接。因此，Zigbee技術(shù)作為核心技術(shù)，在建設(shè)智慧校園安全系統(tǒng)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

1 基于Zigbee技術(shù)的智慧校園安全系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)分析

1.1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)分析

無(wú)線傳輸技術(shù)集合了分布式數(shù)據(jù)處理技術(shù)、微型電子技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)及嵌入式技術(shù)，它與傳統(tǒng)有線通信技術(shù)相比，具有更強(qiáng)大的信息采集能力。這項(xiàng)技術(shù)擺脫了傳輸線的束縛，可以在布置傳感器時(shí)更加方便靈活。傳感器通過(guò)無(wú)線技術(shù)將采集到的信息實(shí)時(shí)傳輸給上位機(jī)，監(jiān)控人員通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析，可以清晰地掌握現(xiàn)場(chǎng)的安全狀況。無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)適用于監(jiān)控面積大或地理?xiàng)l件更加復(fù)雜的環(huán)境，其監(jiān)控效果與節(jié)點(diǎn)部署情況有直接關(guān)系。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目越多，獲取數(shù)據(jù)信息就越準(zhǔn)確。各傳感器節(jié)點(diǎn)間并不是獨(dú)立個(gè)體，其間會(huì)預(yù)先設(shè)定無(wú)線路由協(xié)議，保證各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與轉(zhuǎn)發(fā)。由于區(qū)域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的位置不同，運(yùn)行中有它的不確定性，這就要求無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)具有組織能力，實(shí)現(xiàn)更加科學(xué)的配置管理[2]。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的信息傳輸時(shí)，由于各節(jié)點(diǎn)的信息發(fā)射能力有限，在無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)置中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的轉(zhuǎn)發(fā)，傳輸過(guò)程中各節(jié)點(diǎn)在不斷地加入和退出，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)處在動(dòng)態(tài)變化過(guò)程之中。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通過(guò)各節(jié)點(diǎn)的廣泛部署，實(shí)現(xiàn)在一定區(qū)域內(nèi)對(duì)必要信息的獲取，避免在獲取數(shù)據(jù)時(shí)逐一對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行查閱，以數(shù)據(jù)作為無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)的工作重心，最大程度上保證了網(wǎng)絡(luò)的實(shí)用性[3]。

1.2 Zigbee及相關(guān)技術(shù)分析

Zigbee技術(shù)由其技術(shù)聯(lián)盟制定網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)準(zhǔn)，用戶可以根據(jù)實(shí)際工作需要在應(yīng)用層進(jìn)行自主開(kāi)發(fā)，在最大程度上為用戶提供靈活的組網(wǎng)方式。Zigbee技術(shù)具有3個(gè)跨度很大的頻段，3個(gè)頻段的信道數(shù)目、信息傳輸速度及調(diào)制方式存在差異。其中2.4GHz頻段為免費(fèi)頻段，此段共有16個(gè)信道，可以實(shí)現(xiàn)最多達(dá)250Kbps的數(shù)據(jù)傳輸。Zigbee技術(shù)可以通過(guò)星型網(wǎng)、樹(shù)型網(wǎng)及網(wǎng)狀網(wǎng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的組網(wǎng)性能。采用多載波的信道接入方式，最大程度避免了載波之間的沖突。Zigbee模塊具有較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)能力，有較低的信號(hào)發(fā)射功率，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的不同要求，主動(dòng)增加或降低發(fā)射功率。在非工作狀態(tài)下可以自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，從而保證了Zigbee技術(shù)的低功耗特征。Zigbee模塊的價(jià)格便宜，適宜大規(guī)模采購(gòu)。Zigbee技術(shù)協(xié)議設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)功能時(shí)只需要少量的程序代碼，節(jié)省了許多專利費(fèi)用。喚醒休眠狀態(tài)下的Zigbee模塊只需要15ms，查找網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)只需要15ms時(shí)延，可以滿足時(shí)延要求高的領(lǐng)域。基于Zigbee技術(shù)搭建的無(wú)線通信區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同工作，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各節(jié)點(diǎn)具有較強(qiáng)的管理能力，可以滿足對(duì)254個(gè)子節(jié)點(diǎn)的操縱。Zigbee技術(shù)在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮到電磁波干擾、障礙物阻擋及水汽吸收電磁波等問(wèn)題，制定了具有針對(duì)性的防止碰撞策略，有效提升無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｔ趥鬏斶^(guò)程中設(shè)計(jì)了應(yīng)答方式，確保數(shù)據(jù)可以達(dá)到既定目的地地址。Zigbee技術(shù)的協(xié)議棧可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)包的檢查功能，具備加密算法認(rèn)證和鑒權(quán)，最大程度上保證了數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的安全性[4]。Zigbee技術(shù)協(xié)議棧的源碼和授權(quán)對(duì)使用者是開(kāi)放的，在應(yīng)用開(kāi)發(fā)過(guò)程中具有較高的開(kāi)放性。

1.3 節(jié)點(diǎn)故障檢測(cè)技術(shù)分析

與有線網(wǎng)絡(luò)存在的數(shù)據(jù)傳輸包丟失的情況相同，無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)也存在傳輸信息不到位或得不到傳輸反饋的問(wèn)題。為提高無(wú)線信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，須采用節(jié)點(diǎn)故障檢測(cè)技術(shù)對(duì)丟包故障進(jìn)行檢測(cè)。該技術(shù)可以檢測(cè)出網(wǎng)絡(luò)中斷、數(shù)據(jù)延遲及能源限制等故障。在無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)中常用的節(jié)點(diǎn)故障檢測(cè)技術(shù)主要包括：集中式故障檢測(cè)法、分布式故障檢測(cè)法和心跳故障檢測(cè)機(jī)制。其中，集中式故障檢測(cè)法主要用于檢查問(wèn)題節(jié)點(diǎn)的成因，它主要采用輪詢方式周期性的向周圍節(jié)點(diǎn)發(fā)送狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍節(jié)點(diǎn)故障信息的實(shí)時(shí)采集。工作結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示。

圖1 集中式故障檢測(cè)機(jī)制結(jié)構(gòu)圖

分布式故障檢測(cè)法作為另一種常用的節(jié)點(diǎn)故障檢測(cè)技術(shù)，將故障管理工作分散到各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中，使各節(jié)點(diǎn)都具有獨(dú)立的判斷與處理故障的權(quán)限。這樣處理，不僅可以降低中心節(jié)點(diǎn)的工作壓力，還能在一定程度上提高節(jié)點(diǎn)故障檢測(cè)的可靠性。分布式故障檢測(cè)法已經(jīng)成為未來(lái)故障檢測(cè)的一種發(fā)展趨勢(shì)，滿足區(qū)域內(nèi)多種類的節(jié)點(diǎn)故障檢測(cè)需求。心跳故障檢測(cè)機(jī)制是分布式節(jié)點(diǎn)故障檢測(cè)的延伸。該故障檢測(cè)模式會(huì)向外定期傳輸數(shù)據(jù)包，并進(jìn)行周期性的數(shù)據(jù)收發(fā)。在傳輸過(guò)程中判斷套接字的狀態(tài)是連接或斷開(kāi)，就可以知道無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)的工作是否正常。系統(tǒng)傳輸?shù)男奶鼘儆谝环N自定義的結(jié)構(gòu)體，其中包含了少量的狀態(tài)信息，有些狀態(tài)下僅包含特定的標(biāo)識(shí)碼或反饋碼來(lái)表明心跳碼的身份。

2 基于Zigbee技術(shù)的智慧校園安全系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)

2.1 智慧校園安全系統(tǒng)傳感器的選擇

在進(jìn)行智慧校園安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，選用TO-92式封裝的溫度傳感器LM35DZ測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫升變化情況。該測(cè)溫模塊構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本低，直接將電壓值和溫度信息通過(guò)模擬信號(hào)傳出去。電壓值與攝氏度之間呈線性關(guān)系，安裝時(shí)直接將杜邦線與主板相連，安裝靈活簡(jiǎn)便。該傳感器的測(cè)溫范圍是0℃～100℃，當(dāng)所測(cè)區(qū)域溫度超過(guò)60℃時(shí)，可以判斷此處有發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)，需要消防人員前來(lái)處理。煙霧傳感器MQ-2是另一種常用的檢測(cè)模塊，主要用于檢查化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的易燃、易爆及有毒氣體。除此之外，MQ-2還可以檢測(cè)出氦氣和液化氣，工作電壓范圍處于0～24V之間，該傳感器在使用前需要用5V電壓對(duì)其加熱。煙霧傳感器MQ-2在空氣中的電導(dǎo)率較低，有較強(qiáng)的耐腐蝕性，使用壽命長(zhǎng)，檢測(cè)氣體的化學(xué)反應(yīng)具有可逆性，便于煙霧傳感器循環(huán)使用。其機(jī)械性能良好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，當(dāng)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)煙霧或有害氣體時(shí)，SnO2材料商的晶粒電導(dǎo)率會(huì)發(fā)生變化，實(shí)時(shí)檢測(cè)一定區(qū)域內(nèi)是否有火情出現(xiàn)，煙霧濃度與電導(dǎo)率成正比，且可以判斷出火情的程度。為了防止危險(xiǎn)人員潛入校園造成安全隱患，還應(yīng)設(shè)置人體紅外熱釋電傳感器，以探測(cè)人體發(fā)出的輻射，進(jìn)一步判斷區(qū)域內(nèi)是否有人進(jìn)入。該傳感器對(duì)于10μm的紅外輻射有較強(qiáng)的敏感性，當(dāng)有人進(jìn)入?yún)^(qū)域內(nèi)時(shí)會(huì)使傳感器的電荷失去平衡，向外釋放電荷，并將報(bào)警信號(hào)傳遞到監(jiān)控中心。

2.2 智慧校園安全系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)分析

智慧校園安全系統(tǒng)通過(guò)Zigbee模塊搜集監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測(cè)信息，將存在潛在危險(xiǎn)的現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)實(shí)時(shí)傳遞給監(jiān)控中心。在整個(gè)過(guò)程中，利用無(wú)線傳感技術(shù)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，并通過(guò)上位機(jī)的計(jì)算，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)進(jìn)行分析和判斷。根據(jù)智慧校園安全系統(tǒng)的實(shí)際需求和Zigbee模塊的應(yīng)用特點(diǎn)，需要綜合溫度、濃度、煙霧采集、紅外數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫蛩乜紤]組網(wǎng)特點(diǎn)，利用溫度傳感器LM35DZ、煙霧傳感器MQ-2及人體紅外熱釋電傳感器來(lái)獲取現(xiàn)場(chǎng)信息，構(gòu)建組網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器。為豐富其功能，在算法程序中增加測(cè)距模塊和人員定位模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)潛入人員的實(shí)時(shí)定位。智慧校園安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2所示。

圖2 智慧校園安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

在Zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，底層節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)獲取、發(fā)送數(shù)據(jù)；路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)與管理，可以有效擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)范圍；頂層節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)對(duì)已知節(jié)點(diǎn)的信息消化。Zigbee模塊上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在設(shè)置好的頻率下周期性傳給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再將獲取的信息統(tǒng)一打包后上傳至PC端。當(dāng)出現(xiàn)危險(xiǎn)報(bào)警時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)就會(huì)及時(shí)將報(bào)警信息傳達(dá)給警務(wù)系統(tǒng)并發(fā)出警報(bào)。以Zigbee的快速組網(wǎng)優(yōu)勢(shì)和RSSI測(cè)距功能，可以準(zhǔn)確給警務(wù)人員提供危險(xiǎn)報(bào)警的具體位置。在進(jìn)行智慧校園安全系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，選擇CC2530搭建智慧校園安全系統(tǒng)的硬件平臺(tái)。該芯片具有體積小、功耗低、組網(wǎng)方便及易于擴(kuò)展的特點(diǎn)。Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器要完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)以及節(jié)點(diǎn)的管理。在本系統(tǒng)中，需要將接收的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳遞給服務(wù)器；需要架設(shè)射頻天線來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)；設(shè)計(jì)LED燈來(lái)顯示數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)；設(shè)計(jì)按鍵用于復(fù)位模塊狀態(tài)。在設(shè)計(jì)電源模塊時(shí)，采用5V電源供電，而模塊的工作電壓為3.3V，需要采用LM1117實(shí)現(xiàn)5V到3.3V電壓的轉(zhuǎn)換。通信模塊采用RS-232串行通信接口，可以任選CC2530模塊的一組串行接口實(shí)現(xiàn)通信。接口轉(zhuǎn)換器選擇PL2303，內(nèi)置USB收發(fā)、振蕩器及UART通用異步收發(fā)傳輸器，只需配置電容，即可實(shí)現(xiàn)USB信號(hào)與RS-232信號(hào)的轉(zhuǎn)換。PL2303具有高兼容驅(qū)動(dòng)器，可以滿足大多數(shù)上位機(jī)系統(tǒng)的傳統(tǒng)COM需求。CC2530的時(shí)鐘模塊包括工作模式和休眠模式兩種工作狀態(tài)，分別由32MHz晶振和32.768KHz晶振提供計(jì)數(shù)。

2.3 智慧校園安全系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分析

智慧校園安全系統(tǒng)軟件部分需要完成對(duì)PC端操作界面、數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)分析處理模塊、嵌入式部分協(xié)調(diào)器、路由設(shè)備及終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。信息采集、檢測(cè)算法及節(jié)點(diǎn)定位處算法的設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)采用B/S模式來(lái)保證運(yùn)行的實(shí)時(shí)性。采用Myeclipse實(shí)現(xiàn)操作管理，以C/S模式實(shí)現(xiàn)程序編寫(xiě)。數(shù)據(jù)采集管理流程是在服務(wù)器啟動(dòng)后對(duì)各部門進(jìn)行初始化，在完成信息的采集、傳輸及分析處理后，將各節(jié)點(diǎn)處的數(shù)據(jù)傳輸至協(xié)調(diào)器，通過(guò)串口設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的打包。在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，為滿足控制的靈活性安排一個(gè)區(qū)域內(nèi)分設(shè)多個(gè)協(xié)調(diào)器，保證任何一個(gè)協(xié)調(diào)器管理多個(gè)子節(jié)點(diǎn)，不同節(jié)點(diǎn)分別完成不同任務(wù)。協(xié)調(diào)器和路由器都由FDD構(gòu)成，分別負(fù)責(zé)管理網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)傳遞工作。在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，要求協(xié)調(diào)器和路由器均具有組網(wǎng)能力，在使用時(shí)，需要先啟用協(xié)調(diào)器，再使用路由設(shè)備，兩者都可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。智慧校園安全系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)中，主要涉及數(shù)據(jù)采集部分的心跳發(fā)送算法和節(jié)點(diǎn)定位算法。在進(jìn)行心跳算法設(shè)計(jì)時(shí)，要滿足數(shù)據(jù)采集的需求，信息采集包括內(nèi)容、節(jié)點(diǎn)編號(hào)及采集時(shí)間。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目過(guò)多，中心節(jié)點(diǎn)處理能力有限，采取分布式故障檢測(cè)算法比較適宜。考慮到心跳信息在傳遞時(shí)也會(huì)加大網(wǎng)絡(luò)壓力，對(duì)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的傳輸造成不利影響，設(shè)計(jì)了PULL心跳檢查機(jī)制，使檢測(cè)方法具有更好的主動(dòng)性能，保證了檢測(cè)算法的靈活性。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于Zigbee技術(shù)的智慧校園安全系統(tǒng)，可以保證在學(xué)校內(nèi)部建立一個(gè)規(guī)范的故障預(yù)警保護(hù)機(jī)制。安保人員可從多個(gè)途徑獲取故障預(yù)警信息，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的安全運(yùn)行報(bào)告統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)，方便運(yùn)行和維護(hù)人員及時(shí)了解系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，為學(xué)校安全保障工作適時(shí)提供科學(xué)合理的信息。智慧校園安全系統(tǒng)建立起一體化的運(yùn)營(yíng)維護(hù)監(jiān)控服務(wù)系統(tǒng)，打破了不同監(jiān)控區(qū)域之間的壁壘，有利于高度集約化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的建立，使校園有了更加安全的保障。